1、工程概況
20世紀90年代初設計的某超高層寫字樓, 主樓地上62層, 地下3層, 帶5層裙房, 其中主樓停機坪屋面高度218.18m, 裙房高度19.50m。施工期間因甲方投資計劃的變化, 主樓地上僅建設至6層樓面, 裝修後投入使用至今。
2017年甲方計劃續建寫字樓主樓, 需進行項目續建技術可行性論證。經過20多年的發展, 現行的規範與原設計依據的規範相比, 已發生很大變化。現在若進行續建, 須根據現行設計規範重新進行設計, 並考慮其對既有結構的影響。
2、既有結構現狀
2.1、基礎形式和持力層
主樓基礎原設計採用泥漿護壁鑽孔灌注樁, 持力層為第層粉質黏土層, 樁徑1.0m, 單樁抗壓承載力標準值Rk=8 600kN。
2.2、地下室結構
本工程主樓設置三層地下室 (含夾層) , 地下室結構形式同上部結構, 主樓地下室與商業裙房地下室之間設縫脫開, 地下室周邊設置鋼筋混凝土外牆。主樓基礎形式為樁筏基礎, 筏板厚度為4m, 地下室樓板、頂板均為現澆混凝土梁板結構。地下室混凝土結構抗震等級均為一級 (根據《建築抗震設計規範》 (GBJ 1189) ) 。
2.3、上部結構
本工程主樓上部結構為框架-核心筒結構, 在6層樓面標高處外圍框架設置轉換梁, 框架和核心筒抗震等級均為一級 (根據《建築抗震設計規範》 (GBJ 1189) ) 。核心筒剪力牆外牆厚度由低至高從1 000mm變化至500mm, 核心筒內部剪力牆厚度由低至高從500mm變化至400mm。6層樓面標高以下主樓外圍框支混凝土柱的截面尺寸為1 600×2 200, 6層樓面標高以上外圍框架柱截面尺寸由低至高從1 300×1 100變化至1 300×400, 隨高度逐漸減小。
3、續建結構方案
經過分析比較, 續建結構確定採用“鋼管混凝土框架柱+鋼框架梁+鋼筋混凝土核心筒+角部支撐”組合結構體系。續建結構三維模型、標準層結構平面布置圖分別見圖1, 2。
3.1、續建結構設計原則
本工程主樓的續建結構設計遵循以下原則:1) 上部續建部分結構按國家現行有關規範標準進行設計, 並且考慮到續建部分結構與已建結構連接的可行性;2) 對既有結構的評估中, 採用現行有效的規範標準覆核原設計圖紙, 原結構必須滿足新規範標準下承載力要求, 不滿足的構件須進行加固或拆除重建, 使其達到性能化設計要求。
3.2、續建結構分類分級
主體結構設計使用年限50年, 建築抗震設防類別為乙類, 建築結構安全等級為一級, 結構抗震等級:鋼筋混凝土核心筒體為特一級, 外圍框架為一級。
3.3、風荷載和地震作用
3.3.1、風荷載
地面粗糙度類別為C類。計算結構位移時採用 50年重現期風壓0.45kN/m2, 計算結構承載力時採用50年重現期風壓的1.1倍, 阻尼比採用0.04。體型係數取為1.54 (考慮風力相互干擾的群體效應) 。驗算結構舒適度時採用10年重現期風壓0.30kN/m2, 阻尼比採用0.02。
(1) 結構順風向風振
根據《建築結構荷載規範》 (GB 500092012) (簡稱荷載規範) 8.4.1條, 本結構應考慮風壓脈動對結構產生的順風向風振的影響。按照荷載規範採用風振係數法計算其順風向風荷載。
(2) 結構橫風向風振
本結構風荷載計算高度為218.18m, 建築高寬比約為4.87, 可能出現較為明顯的橫風向風振效應, 應考慮橫風向風振影響。本工程風荷載計算分析中考慮了橫風向風振等效風荷載的影響, 橫風向風振等效風荷載根據荷載規範附錄H.2計算。
3.3.2、地震作用
根據《建築抗震設計規範》 (GB 500112010) (2016年版) , 抗震設防烈度為7度, 設計基本地震加速度值為0.15g, 設計分組為第二組。按照《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》第十二條, 在選擇預期水準的地震作用設計參數時, 中震和大震可仍按規範的設計參數採用。綜上所述, 本工程抗震計算的主要地震作用參數如表1所示。
3.4、續建結構抗震性能設計
3.4.1、續建結構超限判定
本工程建築高度超過《高層建築混凝土結構技術規程》 (JGJ 32010) [1] (簡稱高規) 規定, 根據建設部建質[2015]67號文的規定, 本工程屬高度超限高層建築工程。按照《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》要求, 須進行結構抗震性能設計, 本文僅作初步分析, 在後續工作結構超限審查報告中將作進一步詳細分析。
3.4.2、結構抗震性能設計
根據高規中3.11節結構抗震性能設計方法, 結合本工程實際情況, 設定抗震性能能目標為C, 性能目標C的具體要求見高規表3.11.1及表3.11.2。結構抗震性能設計所採用的結構分析以及抗震性能設計目標如下:
(1) 結構分析
分析內容包括:1) 按高規進行小震作用下結構分析;2) 中震作用下等效彈性分析;3) 大震作用下等效彈性分析。
(2) 抗震性能設計目標
按照高規3.11.3條進行設計, 本結構抗震設防性能目標細化見表2。
3.5、結構方案初步分析結果
3.5.1、小震彈性分析
採用PKPM3.1.1對結構進行小震彈性分析, 分析結果均滿足規範要求。主要計算結果如表3所示。
3.5.2、小震彈性時程分析
(1) 地震波的選用
時程分析採用5條天然波 (TH001TG040, TH002TG040, TH004TG040, TH006TG040, TH008TG040) 和2條人工波 (RH2TG040, RH3TG040) , 天然波及人工波均由PKPM自帶地震庫提供。本工程彈性動力時程分析主方向設計峰值加速度為55cm/s2, 次方向設計峰值加速度為46.75cm/s2。時程分析時對各條波峰值加速度均按此值進行修正。
圖3給出了上述7條地震波平均譜 (5%阻尼比) 曲線與規範譜曲線比較。從圖3可以看出, 各條地震波平均譜和規範譜在前兩個周期點對應的地震影響係數相差較小, 滿足規範規定。
(2) 地震作用下結構底部剪力比較
將各條地震波計算所得的結構底部剪力及其平均值與振型分解反應譜法計算結果進行了對比, 對比分析表明, 本工程所採用各地震波計算所得結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%, 7條地震波計算所得結構底部剪力平均值 (Qx, Qy) 不小于振型分解反應譜法計算值 (Qx0, Qy0的80% (Qx=33 815.45kN>0.80Qx0=0.80×37 616.99=30 093.59kN;Qy=34 523.23kN>0.80Qy0=0.80×37 745.86=30 196.69kN) , 滿足抗規規定。
7條地震波計算所得樓層剪力曲線變化形式各不相同, 但其樓層最大剪力平均值曲線、樓層最大彎矩曲線與振型分解反應譜法計算結果變化趨勢基本一致。7條地震波的彎矩平均值曲線與振型分解反應譜法計算的彎矩曲線差異較小。振型分解反應譜法計算所得彎矩大於7條地震波的彎矩平均值。因此在對本工程進行結構設計時, 可採用振型分解反應譜法計算地震作用。
3.5.3、中震等效彈性分析
結構在中震作用下, 由於部分結構構件已經屈服, 結構的整體阻尼會增大, 周期也會增大, 可以看出, 結構阻尼和周期的增大都會減小結構地震力。等效彈性方法通常是通過增加阻尼比和折減連梁剛度來近似考慮結構阻尼增加和剛度退化。計算中可適當考慮結構阻尼比的增加以及剪力牆連梁剛度的折減。中震不屈服設計時, 結構阻尼比取為0.05, 連梁剛度折減係數取為0.5, 周期折減係數取為1.0。
根據高規3.11.3條條文說明, 為方便設計, 允許採用等效彈性方法計算豎向構件及關鍵部位構件的組合內力。
計算結果表明:既有結構底層2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足中震下正截面承載力不屈服的要求, 不能滿足中震下抗剪彈性要求;主樓核心筒角部暗柱在3～5層不能夠滿足中震下正截面承載力不屈服的要求, 需要加固;既有結構的核心筒外牆及內牆能夠滿足中震下正截面承載力不屈服的要求;既有結構部分框架梁和連梁屈服, 參與耗能。既有結構以上新建結構剛度合適, 配筋適當, 能夠滿足後期中震不屈服的設計要求。
中震下既有結構框架柱未出現小偏心受拉情況, 核心筒外圍剪力牆四角部分小牆肢出現小偏心受拉情況, 但未超過截面的混凝土抗拉強度標準值。
綜上所述, 中震下, 2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足中震下正截面承載力要求, 不需加固, 但需根據中震彈性結果進行抗剪配筋加固, 主樓核心筒角部暗柱需要按中震下計算結果進行縱筋加固, 核心筒外圍部分連梁抗剪需要加固。
3.5.4、大震等效彈性分析
大震不屈服設計時, 結構阻尼比取為0.07, 連梁剛度折減係數取為0.4, 周期折減係數取為1.0。
計算結果表明, 既有結構底層2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足大震下正截面承載力不屈服的要求, 不能滿足抗剪不屈服要求;主樓核心筒角部暗柱不能夠滿足大震下抗震承載力不屈服的要求, 需要加固;既有結構的核心筒外牆及內牆不能夠滿足大震下抗震承載力不屈服的要求, 大部分配筋均較大, 加固難度很大;既有結構大部分框架梁和連梁屈服, 形成充分的塑性鉸, 參與耗能。既有結構以上新建結構剛度合適, 配筋適當, 能夠滿足後期大震下性能設計要求。大震下最大層間位移角發生在45層, X向1/139, Y向1/140, 滿足大震下性能目標的層間位移角限值設計要求。
綜上所述, 既有結構的核心筒剪力牆暗柱配筋由大震不屈服結果控制, 大震下絕大部分暗柱配筋結果很大, 需要加固, 且加固難度較大。2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足大震下正截面承載力要求, 不需加固, 但需根據大震不屈服結果進行抗剪配筋加固, 核心筒角部暗柱需要按大震下計算結果進行縱筋及抗剪加固。
3.6、續建結構與既有結構的連接
本工程屬於續建結構, 續建面在6層結構樓面處。續建結構核心筒採用鋼筋混凝土結構, 7層結構樓面以上外圍框架柱採用鋼管混凝土柱, 6層樓面至7層樓面設置一層鋼管混凝土柱過渡。鋼管混凝土柱與與既有結構連接作法待初步設計階段再進行進一步詳細論證。
4、結語
續建結構採用“鋼管混凝土框架柱+鋼框架梁+鋼筋混凝土核心筒+角部支撐”的組合結構體系, 採取抗震性能設計方法進行分析論證其結構體系可行, 在小震作用下既有結構構件能夠達到抗震設防性能目標要求, 在中大震作用下既有結構部分牆柱加固處理後可以達到抗震設防性能目標要求。
初步設計階段會根據《民用建築可靠性鑑定標準》 (GB 502922015) 的要求, 對已建成結構進行可靠性鑑定, 並作為後期結構設計依據。
參考文獻
[1] 高層建築混凝土結構技術規程:JGJ 32010[S].北京:中國建築工業出版社, 2011.
20世紀90年代初設計的某超高層寫字樓, 主樓地上62層, 地下3層, 帶5層裙房, 其中主樓停機坪屋面高度218.18m, 裙房高度19.50m。施工期間因甲方投資計劃的變化, 主樓地上僅建設至6層樓面, 裝修後投入使用至今。
2017年甲方計劃續建寫字樓主樓, 需進行項目續建技術可行性論證。經過20多年的發展, 現行的規範與原設計依據的規範相比, 已發生很大變化。現在若進行續建, 須根據現行設計規範重新進行設計, 並考慮其對既有結構的影響。
2、既有結構現狀
2.1、基礎形式和持力層
主樓基礎原設計採用泥漿護壁鑽孔灌注樁, 持力層為第層粉質黏土層, 樁徑1.0m, 單樁抗壓承載力標準值Rk=8 600kN。
2.2、地下室結構
本工程主樓設置三層地下室 (含夾層) , 地下室結構形式同上部結構, 主樓地下室與商業裙房地下室之間設縫脫開, 地下室周邊設置鋼筋混凝土外牆。主樓基礎形式為樁筏基礎, 筏板厚度為4m, 地下室樓板、頂板均為現澆混凝土梁板結構。地下室混凝土結構抗震等級均為一級 (根據《建築抗震設計規範》 (GBJ 1189) ) 。
2.3、上部結構
本工程主樓上部結構為框架-核心筒結構, 在6層樓面標高處外圍框架設置轉換梁, 框架和核心筒抗震等級均為一級 (根據《建築抗震設計規範》 (GBJ 1189) ) 。核心筒剪力牆外牆厚度由低至高從1 000mm變化至500mm, 核心筒內部剪力牆厚度由低至高從500mm變化至400mm。6層樓面標高以下主樓外圍框支混凝土柱的截面尺寸為1 600×2 200, 6層樓面標高以上外圍框架柱截面尺寸由低至高從1 300×1 100變化至1 300×400, 隨高度逐漸減小。
3、續建結構方案
經過分析比較, 續建結構確定採用“鋼管混凝土框架柱+鋼框架梁+鋼筋混凝土核心筒+角部支撐”組合結構體系。續建結構三維模型、標準層結構平面布置圖分別見圖1, 2。
3.1、續建結構設計原則
本工程主樓的續建結構設計遵循以下原則:1) 上部續建部分結構按國家現行有關規範標準進行設計, 並且考慮到續建部分結構與已建結構連接的可行性;2) 對既有結構的評估中, 採用現行有效的規範標準覆核原設計圖紙, 原結構必須滿足新規範標準下承載力要求, 不滿足的構件須進行加固或拆除重建, 使其達到性能化設計要求。
3.2、續建結構分類分級
主體結構設計使用年限50年, 建築抗震設防類別為乙類, 建築結構安全等級為一級, 結構抗震等級:鋼筋混凝土核心筒體為特一級, 外圍框架為一級。
3.3、風荷載和地震作用
3.3.1、風荷載
地面粗糙度類別為C類。計算結構位移時採用 50年重現期風壓0.45kN/m2, 計算結構承載力時採用50年重現期風壓的1.1倍, 阻尼比採用0.04。體型係數取為1.54 (考慮風力相互干擾的群體效應) 。驗算結構舒適度時採用10年重現期風壓0.30kN/m2, 阻尼比採用0.02。
(1) 結構順風向風振
根據《建築結構荷載規範》 (GB 500092012) (簡稱荷載規範) 8.4.1條, 本結構應考慮風壓脈動對結構產生的順風向風振的影響。按照荷載規範採用風振係數法計算其順風向風荷載。
(2) 結構橫風向風振
本結構風荷載計算高度為218.18m, 建築高寬比約為4.87, 可能出現較為明顯的橫風向風振效應, 應考慮橫風向風振影響。本工程風荷載計算分析中考慮了橫風向風振等效風荷載的影響, 橫風向風振等效風荷載根據荷載規範附錄H.2計算。
3.3.2、地震作用
根據《建築抗震設計規範》 (GB 500112010) (2016年版) , 抗震設防烈度為7度, 設計基本地震加速度值為0.15g, 設計分組為第二組。按照《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》第十二條, 在選擇預期水準的地震作用設計參數時, 中震和大震可仍按規範的設計參數採用。綜上所述, 本工程抗震計算的主要地震作用參數如表1所示。
3.4、續建結構抗震性能設計
3.4.1、續建結構超限判定
本工程建築高度超過《高層建築混凝土結構技術規程》 (JGJ 32010) [1] (簡稱高規) 規定, 根據建設部建質[2015]67號文的規定, 本工程屬高度超限高層建築工程。按照《超限高層建築工程抗震設防專項審查技術要點》要求, 須進行結構抗震性能設計, 本文僅作初步分析, 在後續工作結構超限審查報告中將作進一步詳細分析。
3.4.2、結構抗震性能設計
根據高規中3.11節結構抗震性能設計方法, 結合本工程實際情況, 設定抗震性能能目標為C, 性能目標C的具體要求見高規表3.11.1及表3.11.2。結構抗震性能設計所採用的結構分析以及抗震性能設計目標如下:
(1) 結構分析
分析內容包括:1) 按高規進行小震作用下結構分析;2) 中震作用下等效彈性分析;3) 大震作用下等效彈性分析。
(2) 抗震性能設計目標
按照高規3.11.3條進行設計, 本結構抗震設防性能目標細化見表2。
3.5、結構方案初步分析結果
3.5.1、小震彈性分析
採用PKPM3.1.1對結構進行小震彈性分析, 分析結果均滿足規範要求。主要計算結果如表3所示。
3.5.2、小震彈性時程分析
(1) 地震波的選用
時程分析採用5條天然波 (TH001TG040, TH002TG040, TH004TG040, TH006TG040, TH008TG040) 和2條人工波 (RH2TG040, RH3TG040) , 天然波及人工波均由PKPM自帶地震庫提供。本工程彈性動力時程分析主方向設計峰值加速度為55cm/s2, 次方向設計峰值加速度為46.75cm/s2。時程分析時對各條波峰值加速度均按此值進行修正。
圖3給出了上述7條地震波平均譜 (5%阻尼比) 曲線與規範譜曲線比較。從圖3可以看出, 各條地震波平均譜和規範譜在前兩個周期點對應的地震影響係數相差較小, 滿足規範規定。
(2) 地震作用下結構底部剪力比較
將各條地震波計算所得的結構底部剪力及其平均值與振型分解反應譜法計算結果進行了對比, 對比分析表明, 本工程所採用各地震波計算所得結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%, 7條地震波計算所得結構底部剪力平均值 (Qx, Qy) 不小于振型分解反應譜法計算值 (Qx0, Qy0的80% (Qx=33 815.45kN>0.80Qx0=0.80×37 616.99=30 093.59kN;Qy=34 523.23kN>0.80Qy0=0.80×37 745.86=30 196.69kN) , 滿足抗規規定。
7條地震波計算所得樓層剪力曲線變化形式各不相同, 但其樓層最大剪力平均值曲線、樓層最大彎矩曲線與振型分解反應譜法計算結果變化趨勢基本一致。7條地震波的彎矩平均值曲線與振型分解反應譜法計算的彎矩曲線差異較小。振型分解反應譜法計算所得彎矩大於7條地震波的彎矩平均值。因此在對本工程進行結構設計時, 可採用振型分解反應譜法計算地震作用。
3.5.3、中震等效彈性分析
結構在中震作用下, 由於部分結構構件已經屈服, 結構的整體阻尼會增大, 周期也會增大, 可以看出, 結構阻尼和周期的增大都會減小結構地震力。等效彈性方法通常是通過增加阻尼比和折減連梁剛度來近似考慮結構阻尼增加和剛度退化。計算中可適當考慮結構阻尼比的增加以及剪力牆連梁剛度的折減。中震不屈服設計時, 結構阻尼比取為0.05, 連梁剛度折減係數取為0.5, 周期折減係數取為1.0。
根據高規3.11.3條條文說明, 為方便設計, 允許採用等效彈性方法計算豎向構件及關鍵部位構件的組合內力。
計算結果表明:既有結構底層2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足中震下正截面承載力不屈服的要求, 不能滿足中震下抗剪彈性要求;主樓核心筒角部暗柱在3～5層不能夠滿足中震下正截面承載力不屈服的要求, 需要加固;既有結構的核心筒外牆及內牆能夠滿足中震下正截面承載力不屈服的要求;既有結構部分框架梁和連梁屈服, 參與耗能。既有結構以上新建結構剛度合適, 配筋適當, 能夠滿足後期中震不屈服的設計要求。
中震下既有結構框架柱未出現小偏心受拉情況, 核心筒外圍剪力牆四角部分小牆肢出現小偏心受拉情況, 但未超過截面的混凝土抗拉強度標準值。
綜上所述, 中震下, 2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足中震下正截面承載力要求, 不需加固, 但需根據中震彈性結果進行抗剪配筋加固, 主樓核心筒角部暗柱需要按中震下計算結果進行縱筋加固, 核心筒外圍部分連梁抗剪需要加固。
3.5.4、大震等效彈性分析
大震不屈服設計時, 結構阻尼比取為0.07, 連梁剛度折減係數取為0.4, 周期折減係數取為1.0。
計算結果表明, 既有結構底層2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足大震下正截面承載力不屈服的要求, 不能滿足抗剪不屈服要求;主樓核心筒角部暗柱不能夠滿足大震下抗震承載力不屈服的要求, 需要加固;既有結構的核心筒外牆及內牆不能夠滿足大震下抗震承載力不屈服的要求, 大部分配筋均較大, 加固難度很大;既有結構大部分框架梁和連梁屈服, 形成充分的塑性鉸, 參與耗能。既有結構以上新建結構剛度合適, 配筋適當, 能夠滿足後期大震下性能設計要求。大震下最大層間位移角發生在45層, X向1/139, Y向1/140, 滿足大震下性能目標的層間位移角限值設計要求。
綜上所述, 既有結構的核心筒剪力牆暗柱配筋由大震不屈服結果控制, 大震下絕大部分暗柱配筋結果很大, 需要加固, 且加固難度較大。2 000×1 600截面的框架柱能夠滿足大震下正截面承載力要求, 不需加固, 但需根據大震不屈服結果進行抗剪配筋加固, 核心筒角部暗柱需要按大震下計算結果進行縱筋及抗剪加固。
3.6、續建結構與既有結構的連接
本工程屬於續建結構, 續建面在6層結構樓面處。續建結構核心筒採用鋼筋混凝土結構, 7層結構樓面以上外圍框架柱採用鋼管混凝土柱, 6層樓面至7層樓面設置一層鋼管混凝土柱過渡。鋼管混凝土柱與與既有結構連接作法待初步設計階段再進行進一步詳細論證。
4、結語
續建結構採用“鋼管混凝土框架柱+鋼框架梁+鋼筋混凝土核心筒+角部支撐”的組合結構體系, 採取抗震性能設計方法進行分析論證其結構體系可行, 在小震作用下既有結構構件能夠達到抗震設防性能目標要求, 在中大震作用下既有結構部分牆柱加固處理後可以達到抗震設防性能目標要求。
初步設計階段會根據《民用建築可靠性鑑定標準》 (GB 502922015) 的要求, 對已建成結構進行可靠性鑑定, 並作為後期結構設計依據。
參考文獻
[1] 高層建築混凝土結構技術規程:JGJ 32010[S].北京:中國建築工業出版社, 2011.
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