网新准乾科研用房A3楼项目位于杭州市西湖区三墩紫金科创园,为一幢16层、建筑高度74.8m的办公楼,总建筑面积为29 089m²,单层面积约为1 800m²,首层层高3.6m,2～16层层高4.75m; 主楼下设两层地下室,地下2层和地下1层层高分别为3.7m和5.9m。建筑平面投影形状为回字形,平面长、宽均为50.4m,建筑悬挑部位从中间8层往下至首层逐层收进,从10层往上至屋顶逐层收进,建筑主入口处从3层往下逐层收进形成一个局部切角,切角两侧设置斜柱。建筑效果图见图1、图2。

　　 本工程采用钢框架+中心支撑-钢板组合剪力墙/钢骨混凝土剪力墙的混合结构体系,楼盖采用钢筋桁架楼承板,结构体型近似一个回字形的筒削掉两个角。结构竖向抗侧力构件存在不连续,楼层8,9,10层最大悬挑29.4 m,悬挑结构采用钢桁架+中心支撑结构体系。入口门厅处应建筑功能要求端部角柱不能直接落地,通过两根钢管混凝土斜柱在3层位置转换。结构整体布置模型见图3,结构主要受力体系立面示意见图4。

　　 结合建筑立面效果及内部使用功能要求,采用钢管混凝土柱可大幅度减小柱的断面,增加有效使用面积 ^[1],落地柱采用矩形钢管混凝土柱(最大截面为□600×600×28×28,钢材牌号Q345GJ); 斜撑、桁架斜腹杆采用箱形截面(最大截面为□500×400×40×38,钢材牌号Q345GJ或Q420),桁架以下悬挑部位斜撑在与楼层钢梁和柱交接处连续不中断按斜柱考虑; 悬挑部分柱采用箱形截面(截面为□400×400×22×22,钢材牌号Q345GJ); 悬挑部位的支点为两个由组合钢板剪力墙构成的核心筒,剪力墙采用多腔体系,9层结构平面布置示意见图5。

　　 根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[2](简称抗规)、《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[3](简称高规)、《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015) ^[4]等规范及建设部建质﹝2015﹞67号文件 ^[5]相关要求,本工程的结构不规则情况主要有扭转不规则、凹凸不规则、尺寸突变、构件间断、局部不规则等几项,可判断其为特别不规则超限高层建筑。

　　 本工程设计使用年限50年,结构安全等级二级。根据抗规,本工程抗震设防烈度为7度(0.1g),抗震设防类别为标准设防类(丙类)。设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅲ类。根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[6],基本风压取0.45kN/m²,地面粗糙度类别为C类。

　　 综合考虑本工程的超限情况、工程造价、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件及结构本身的特点等,根据高规中关于结构抗震性能设计的方法,并结合超限审查专家组意见,选定本工程的抗震性能目标为C级,各关键构件抗震性能目标见表1。

　　 采用YJK软件作为主要计算分析软件对结构进行小震下的弹性分析,并采用MIDAS Building作为辅助计算软件进行对比计算分析。采用振型分解反应谱法计算地震作用,考虑偶然偏心和双向地震作用,计算阻尼比取0.04。两种软件的主要计算结果见表2。由表2可知,结构层间位移角较小,说明结构整体刚度较好,且两种软件得出的计算结果基本吻合,证明计算结果是可靠的。

　　 根据高规规定,本工程应采用弹性时程分析方法进行小震下的补充计算。本工程采用YJK软件中的弹性时程分析模块对结构进行计算分析,地震加速度最大值为35cm/s²,根据高规中的选波原则选择2条人工波(人工波1,2)和5条天然波(天然波1～5)对结构进行弹性时程分析,分析结果见表3。由表3可以看出,每条地震波作用下计算得出的结构基底剪力均大于振型分解反应谱法求得的基底剪力的65%,多条地震波作用下计算得出的结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法求得的基底剪力的80%,所选地震波均满足高规要求。振型分解反应谱法计算时按弹性时程分析得到的地震作用放大系数的平均值对地震作用进行放大。

　　 由于本工程悬挑部分基本靠两侧钢板剪力墙核心筒来支撑,用于支撑悬挑部分的桁架、钢板剪力墙、斜撑等构件均设置为关键构件,因此有必要结合预设的抗震性能目标对本工程进行中震及大震下的性能化设计。按照高规3.11.3条的要求分别进行中震和大震下的等效弹性分析,所选性能水准分别为3和4,中震、大震下适当考虑结构阻尼比的增加,结构阻尼比分别取0.05,0.06。中震下各层楼层剪力与小震下的比值约为2.3～2.6,大震下各层楼层剪力与小震下的比值约为5.4～5.8,说明中震和大震下的计算结果是可靠的。计算结果表明,中震下的关键构件满足受剪弹性和正截面不屈服的性能目标,大震下的关键构件满足抗震承载力不屈服的性能目标,普通竖向构件和耗能构件也分别满足抗规要求。中震、大震下的楼层最大层间位移角见图6,由图6可知,中震、大震下的最大层间位移角均小于预设的抗震性能目标中的限值,说明结构整体刚度较好。

　　 采用PKPM-SAUSAGE软件对结构进行大震下的动力弹塑性时程分析,以了解结构在大震下的动力响应特征,论证结构是否满足预定的抗震性能目标。选取3条地震波,包括2条天然波(天然波1,2),1条人工波(RH3TG055波),地震波持续时间30s,采用三向地震波输入,三向地震动峰值加速度比为1∶0.85∶0.65,主方向峰值加速度为220cm/s²,次方向峰值加速度为187cm/s²。

　　 大震下的结构基底剪力是判定结构整体性能的指标,各条地震波动力弹塑性时程分析下的基底剪力与小震弹性时程分析下的基底剪力对比结果见表4。表4计算结果表明大震下的基底剪力是合理、可靠的。

　　 本工程各条地震波计算的最大层间位移角均小于限值1/100,计算结果见表5。

　　 根据抗规3.10.4条条文说明第5款,影响弹塑性位移计算结果的因素很多,现阶段弹塑性位移计算值的离散性与承载力计算的离散性相比较大。大震弹塑性时程分析时,由于阻尼的处理方法不够完善,波形数量也较少,不宜直接把计算的弹塑性位移值视为结构实际弹塑性位移,需要借助小震的反应谱计算结果进行分析。修正后的层间位移角参考值,X向最大值为1/256,Y向最大值为1/216,均小于抗规限值1/100。

　　 构件损伤状态由损伤值评估,损伤值由构件组成部分损伤进行加权的方法获得构件的综合损伤确定 ^[7]。大震下的结构损伤主要表现为组合钢板剪力墙底部加强部位的混凝土受压损伤,组合钢板剪力墙采用封闭多腔体系(图7),钢板对腔体内混凝土的约束作用较强,对减弱钢板剪力墙的损伤较为有利,绝大部分损伤表现为轻度或轻微损伤,中度损伤的范围较小,且按照有限单元面积加权平均后性能等级仍判定为轻度损伤,符合高规中性能水准4对关键构件损伤程度的要求。其余构件的混凝土受压损伤基本表现为无损伤或轻微损伤。钢板剪力墙钢板、钢管柱的钢管、混凝土剪力墙的钢筋、型钢柱的型钢、斜撑等的损伤通过钢材和钢筋的塑性应变来体现,斜撑塑性应变最大为1.90×10^-3,钢梁、钢柱塑性应变最大为1.32×10^-3,根据软件评价标准分别为轻度和轻微损伤。连梁表现为重度损伤,符合连梁作为耗能构件的要求。因篇幅限制,只展示部分损伤云图,见图8、图9。另外通过动力弹塑性时程分析可知结构在大震下的基底剪力与层间位移角等反映结构整体性能的指标及结构各构件的损伤情况均符合抗震性能设计的要求。

　　 楼板在地震作用中要把水平力传递和分配给竖向抗侧力构件,并协调楼层中竖向构件的变形,因此楼板需要有足够的刚度作为保证。楼板在大震作用下,一般认为是允许楼板混凝土部分损坏,此时应力改由钢筋承担。钢筋不被拉断,楼板不塌落,能实现生命安全的需要。本工程对地震响应最大的天然波2作用下的楼板性能状态作了进一步分析。采用软件ABAQUS进行分析计算,其中楼板采用壳单元,楼板壳单元示意见图10(地上部分楼板厚度为120mm,混凝土强度等级为C30)。

　　 现以悬臂桁架处楼板(9层楼板)为例进行分析,楼板混凝土应力云图见图11,图中应力为板底与板顶应力的较大值。由图11可以看出,楼板的整体应力水平较低,60%左右的楼板应力在2MPa以下(C30混凝土楼板轴心抗压强度标准值为20.1MPa,轴心抗拉强度标准值为2.01MPa ^[8])。左上、右下角部位的楼板应力较大,但大面积应力均在8MPa以下,受压部分混凝土仍处在弹性范围内; 对受拉区域,混凝土开裂后应力需要由楼板钢筋承担。

　　 为了更加直观地查看混凝土楼板的损伤情况,仍以9层楼板为例,楼板混凝土受压和受拉损伤因子云图见图12、图13。

　　 从图12可以看出,混凝土基本处于弹性范围之内,仅在左上、右下转角处局部出现楼板损伤,受压损伤因子小于0.9。从图13可以看出,混凝土受拉损伤集中在左上、右下转角处,由于混凝土的抗拉强度较低,稍微大一些的变形就会引起混凝土的开裂,开裂后楼板的应力由楼板钢筋承担。结合楼板应力来看,楼板整体性能较好,大部分处于弹性范围之内,结构设计过程中,可以适当加强左上、右下角部的配筋率。

　　 采用ABAQUS软件进行复杂节点的分析,采用实体单元,按照von Mises屈服准则判断节点是否达到屈服,节点外荷载满足刚体平衡条件,考虑到节点连接处应力状况较为复杂,局部难免存在应力集中现象,为尽量符合实际,进行大震下的弹塑性有限元分析。

　　 东北角入口门厅处两根斜撑(斜柱)转换为上部钢管柱的节点较为复杂,节点布置示意及应力分析云图见图14。由图14可知,在大震标准组合工况下,节点整体基本处于弹性状态,其von Mises应力水平小于《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[9]中规定的节点材质的强度标准值345MPa。节点最大应力491MPa,位于杆件交汇处的点状少部分区域进入屈服状态,屈服点面积十分小,不足2%,可认为是应力集中现象,故可认为该节点是安全的。该斜撑(斜柱)转换为上部钢管柱的节点的具体构造见图15。

　　 该节点的竖向异型隔板尺寸根据支撑相贯面放样确定,节点的施工安装顺序为:1)Ⓐ斜柱与Ⓑ竖向连接板焊接连接后,斜柱灌注混凝土,留柱顶300mm范围不浇; 2)Ⓒ横向隔板与Ⓐ斜柱及Ⓑ竖向连接板焊接; 3)Ⓓ钢柱段插入,与Ⓑ竖向连接板、Ⓒ横向隔板焊接连接; 4)安装Ⓕ钢梁; 5)为上柱段专门进行混凝土浇筑,需用小号振捣杆插入振捣,以保证节点区混凝土密实度。

　　 根据超限审查专家意见,本工程组合钢板剪力墙采用封闭多腔体系,腔体内浇灌混凝土,取代《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015) ^[10]中传统的钢板内侧焊接栓钉的做法,由于多腔体系组合钢板剪力墙腔体对混凝土的约束作用更强,多腔体系组合钢板剪力墙受力性能及稳定性上更加可靠,见图16。

　　 (1)在小震振型分解反应谱法计算的基础上进行中震和大震下的等效弹性法抗震性能计算,计算结果表明,整体结构及构件满足预定的抗震性能目标,结构整体刚度较大。

　　 (2)通过大震下的弹塑性动力时程分析进一步了解结构在大震下的动力响应情况,分析结果表明,结构整体各项指标及损伤情况均满足抗震性能目标,损伤较大的部位为承受悬挑部分的组合钢板剪

　　 力墙核心筒的底部加强区,且损伤面积较小,因此钢板剪力墙采用封闭多腔体系可以进一步保证结构的受力性能和稳定性。

　　 (3)楼板的动力弹塑性分析和复杂节点的分析结果表明,结构在大震下的楼板损伤程度及复杂节点的应力水平均在保证结构整体工作性能的安全合理范围之内。