旭辉七里庄综合楼超限异形墙结构设计*

冯旭光, 孔 慧, 毛彦喆, 龚少炜, 陆宜倩, 熊羽豪

(1 中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2 中建研科技股份有限公司，北京 100013)

1 工程概况

旭辉七里庄综合楼项目位于北京市丰台区七里庄地区,建筑方案方为美国斯蒂文·霍尔建筑师事务所(Steven Holl Architects),结构设计单位为中国建筑科学研究院有限公司。总建筑面积28 243m2,其中地上建筑面积15 455m2,地下建筑面积12 788m2。项目地上共9层,功能为商业办公,建筑高度40m,首层层高5.4m,2～8层层高4.0m,9层层高4.4m。地下室共3层,主要用作停车库和设备用房。其中,地下1层层高6m(带局部夹层),地下2层层高4.7m,地下3层层高3.8m,局部为人防区域。建筑效果图详见图1,典型的建筑平面和外墙立面见图2和图3。

图1 旭辉七里庄商业综合楼效果图

图2 典型楼层建筑平面图

图3 南立面外墙图

应建筑方案设计方要求,外墙需采用清水混凝土墙以实现其独特立面效果。清水混凝土墙一次浇筑成形,通过严格控制混凝土配合比、钢筋定位及保护层厚度,优选模板类型及脱模剂,拆模后特殊养护等施工工艺可以获得平整光滑的自然表面,不需要额外的面层装饰。若采用框架结合二次砌筑的方式,外墙可能留有接缝,且错落的立面上难以布置通高竖直框架柱,因此结构设计时最终决定把特殊形态的外墙直接作为竖向构件。根据弧形采光顶的弧度可将结构分为四段,典型山墙立面如图4所示。各段南北侧外墙与东西侧的外墙或山墙形成剪力墙空间结构体系,类似于混凝土“腔”,示意见图5。各段有零星落地的短肢内墙用以支撑楼面。外墙与山墙厚度为400mm,内墙厚度为200～400mm。为满足结构嵌固在地下室顶板,首层剪力墙均延至地下1层。部分剪力墙在地下2层顶板转换,以保证地下2、3层停车库的使用功能,转换梁采用型钢混凝土梁。楼面采用钢筋混凝土现浇梁板结构。

图4 ⑩轴山墙立面图

图5 剪力墙空间结构体系示意

结构设计使用年限为50年,安全等级为二级,场地类别为Ⅱ类,抗震设防烈度为8度(0.2g),设计地震分组为第二组,抗震设防类别为丙类。地上及地下1层结构抗震等级为二级,地下2层及以下抗震等级为三级[1]。

2 地基及基础设计

本工程地下室共3层,基底相对标高为-15.30m,东侧因机房设备要求需局部降板,基底相对标高为-17.80m。根据项目岩土工程勘察报告[2],地基直接持力层为卵石层,可采用天然地基,地基承载力为400kPa。为增强结构整体性,基础形式采用筏板基础,筏板厚度700mm,局部设下反柱墩。基础平面布置见图6。持力层土层下伏有较软弱的砂质粉土-黏质粉土层和粉质黏土层,经验算,下卧层承载力满足要求。

图6 基础及抗浮锚杆布置

根据项目设防水位咨询报告[3],抗浮水位相对标高为-3.2m,浮力水头达到12.1～14.4m。地下室西侧为纯地下车库,东侧为局部深挖区域,抗浮稳定性不满足要求,采用抗浮锚杆抵抗水浮力,布置见图6。

3 地上结构分析与设计

3.1 结构超限情况及措施

地上建筑高度40m,短向跨度为28m,建筑高宽比为1.43。建筑高度及高宽比均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[4](简称高规)要求。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)[5](简称超限审查要点),结构存在以下不规则项[6]:1)楼层扭转位移比>1.2,属于扭转不规则;2)存在凹凸尺寸大于相应边长30%的情况,属于凹凸不规则;3)结构首层中部存在挑空、楼板断开,属于楼板不连续;4)结构存在较多的外墙(竖向构件)大悬挑,属于尺寸突变;5)墙肢竖向不连续,属于构件间断。综上,本结构高度为A级,存在5项一般不规则项,属于特别不规则结构。

针对此特别不规则结构,设计时考虑了性能化设计,总体性能目标根据高规设为D级,关键构件性能目标比D级适当提高。并在设计时采取了以下加强措施:

(1)设计时考虑双向地震作用,控制结构在地震作用下楼层位移比与层间位移比不超过1.4,结构扭转为主的第一周期与平动周期之比不超过0.9。

(2)采用PKPM和ETABS软件有限元计算结果包络设计。

(3)严格控制剪力墙的剪压比和中震下拉应力,在受剪或拉应力较大的墙体内埋置型钢。

(4)横向宽度较小的楼板厚度不小于200mm,采用双层双向配筋,各层单向配筋率不小于0.3%;采用ETABS软件分析中震下楼板应力情况,对薄弱部位增加板厚和配筋。

(5)悬挑部位结构冗余度低,破坏后有垮塌风险,设计时指定其为关键构件,提高性能目标,按“中震弹性、大震抗剪不屈服”设计,并在设计时考虑竖向地震作用。

3.2 整体指标

本工程嵌固在地下1层顶板,取嵌固端以上部分建立结构计算模型,用SATWE和ETABS两款有限元软件分别进行整体计算,见图7。

图7 整体分析模型

结构基本周期结果见表1,扭转周期与第一平动周期比小于0.85,满足高规关于高层建筑周期比的要求,周期合理,扭转耦联较小。

表1 结构基本周期计算结果

结构在多遇地震作用下的基底剪力、底部倾覆力矩如表2所示,结果表明X、Y向最小剪重比分别为12.0%、12.3%,均大于3.2%,满足规范要求。

表2 多遇地震下基底剪力和倾覆力矩计算结果

结构在多遇地震作用下的层间位移角指标如表3所示。本项目为高度较低的剪力墙结构,层间位移角指标远小于规范限值1/1 000,且最大层间位移比小于1.4,刚度指标满足规范要求。

3.3 异形墙有限元分析

在剪力墙结构体系中,墙体是支撑楼面、将各层重力荷载向下传递的主要构件,也是地震作用时关键的抗侧力构件。本工程空间造型复杂,变化不规则,外墙存在水平或竖向不连续的情况,且主要横墙在顶部存在弧形造型。上述异形墙体在重力和地震作用下的受力状况较为复杂,设计时使用ETABS软件对异形墙体进行三维空间受力分析,并依据分析结果判断其受力性质,针对性地使用相应设计方法并采取加强措施,以保证异形墙体的安全可靠。以南、北立面两片墙为例进行分析。

北立面外墙在中震下各工况组合的水平向与竖向拉应力(包络值)分布如图8所示。图8(a)显示悬挑墙根部层高4m范围内(SC1)出现较大拉应力,截面切割得出此区域拉力Nk= 8 542kN。此处可设置层间暗梁[7],暗梁纵筋面积As为:

图8 中震作用下北立面外墙拉应力云图(包络)/MPa

(1)

式中fyk为纵筋的抗拉强度标准值。

经计算,暗梁纵筋需21 500mm2。实际设计时,在4m墙高范围内以墙体分布筋的形式设置了16排共计44根25钢筋以抵抗拉力[8]。

图8(b)表明中震时部分墙肢出现全截面受拉,可通过增加剪力墙纵筋面积并设置型钢来抗拉。提取最左段墙肢(SC2)墙肢内力,中震下墙肢拉力Nk=15 302kN,墙肢平均名义拉应力σt=3.94MPa,因ftk=2.64MPa<σt<2ftk,根据超限审查要点的要求,墙肢内应设置型钢,当采用Q355B钢材(屈服强度fay=345MPa)时,型钢面积应满足Aa=Nk/fay=44 354mm2(含钢率ρa=1.14%)。除上述拉应力集中的区域,局部墙体中的分布拉应力最大值约为2.5MPa,考虑拉应力由钢筋承受时,局部所需分布筋配筋率ρs=0.63%。

南立面外墙在中震下各工况组合的剪应力(包络值)分布如图9所示。底层落地墙肢和悬挑墙根部剪应力较大,应适当增加分布筋。在中间段弱连接处,墙截面高度较小,应力较为集中,可采取局部加强措施,如增加对角斜筋、钢板或局部加厚墙体等。对于这些连接较弱处的墙梁,按中震不屈服工况校核其截面受剪能力,应满足:

图9 中震作用下南立面外墙剪应力云图(包络)/MPa

Vk≤0.15βcfckbwh0

(2)

式中:Vk为中震工况的墙梁剪力标准组合值;βc为混凝土强度影响系数;fck为混凝土抗压强度标准值;bw和h0分别为梁宽与截面有效高度。

提取中部弱连接处截面SC3(墙体混凝土等级为C50)的内力,其剪力最大值Vk=10 652kN,超过公式(2)右侧的限值7 104kN,不满足截面剪压比条件。当设置交叉斜筋时,可将剪压比系数提高至0.25,此时公式(2)右侧限值为11 840kN,满足剪压比要求。实际工程中设置了斜向交叉钢板。

3.4 剪力墙性能化设计和型钢设置

本工程剪力墙底部加强部位的抗震性能目标为中震抗剪弹性、抗弯不屈服,大震抗剪不屈服,同时需要满足超限审查要点中关于中震下墙肢拉应力的要求。经验算,钢筋混凝土剪力墙无法满足,需要在部分墙肢中设置型钢或钢板。由于建筑条件限制,剪力墙厚度不能超过400mm,为减少与钢筋相互干扰,提高施工便利性,在墙体内设置了小截面工字形钢骨,典型的节点如图10所示。

图10 型钢剪力墙节点大样

3.5 中震楼板应力分析

楼面结构体系是传递竖向荷载和水平荷载的重要组成部分。竖向荷载主要通过楼板传递给楼面梁,再通过楼面梁将竖向荷载通过剪力墙和柱向下传递;同时,楼面系统联系着墙肢,是水平作用下结构体系变形协调、发挥结构空间整体性能的重要构件。本工程建筑楼面不规则,楼板凹凸变化较大,局部楼板有效宽度较小,需要补充楼板在地震作用下的应力分析。分析时使用ETABS软件,楼板采用壳单元(Shell-thin)模拟。

以6层楼板为例,中震作用下楼板拉应力如图11所示。应力较大处可采用设置剪力墙暗梁、增加板厚和双层双向配筋等措施加强楼板。除了与剪力墙连接处出现应力集中现象,在连接薄弱部位楼板拉应力最大值达到2.5MPa,可局部附加钢筋抗拉,单向附加配筋率ρs=σsk/fyk=0.69%。

图11 6层楼板中震下拉应力/MPa

3.6 外墙悬挑舒适度分析

本工程局部楼层外挑,需对悬挑较大处进行舒适度分析以验算结构能否满足使用要求。在模型中以薄壳模拟外墙和楼板,模态分析使用里兹向量法并考虑竖向分量,以快速高效地获取楼板竖向振动信息[9]。北立面悬挑处竖向分量较大的振型频率为f1=2.54Hz,详图12中1～4点。根据《建筑楼盖结构振动舒适度技术标准》(JGJ/T 441—2019)[10],以行走激励为主的楼盖结构,竖向振动峰值加速度不应大于0.05m/s2(办公区域)。根据该标准确定的单人行走激励如图13所示。由各悬挑处的楼板面积可用随机概率模拟方法估算同步行走人数[11],将单人激励乘以同步人数后加载到悬挑端,计算各点振动峰值加速度。计算结果详见表4,各悬挑处舒适度均满足要求。

表4 悬挑平台端部节点舒适度验算

图12 结构第一阶竖向振型图(f1=2.54Hz)

图13 单人行走激励时程曲线

3.7 温度作用分析及应对措施

本工程纵向外墙较长,南立面墙体全长未设缝,温度变化较大时易产生裂缝。由于建筑外立面采用清水混凝土墙,有较高外观要求,因此应当采取相应措施,避免或减小外墙上温度裂缝的产生和发展。分析时,施加温度作用(±25℃),外墙温度应力分布如图14所示。在应力较大处适当提高分布筋配筋率。如图中圆圈区域温度作用下拉应力较大,约为0.58MPa,所需分布筋配筋率ρs=0.15%,此处外墙分布筋需附加10@200。同时可采取小直径小间距的方式加密配筋,以应对温度裂缝的发展。为防止长条形外墙在混凝土浇筑和养护时,由于收缩不均或温度变化产生裂缝,在中间段设置了温度后浇带。

图14 温度作用下外墙应力分布(-25℃)/MPa

3.8 大震弹塑性时程分析

为判断结构薄弱部位,验算结构在罕遇地震下的性能,本工程使用动力弹塑性计算软件SAUSAGE对结构进行了大震弹塑性时程分析,剪力墙损伤结果见图15。本项目规模与高度较小,且各段外墙和山墙组成了整体性较好的空间受力体系,总体来看竖向落地墙肢的损伤较小,各段的水平向连接薄弱的墙段损伤较大,尤其是南侧外墙中间段的弱连接处损伤较为严重,与前述异形墙体有限元分析结果相似。弹塑性层间位移角最大值为1/131,未超过限值1/120,可以满足“大震不倒”的设防目标。

图15 大震弹塑性时程分析墙体损伤图

针对各段的薄弱连接处,设置了斜向交叉钢板予以加强,如图16所示。同时,设计时假设极端情况下这些墙肢发生断裂,对其余完整部分进行了包络设计。

图16 外墙薄弱连接处交叉钢板

4 结语

旭辉七里庄综合楼造型奇特,属于特别不规则结构,结构设计具有较大挑战性。这种异形墙结构在国内尚缺少相似案例和经验,结构工程师在设计时可基于对现有规范的理解,注重结构概念设计。具体设计时,可在常规分析基础上,进行充分的专项分析,例如本文所提到的异形墙体有限元分析、楼板应力分析、外墙悬挑楼分析、温度作用分析、大震弹塑性时程分析等,以确保结构安全合理,满足抗震性能要求。目前项目已完成施工并投入使用,本文可为今后可能出现的类似工程设计提供参考。