大連城市經緯復雜結構設計（建筑）
大連城市經緯復雜結構設計（建筑）
李東方， 王立長， 劉 楠， 邱旭光
（大連市建筑設計研究院有限公司，大連116021）
[摘要] 大連城市經緯項目存在凹凸不規則、部分豎向構件及剛度不連續、樓板開洞等情況，對結構整體性及連接處受力極為不利。為了保證結構的整體性，在兩個設備層處加強連接，設備層連接處上下層相關范圍采用鋼支撐桁架加強。采用SATWE，ETABS，ABAQUS軟件對結構進行了彈性和彈塑性分析，分析了結構不規則部位對整體結構的影響，并對結構進行了性能化設計。結果表明，結構性能能夠達到預期目標及規范要求。
[關鍵詞] 結構不規則；連接部位；彈塑性分析；性能化設計
中圖分類號：TU318 文章編號：1002-848X( 2016) 09-0014-05
1 工程概況
大連城市經緯項目位于大連星海灣金融商務區，毗鄰期貨大廈、環球金融中心、石油大廈。擬建項目總用地面積9 916m2，總建筑面積160 557m2，其中地上部分建筑面積136 318m2，分為A，B，C塔（圖1）。南、北塔地上部分分別為A，B塔，采用框架一核心筒結構體系，層數均為41層，建筑高度為199. 500m，建筑面積均為59 144m2。其中1層為商鋪，層高為5. 4m；1層與2層之間為設備管道層，層高2. 1m；2～4l層中15層及31層為設備層，層高為4. 8m，其他樓層均為小開間辦公層，層高均為4. 8m，共有辦公室1026間。中部為C塔，采用部分框支一剪力墻結構體系，31層，建筑高度為151.45m，總建筑面積為18030m2。其中1層為公建，層高為5. 4m；1層與2層之間為設備管道層，層高2.1m；2~ 31層為辦公層，層高為4.8m，共有辦公室448間。A，B塔在兩側，C塔在中間，依靠連接構件連接為整體，建筑剖面圖見圖2。樓面均采用現澆鋼筋混凝土梁板體系，其中轉換層、加強層樓板厚度為200mm，其他樓層均為120mm；底部典型外墻厚900mm，典型框架柱截面尺寸為1500mm X1500mm(內置十字形型鋼，截面為1100mm×350mm×40mm×60mm)。結構首層、標準層、結構體型收進后平面布置圖見圖3～5。
根據《建筑抗震設計規范》( GB 50011-2010)（簡稱抗規）附錄A規定：大連市（沙河口區）抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0. 1g，地震分組為第二組，抗震設防類別為丙類。根據安評報告，該項目場地土為Ⅱ類。
2 結構體系不規則狀況
2.1結構平面不規則
結構短邊長度為48. 4m，中間收進到18. 45m，平面凹凸尺寸大于相應邊長的30%，屬于凹凸不規則結構。結構在平面收進部位，即C塔與A，B塔連接處，每3層設置連接樓板，并且結構連接處樓板要求開洞（圖6）；其他部位層層設梁，無樓板，對結構整體抗震十分不利。
2.2結構豎向不規則
A，B塔采用框架．核心筒結構體系，建筑高度為199. 5m;C塔采用部分框支一剪力墻結構體系，建筑高度為151. 5m，結構豎向剛度在C塔頂部發生突變，結構形成雙塔鞭梢效應。
由于A，B塔與中間C塔結構連接處樓板開洞，為了保證結構整體性，同時使A，B塔結構反應更好地傳遞到C塔結構上，在A，B塔兩個設備層（15層與31層）設置加強構造措施與C塔結構連接，見圖7。
C塔在1層頂設置轉換梁，轉換上部槽形墻結構（圖8），造成豎向構件不連續。
3 結構分析
由于本工程超限項目較多，為保證工程安全、經濟適用，從結構體系、構件等方面采取增強措施，制訂了抗震性能目標，見表1。
3.1計算模型及參數取值
采用SATWE（2010版）、ETABS（9.7.1版）對結構進行建模，計算模型見圖9。根據對比(圖10)，小震分析時按安評報告參數取值，中震及大震分析時按規范取值。小震和中震時結構阻尼比為0. 05，大震時結構阻尼比為0.07。風荷載計算時，結構整體指標計算時取基本風壓為0. 65kN/m2( 50年一遇)，構件設計時按50年一遇基本風壓值的1.1倍取值；舒適度計算時取0. 40kN/m2（10年一遇），結構體型系數
=1.5。
3.2反應譜分析
A，B，C塔單獨分析時結構比較規則，受力體系比較明確。根據專家審查意見，各單塔樓必須滿足各自的抗震承載力要求，具體性能目標見表1，同時A，B，C塔連接成的整體結構也必須滿足整體抗震承載力要求。由于A，B塔結構形式、布置及高度均一致，本文僅對A塔進行分析設計。結構設計時按單獨塔樓設計工況、整體模型設計工況包絡設計。連接部位的設置給各個單塔結構的受力造成了較大的影響，且連接部位本身受力比較復雜，因此有必要研究連接部位對結構受力的影響并分析連接部位的構件。
3.2.1連接部位對整體結構反應的影響
采用SATWE（2010版）軟件分別對單體模型和整體模型進行計算，結果表明，小震作用下，單體模型及整體模型各項指標均滿足規范要求，結構構件處于彈性狀態。其中模型自振周期及地震作用下最大層間位移角見表2。由表2可以看出，單體模型最大層間位移角比整體模型的大，說明連接部位增強了結構的抗側剛度，使三個塔樓更好地協同工作，共同抵抗側向荷載。
3.2.2連接部位反應
根據抗震超限審查要求，在三個塔樓各自的承載力均滿足中震性能要求的前提下，連接部位的分析模型如下：1）模型一：僅15層和31層（即加強層）樓板相連且連接部位樓板采用零剛度板的連體模型；2）模型二：整體模型，常規設計；3）15層和31層連接加強部位的構件按模型一和模型二包絡設計；其他連接部位的構件按模型二進行常規設計，并滿足性能化目標要求。
(1)連接部位傳遞的地震力
連接部位結構布置見圖4，小震下模型一、模型二加強層連接部位（圖7）傳遞的地震力見表3。由表3可以看出，相對于模型一，模型二加強層連接部位傳遞內力減小，因此模型二中構件內力也相應減小，這是因為模型二中結構每3層設置連接樓板、層層設梁，由梁承擔了一定比例的連接力。
(2)連接部位構件內力
加強層連接部位構件根據模型一及模型二進行包絡設計，中震下構件最大應力比為0.7，滿足中震彈性要求；同時彈塑性分析下結構構件也滿足中震彈性要求。取加強層上下各一層作為相關范圍層（14，16，29層），中震下連接部位處框架梁軸拉力分別為432，466，229kN。因此，相關范圍層連接部位框架梁需設置抗拉鋼筋或型鋼以承受梁內軸向拉力。
3.3彈性動力時程分析
根據抗規要求，采用SATWE軟件對結構進行多遇地震下的補充計算。選用兩組天然波S0176，S0184和一組適合Ⅱ類場地土的人工波，雙向輸入，主方向峰值加速度為42cm／s2，次方向峰值加速度為35.7 cm/s2，間隔均為0. 02s．地震動有效持時均大于結構基本自振周期的5倍，結構阻尼比為0. 05。三組地震波平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。分析結果表明，地震波作用下結構底部剪力與振型分解反應譜法計算結果比值在75%~96%之間，均大于振型分解反應譜法的65%；三條地震波作用下所得底部剪力的平均值與振型分解反應譜法計算結果比值為87%，大于振型分解反應譜法的80%，說明所選地震波滿足規范要求。
根據彈性動力時程分析結果，得到結構在兩個方向的最大層間位移角分別為1/1296和1/1036，均小于規范限值1/610的要求。
3.4大震彈塑性分析
采用ABAQUS軟件對結構進行大震彈塑性分析，場地特征周期為0. 45s，水平地震加速度峰值取220gal，雙向輸入地震波（主次方向峰值加速度比值為0. 85）。
分析結果表明，大震下結構最大層間位移角為1/193，小于規范限值1/100，滿足“大震不倒”的抗震性能要求。絕大多數連梁在地震作用下首先進入屈服耗能狀態，產生損傷，消耗地震能量從而有效保護了墻肢；大部分剪力墻墻肢損傷程度很小，橫向墻的損傷主要出現在加強層上部，縱向墻的損傷主要出現在加強層和加強層上部，結構中剪力墻和連梁的受壓損傷見圖11。
加強層連接部位構件的應變云圖見圖12。由圖12可以看出，連接部位桁架在大震作用下無損傷，構件滿足既定的性能目標要求。
地震動作用下加強層樓板的損傷見圖13。由圖13可以看出，加強層A，B塔和C塔連接處的樓板損傷較大，需做加強處理。
3.5連接部位節點分析
采用ABAQUS軟件對節點進行彈塑性驗算，節點構造見圖14，應力云圖見圖15。由圖15可以看出，中震作用下，節點域的最大應力為382MPa，主要分布在上弦桿與柱連接部位，但是高應力區很小，大部分節點域應力為160MPa，滿足既定中震彈性要求。
4 抗震措施
根據計算分析結果，為了滿足結構不規則部位的抗震性能目標，確保結構的安全性，本工程做了以下抗震措施：1）框架柱內設置型鋼，保證加強層及其相關范圍中震彈性；2）加強層及其相關范圍層墻體水平和豎向分布筋最小配筋率均按0. 4%取值，其他部位取0. 3%；3）加強層連接部位采用在兩層間設置桁架將單體連接的方法，15層、16層、30層及31層連接部位均設置水平支撐；4）連接部位框架梁內設置抗拉腰筋或抗拉縱筋；5）連接部位樓板雙層雙向配筋；6）加強層區域頂板、底板配筋設置為雙層雙向且配筋率增大至0. 4%。
5 結論
(1)大連城市經緯項目A，B塔采用框架一核心筒結構體系，C塔采用部分框支一剪力墻結構體系，結構復雜，屬于超限結構，且結構布置十分不規則。通過對結構進行彈性及彈塑性計算分析得出，結構滿足各自單塔及整體抗震性能要求。
(2)對結構不規則部位采用性能化設計，且制定了相應的抗震性能目標。對結構不規則部位進行靜力彈性、動力彈性及動力彈塑性分析，并根據分析結果采取相應的構造措施。結果表明，結構不規則部位能夠滿足既定的抗震性能目標和規范要求。
