日本碳素横滨工厂办公楼-高楼钢结构体系与工程实例

1.建筑概况

日本神奈川县于1992年兴建的日本碳素横滨工厂办公楼，地下1层，基础埋深为-11.45m；地面以上18层，另有出屋面的屋顶间一层，顶点高度为78m；典型楼层的层高为3.9m。

裙房3层，采用防震缝与高层主楼部分隔开。主楼平面为正方形，平面尺寸为44.8m×44.8m。楼面使用功能分区采用服务面积集中设置的核心式布置方案。

2.结构体系

主楼采用混凝土芯筒-钢框架混合结构体系，典型层结构平面示于图5-122a，y方向结构剖面如图5-122b所示。

混凝土芯筒的平面尺寸为19.2m×18m。x方向为4片实体剪力墙；y方向为4片带3列洞口的“壁式框架”剪力墙，边列洞口和中列洞口的连梁的剪跨比分别为0.83和1.33。

楼面周边为刚接钢框架，柱距均为6.4m。x方向和y方向楼盖钢梁的两端，均采用铰接，分别与芯筒和外圈钢框架相连接。

主楼采用天然地基及5m厚的板式筏形基础。

图5-122 横滨工厂办公楼的混合结构体系

a）结构平面 b）y向结构剖面

3.构件设计原则

（1）y方向剪力墙的洞口连梁的剪跨比值较小（0.83和1.33），表明剪力影响较大。为防止洞口连梁发生脆性的剪切破坏，在连梁内增配交叉斜筋（图5-123b）。试验结果表明，X形配筋比通常平行配筋可提高承载力1/3～2/3。

（2）分析结果表明，芯筒墙肢的轴力，当地震沿45°方向作用时达到最大值，因此，仅考虑x、y方向是不够的，还应沿斜向进行结构地震反应分析。

（3）芯筒墙肢的轴压比不应大于0.6，箍筋间距不大于100mm。为了保证“强柱（墙肢）弱梁”的实现，墙肢剪应力应小于连梁剪应力的2/3；并保证当层间侧移角达到1/50时，墙肢承载力不降低。

4.构件截面尺寸

（1）混凝土芯筒采用f_c＝240～480kg/m²的普通混凝土，其墙肢内的主筋采用高强度异形PC钢棒。

（2）芯筒y方向带洞剪力墙的墙肢、洞口连梁的截面形状见图5-123a、b，其截面尺寸和配筋数量列于表5-41。

（3）为防止较小剪跨比的洞口连梁发生脆性剪切破坏，在连梁内增设了交叉斜筋（图5-123b）。

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图5-123 混凝土芯筒y方向剪力墙的截面尺寸

a）墙肢 b）洞口连梁

表5-41 混凝土芯筒的剪力墙截面尺寸和配筋 （单位：mm）

5.结构抗震分析

（1）设计过程中对主楼混合结构进行了较详尽的分析：①第一阶段地震作用下的静力弹性分析；②第二阶段地震作用下的静力弹塑性分析；③第一阶段设计的弹性时程反应分析；④第二阶段设计的弹塑性时程反应分析。

（2）两阶段设计时的结构抗震性能目标，如表5-42所示。

表5-42 结构抗震性能目标

注：连梁延性率是指连梁极限转角与其屈服转角的比值。

（3）设计要求混凝土芯筒在罕遇烈度地震作用下不倒塌，弹塑性分析是必要的。结构的强度和变形，主要通过静力弹塑性分析进行检验；时程反应分析则是对结构内力和变形进行补充检验。

（4）第一阶段设计时，虽然混凝土芯筒承担了大楼水平地震力的80%～90%（图5-124）；但要求周边钢框架应能承担其轴力的荷载从属面积地震力的30%。

（5）第二阶段地震作用下的静力弹塑性设计，目的是为了检验结构各部位的应力是否超过设计标准，并检验各个构件的塑性铰是否均能出现在框架梁端或剪力墙的洞口连梁上，即检验芯筒和框架是否实现了“强柱（墙肢）弱梁”耐震设计准则。

（6）主楼结构的x方向和y方向基本自振周期分别为T_x＝0.9s，T_y＝1.14s。

（7）第一阶段地震作用下，结构x、y方向的反应值均小于设计剪力；x、y方向的最大层间侧移角分别为1/418和1/422，均小于1/200。

（8）第二阶段地震作用下，结构x、y方向的反应剪力均小于极限水平承载力；x、y方向的最大层间侧移角分别为1/230和1/200，均小于1/100。

（9）芯筒y方向剪力墙洞口连梁的延性比，第一阶段的最大值为0.8，第二阶段的最大值为1.94，均满足表5-42中所列的设计标准。

图5-124 水平地震剪力在混凝土芯筒 与钢筋框架之间的分配比例