东湖VR大厦结构设计探析

2021-09-18翁锦华

福建建筑 2021年8期

翁锦华

(福州市建筑设计院有限责任公司福建福州 350011)

1 工程概况

东湖·海西高新技术企业港软件开发基地(数字福建VR双创孵化基地)二期C1-2-1#楼(以下简称东湖VR大厦)地处福州市滨海新城，大厦主楼为办公楼，地上20层、地下1层,结构高度为100.5 m，总建筑面积约29 700 m2，结构采用钢管混凝土柱、钢框架-核心筒结构体系，如图1所示。

图1 结构施工过程实景图

工程结构设计难点为：

(1)大悬挑：5～6层南部外侧两端悬挑11.65 m，中间悬挑9 m，北部外侧两端悬挑6.35 m；

(2)主体结构竖向受力构件内外倾斜大，东西两侧钢柱外斜角度达14.04°，南北两侧各4根柱跃层外倾斜；

(3)竖向刚度突变，主体结构大部分层高为4.5 m，5层层高变化为9.0 m。

2 设计参数及结构体系

结构抗震设防类别为丙类，安全等级二级，基础设计等级甲级，甲类防空地下室抗力级别为核六、常六级；结构设计使用年限50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，设计地震分组为第三组，场地类别Ⅲ类，结构阻尼比取0.04，钢管混凝土柱、钢框架、核心筒的抗震等级均为二级；基本风压按50年一遇取0.80 kN/m2,承载力计算时放大1.1倍，地面粗糙度为B类，风载体型系数考虑结构体形变化，经计算取1.33。

结构采用钢管混凝土柱、钢框架-钢筋混凝土核心筒结构体系(图2)，柱脚为埋入式柱脚，核心筒主要由剪力墙、十字型钢混凝土柱和型钢混凝土梁构成。由于核心筒剪力墙Y向长度仅7 m，小于核心筒高度的1/12，且结构层高较高，最高达9 m，因此，主楼地面以上部分核心筒外周边剪力墙厚度为500 mm，3层以上减薄至400 mm，以保证型钢混凝土梁的放置。型钢柱截面为十500×500×30×30，型钢梁最大截面为H900×150×30×40。核心筒外部框架主要由H型钢梁、圆钢管柱、钢斜撑和钢桁架(位于5～6层，有H型钢拼接而成)组成，核心筒南北两侧对称设置各六根圆钢管混凝土柱，核心筒东西两侧一至二十层对称设置各四根圆钢管斜柱。其中，一至七层(标高±0.000 m～+32.83 m)采用圆钢管混凝土柱内斜，十至二十层(标高+46.33 m至屋面)圆钢管柱外斜，东西两侧钢斜柱之间设置钢斜撑。一至四层南北最外侧各设四根跃层外倾斜方钢管柱，高度19.5m。主楼内除东西两侧十一层以上向外倾斜钢柱外，其余钢管柱由底至顶，在管内灌注混凝土形成钢管混凝土柱，东西两侧圆钢管柱混凝土仅浇筑至11层。钢梁最大截面为H1000×400×30×30，钢管柱最大截面为○1000×25。结构5、6层因为外悬挑大，设有悬挑钢桁架结构。钢柱、钢梁材质为Q345B，钢斜撑材质为Q235B，连梁、钢管混凝土柱、剪力墙的混凝土强度等级C35～C50，楼板混凝土强度等级C30。

图2 结构布置图

3 超限类型及抗震性能目标

结构扭转不规则，部分楼层Y向考虑偶然偏心的扭转位移比>1.2但<1.40；楼板不连续，2层、18层楼板开洞宽度>有效宽度50%；刚度突变，2层、5层层高分别为6 m、9 m，相邻层刚度变化大;此外，5层、6层外挑达11.65 m。核心筒东西两侧全楼有八根内斜、外斜钢柱，南北两侧有八根穿层钢斜柱。根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)，该工程属于特别不规则结构；根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[1](以下简称《高规》)第3.11.1条和《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99-2015)[2](以下简称《高钢规》)第3.8.3条，本工程对局部关键结构构件进行性能设计，在中震下钢管斜柱和受拉的楼面钢梁按弹性设计、核心筒剪力墙按抗剪弹性、抗弯不屈服设计。

4 超限设计主要措施及分析方法

本结构的设计采用以下主要措施及分析方法，以确保抗震性能目标的实现：

(1)采用MIDAS GEN (2011)及盈建科两个程序，进行多遇地震下的静力计算分析，并验证结构梁、柱、墙在多遇地震作用下的性能目标，保证结构力学分析的可靠性,再进一步采用盈建科程序进行设防地震的计算分析。

(2)针对该工程局部楼板开洞较大的情况，增加相邻层及本层洞口边的板厚，并双层双向配筋，减少开洞对整体抗震性能的削弱，计算采用弹性楼板模型。

(3)针对扭转位移比较大和扭转周期比比较大的情况，增加外圈钢框架梁的刚度，并在东西两侧设置钢斜撑，增加结构抗扭刚度。

(4)针对出现的斜柱和跃层柱，钢管斜柱和跃层柱以及受拉的楼面钢梁，均按中震弹性设计，核心筒剪力墙按中震抗剪弹性，抗弯不屈服设计；核心筒底部加强区剪力墙水平和竖向分布钢筋的配筋率不小于0.30%。

(5)结构整体计算应考虑重力二阶效应，长悬挑梁考虑竖向地震作用，并增设斜撑，形成桁架，以减少其使用时的挠度，并进行舒适度验算。

(6)根据《高规》第4.3.4条和《高钢规》第5.3.2条，本结构结合场地实际情况及结构特点，选用一条人工波和两条天然波进行多遇地震下弹性时程分析。

(7)采用PKPM的EPDA&PUSH程序,进行结构在罕遇地震下的推覆计算。

4.1 多遇地震作用下的结构计算

结构整体计算结果如表1所示。

表1 结构整体计算结果

规定水平力作用下底层框架、剪力墙承担的地震剪力、总倾覆力矩如表2所示。

表2 底层框架、剪力墙承担的地震剪力、总倾覆力矩

结构一层柱、墙轴压比计算结果显示，在多遇地震作用下，框架柱、剪力墙均能保持弹性状态。

该工程使用盈建科程序进行多遇地震下的弹性动力时程分析，采用一条人工波(RH2TG065)和两条天然波(TH1TG065，Chi-Chi Taiwan06_NO_3286 Tg(0.65))，场地地面最大加速度取35cm/s2，弹性时程分析计算结果总体上小于规范反应谱计算结果。按照《高规》4.3.5条，取时程法计算结果的包络值和振型反应谱法计算结果的较大值，作为结构设计的依据。

总之，在风与多遇地震作用下，结构能保持良好的抗侧和抗扭性能，设计指标均满足抗震弹性设计的要求。

4.2 设防地震作用下的结构承载力复核

通过对钢斜柱和受拉的楼面钢梁按中震弹性，核心筒剪力墙按中震抗剪弹性、抗弯不屈服计算，发现钢斜柱和相关的钢梁钢柱在设防地震下，均未发生弯曲和剪切破坏，满足中震弹性要求，核心筒剪力墙底部加强区在设防地震下，需增加较多配筋。地面一层剪力墙局部位置需增设型钢，以保证抗剪弹性。抗弯不屈服，通过修改断面、配筋、增设型钢等措施，重新计算，确保核心筒剪力墙满足中震抗剪弹性、抗弯不屈服抗震性能目标。总之，结构在中震作用下，可以实现关键构件的结构设计性能目标。

4.3 罕遇地震下的推覆计算

为实现“大震不倒”的抗震目标，项目还进行了罕遇地震下的弹塑性变形验算，以确保结构的安全性。计算采用静力弹塑性推覆计算方法,程序为PKPM的EPDA&PUSH，地震计算参数按规范取值，场地特征周期Tg=0.70s，地震影响系数最大值αmax=0.50。经计算罕遇地震作用下的X向、Y向结构层间弹塑性，位移角最大值分别为1/216、1/278，均小于规范要求的1/100。关键构件在大震作用下均未出现塑性铰，实现“大震不倒”的抗震设防目标。

5 结构设计的考虑

5.1 斜柱交叉节点处的优化

工程建筑方案原设计东西两侧下部，内斜柱与上部外斜柱直接相交在九层，上下两斜柱直接与筒体角柱相连，如图3所示。

图3 原设计结构剖面图

考虑此种连接方式结构受力复杂，分析困难，且连接面大，焊缝长度长，节点处理困难，尤其与筒体内的型钢混凝土角柱连接困难，与甲方、方案方确认后，修改调整为如图4所示。7～10层增加一段直柱，下部内斜柱在7层与直柱连接，上部外斜柱在10层与直柱连接，受力分析简单，柱间连接简单，施工方便，焊缝长度大幅度减少，且方便建筑平面交通使用，建筑外立面通过其外挂的玻璃幕墙仍能够实现。6～11层短钢梁节点施工时，直接在工厂与圆钢管柱焊接成型，另一端在工地现场与筒体内型钢混凝土角柱焊接连接，如图5所示。

图4 优化后设计结构剖面图

图5 短钢梁节点图

斜柱安装时，每段钢柱安装完成后，立刻进行其与核心筒间钢梁的安装，以形成稳定体系。

更改方案设计后，结构受力明确，且极大方便施工。

5.2 大跨度钢桁架与大悬挑钢桁架的结合

结构在5层核心筒南北两端主体结构设置大空间使用，且南北两端全楼5～6层间挂满LED显示屏，荷载大，南部外侧两端悬挑11.65 m，中间悬挑9 m，北部外侧两端悬挑6.35 m，中间悬挑3.7 m(图6)，南北悬挑钢梁最大截面分别为1200 mm和800 mm，为保证建筑大空间使用，5至6层间两端利用5、6层的钢梁设置悬挑钢桁架结构，桁架考虑弯矩传递要求，弦杆伸入主体结构内一跨，悬挑钢桁架结构端头再设置一榀跨度为 42.8 m的钢桁架，上下弦高仅为600 mm，与中间的悬挑钢梁连接，形成一个稳定的大空间结构，如图7所示。结构用钢量少，利于施工吊装拼装。在设计过程中，尤其注意了大悬挑结构的舒适度计算，在大悬挑部位的两侧还设置了水平桁架，控制结构稳定，工程采用MIDAS GEN有限元分析程序，对第5层悬挑结构楼板进行舒适度分析，对悬挑11.65 m和6.35 m两部分楼板计算，得到楼盖振动峰值加速度均小于0.05 m/s2，满足《高规》第3.7.7条的规定，竖向自振频率分别为4.4682 Hz 、6.1724 Hz，均满足《高规》不小于3Hz的要求。

图6 五层悬挑平面示意图

图7 五、六层钢桁架及悬挑桁架剖面示意图

悬挑平台安装时，采取上下层同步安装的顺序进行施工。由于施工过程涉及单根悬挑钢梁的安装、临时固定和变形控制，因此，安装时，先形成局部整体结构，再逐步拼接形成完整整体结构，并采取悬挑梁端头预抬升、临时拉结等措施，避免结构安装过程中出现较大变形，待悬挑平台全部构件安装和焊接完成后，再进行组合楼板的施工。

5.3 斜撑与约束屈曲支撑BRB选择

结构平面变化大，竖向不规则，导致结构扭转位移比和扭转周期比较大。结构设计时，采用增加外圈钢框架梁的刚度，并在边跨设置约束屈曲支撑BRB，以增加结构的抗扭刚度。设计过程中，由于造价及甲方采购因素，通过适当增加筒体剪力墙厚度等措施，进行复核计算取消BRB，整体结构体系改为钢框架支撑结构进行比选。考虑到核心筒结构层高较高，进深较小，主楼地面以上核心筒外周边剪力墙厚度为500 mm(2层以下)、400 mm(3层以上)以放置型钢梁。修改设计后结构计算满足各项指标要求，取得较好的经济效果。

5.4 钢筋桁架楼承板的应用

主楼核心筒内采用120 mm厚现浇钢筋混凝土楼板，外周边采用钢筋桁架高度为90 mm、120 mm钢筋桁架楼承板，板厚大部分为120 mm，洞口边楼板加强部位及考虑舒适度要求的大悬挑部分，板厚为150 mm。钢筋桁架楼承板是将三角型钢筋桁架与底模连接成一体，形成组合楼板，在工厂加工，施工现场底模仅作为模板。施工中，现场楼板钢筋绑扎工作量减少65%左右；结构设置钢次梁，将钢筋桁架跨度控制在3.2 m以内，以利于运输及施工吊装，避免施工过程中出现脚手架。次梁除沿悬挑方向布置外，能够沿长跨方向布置的均沿长跨方向布置，充分利用钢梁的强度，减少了梁与墙的预埋件，梁与梁连接更加方便。采用好钢筋桁架楼承板，具有施工快速的优势，同时还有现浇楼板刚度大，传递水平力好的优点。

5.5 核心筒角柱设计

筒体内角柱布置有十字型钢柱，与筒体内型钢混凝土梁及筒体外钢框架梁交汇处混凝土的浇捣比较困难，因此，设计时注意筒体内剪力墙钢筋避让，暗柱箍筋仅布置在外边缘及采用菱形箍，剪力墙水平筋采用小直径，深入暗柱满足锚固长度即可，不与十字型钢柱相连。混凝土采用自密实性混凝土施工，以保证节点处混凝土浇捣密实，确保施工质量。

5.6 内斜柱灌混凝土与外斜纯钢柱的处理

在核心筒东西两侧一至二十层，对称设置各四根斜柱，其中一至七层(由标高±0.000 m～+32.83 m)钢管柱内斜，钢管柱内浇捣混凝土，形成钢管混凝土柱，减小钢管柱直径及壁厚，以节约造价。十至二十层(由标高+46.33 m至屋面)钢管柱外斜，钢梁最大跨度达到13 m，对楼面梁形成拉力，钢梁最大拉力约为581 kN。由于柱已在结构中上部，轴压比相对较小，且为减小楼面梁的拉力，钢管柱内未浇灌混凝土，为纯钢管柱，与钢管柱相连的受拉楼面钢梁延伸入筒体剪力墙内至少一跨。

5.7 钢框架梁侧向稳定的处理(隅撑的处理)

结构钢框架梁与钢管柱及筒体暗柱交接处，为保证工字钢梁受压翼缘的侧向稳定，原设计考虑设置钢隅撑。但钢隅撑影响建筑吊顶，且施工繁琐，根据《建筑抗震设计规范》[3](GB50011-2010)8.3.3条文说明及《多高层建筑钢结构设计》[4]，计算钢梁受压区长细比后，以竖向加劲肋替代钢隅撑来约束工字钢梁，下翼缘受压稳定，既满足设计要求，又节省用钢量及方便制作安装，施工质量更好且造价更低，还加快了施工进度。竖向加劲肋替代钢隅撑，是钢框架结构设计的优选。