重慶英利大坪商業中心1號樓超高層結構設計

嚴 偉，王 豪

(1.中國建筑西南設計研究院，四川成都 610081;2.重慶交通大學土木與建筑學院，重慶 400074)

1 設計基本條件

本項目位于重慶市渝中區大坪七牌坊，該位置地理位置優越，交通發達，為大坪及重慶市區交通樞紐地段。工程總建筑面積約為40.9 ×104m2，其中1號樓塔樓約為7×104m2，地上52 層，建筑總高度209.6 m，地下5 層。裙房高度44.5 m，1 層層高6 m，2、3 層層高5.4 m，4、5 層層高5.1 m，6 層層高5.4 m，7 層層高5.1 m，8～35 層層高3.6 m，其余層高3.9 m。一層大堂局部通高

1.1 工程概況

10.8 m，第21、35 層為避難層，層高為3.9 m。建筑效果圖見圖1，塔樓標準層結構布置圖見圖2。

圖1 建筑效果

塔樓采用框架－核心筒結構形式(裙房為框架－剪力墻結構形式)，框架柱斷面從下部2000 mm×2000 mm 漸變到上部800 mm×800 mm，核心筒墻厚由750 mm 漸變到350 mm，其余剪力墻為200～300 mm 厚。框架柱強度等級為C70～C40，剪力墻混凝土強度等級為C60～C50。墻柱鋼筋均為Ⅲ級鋼筋。結構抗震等級:剪力墻、框架均為二級。

1.2 地基與基礎

塔樓共設有5 層地下室，基礎設計等級為甲級。基礎持力層選為中風化砂質泥巖層，地基承載力特征值為3080 kPa。核心筒采用鋼筋混凝土筏板基礎，筏板混凝土強度等級為C40;柱采用柱下鋼筋混凝土獨立基礎，混凝土強度等級為C50。其中基礎埋置深度為18.9，埋深/總高度=18.9/209.6=1/11.09，大于規范的1/15 埋深要求，能滿足穩定性要求。

1.3 地震作用與風荷載［1］

重慶地區抗震設防烈度為6度，基本地震速度為0.05 g，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為丙類。結構構件抗震等級:地下室－2 層框架為三級，地下室－3 層和－4 層框架為四級，其余框架和筒體為二級。該工程設計反應譜采用規范反應譜曲線。計算地震作用時采用的重力荷載代表值包括1.0 恒載+0.5 活載。采用振型分解反應譜法計算地震作用，按CQC 法組合，并采用時程分析法補充計算。考慮隔墻對結構剛度的影響，周期折減系數取為0.9，中震、大震計算時周期不折減。

按100年重現期考慮風荷載，其基本風壓為0.45 kN/m2。地面粗糙度C 類。

圖2 塔樓標準層結構平面

2 結構方案及上部結構設計

2.1 結構方案及結構體系的選用［2］

該辦公樓為B 級高度框架－核心筒結構，裙樓平面尺寸為:塔樓平面尺寸長寬為41.4 m×38.6 m，框架柱與筒體外墻的軸線尺寸約為11.15 m。從嵌固端算起塔樓高寬比5.43，核心筒體高寬比約為12.55。塔樓除2 層樓面開洞較大外，其余樓層樓面完整，平面內剛度較大。考慮到塔樓高寬比較大，計算中均考慮了P－△效應。活荷載折減系數按《建筑抗震設計規范》(GB 50011－2010)(簡稱《抗規》)的規定考慮。計算模型中考慮到該結構風荷載起控制作用連梁剛度不折減。按照我國抗震規范的要求，考慮了偶然偏心的影響，以檢驗樓層扭轉位移比是否滿足規范要求。

取地下吊層(－1 層底板)為上部結構嵌固端，地下室結構的樓層側向剛度與首層側向剛度比大于2，滿足作為上部結構嵌固的條件。結構抗震性能分析模型取嵌固端以上，結構設計模型取含地下室的整體模型。

2.2 結構加強措施［3］

結構平面的加強措施:(1)－1 層底板為計算嵌固層，應對該層加強，取板厚180 mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%;(2)2 層樓板建筑開大洞，板厚150 mm，配筋率不小于0.3%;3 層樓板板厚150 mm，配筋率不小于0.25 %，以上1～3 層樓板均雙層雙向配筋;(3)裙樓樓面板厚取150 mm，雙層雙向通長配筋;(4)對穿層柱在計算和構造上作必要的加強，計算上穿層柱的底部剪力按非穿層柱取值。構造上加大穿層柱的截面和配筋，并采用通高箍筋加密。

結構豎向的加強措施:(1)核心筒角部沿建筑全高設置約束邊緣構件，增加墻體邊緣構件和分布筋的配筋率，以提高墻柱延性，減小混凝土的徐變及收縮變形;(2)嚴格控制框架柱和底部加強區核心筒墻體的軸壓比，全部剪力墻軸壓比控制在0.5 以內，柱軸壓比控制在0.75 以內;(3)框架柱在底部加強區范圍設置芯柱，以增加框架柱子的延性;(4)核心筒墻肢與其平面外相交的樓面梁剛接時，在墻內設置扶壁柱，以減輕平面外彎矩對墻體的影響。

3 結構彈性計算結果

3.1 小震彈性分析

小震彈性階段分別采用SATWE 和ETABS 軟件計算分析。SATWE 采用空間桿單元模擬梁、柱等桿件，用在殼單元基礎上凝聚而成的墻單元模擬剪力墻;ETABS 程序的計算模型采用空間桿單元模擬梁、柱等桿件，并考慮桿單元的剪切變形、軸向變形、彎曲變形和扭轉變形。剪力墻采用殼單元，樓板采用膜單元。兩種程序分析出的結構反應特征、變化規律基本吻合，平動周期較長，說明結構較柔，扭轉周期較小，只有平動周期的一半，說明結構具有較強的抗扭剛度。主要振型的周期計算結果見表1。

表1 主要振型周期

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3－2002)(簡稱《高規》)，按地震剪力與層間位移比算法計算層剛度比，所有樓層側向剛度均大于相鄰上一層的70 %，也均大于其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80 %，無軟弱層存在，滿足規范要求。根據《高規》，計算樓層層間抗剪承載力與相鄰上一層的比值，樓層抗剪承載力比(本層/上一層)如圖3 所示。

圖3 抗剪承載力比

樓層抗剪承載力較為均勻，所有樓層抗剪承載力比均大于0.75，且均不小于0.8，滿足規范要求，無薄弱層存在(計算時沒有考慮剪力墻中加強配筋的貢獻)。

塔樓在地震作用下框架承擔的傾覆彎矩小于結構總地震傾覆彎矩的50%，如圖4 所示。

結構整體穩定性分析結果見表2。由表中結果可知，結構在兩個主方向剛重比均大于1.4，滿足《高規》的整體穩定驗算的要求;但是剛重比小于2.7，結構計算中應考慮重力二階效應。

圖4 傾覆彎矩分配

表2 結構剛重比計算結果

雙向地震作用下和風荷載作用下最大層間位移角計算結果見表3，均滿足小于規范限值1/620 的要求。在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件最大水平位移(層間)與樓層平均位移(層間位移)之比如表4 所示。主塔樓最大位移比和最大層間位移比最大值為1.20，滿足規范要求。

表3 結構最大層間位移角計算結果

表4 結構最大位移比

3.2 彈性分析小結

(1)ETABS 及SATWE 軟件分析的各項指標基本一致;

(2)計算結果表明，風荷載作用是結構的控制因素，小震不起控制作用;

(3)從彈性分析結果來看，結構具有合適的剛度，滿足各種工況下的計算要求，符合工程經驗及力學概念所做的判斷，結構是安全、合理的，計算結果滿足規范要求。

4 結構彈性動力時程分析

4.1 多遇地震下彈性時程分析與反應譜分析底部剪力對比

按照《抗規》要求采用2條天然波和1條人工波進行彈性時程補充分析，按雙向地震時程分析法進行了多遇地震下的補充計算，并與彈性反應譜分析進行了對比，進一步驗證了彈性分析結果的正確性，保證了結構設計的可靠性、安全性。3 組地震波的反應譜與CQC 反應譜的對比如圖5 所示。由圖5可見，該3 組地震波的反應譜與CQC 反應譜基本吻合，3 組時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采取的地震影響系數曲線在統計意義上相符。

圖5 選定地震波的反應譜與CQC 反應譜比較

表5 列出了多遇地震彈性時程分析所得結構底部剪力峰值與按照《抗規》地震動參數進行反應譜分析所得的底部剪力的對比情況，可見單組地震波輸入所得的底部剪力峰值均在CQC 反應譜法的80%～110%之間，3 組地震波結果的平均值與反應譜法結果之差在20%以內。綜上所述，該3 組可作為時程分析的代表性輸入地震波。

4.2 時程分析與反應譜分析結果對比

多遇地震時程分析時地震波主分量峰值統一取為18 cm/s2。3 組地震波時程分析結果的平均值(樓層位移、層間位移角、樓層剪力和傾覆彎矩)與CQC 法的結果較接近。X為主向時，3 組地震波時程計算所得的結構最大層間位移角包絡值為1/2014，Y為主向時，該值為1/1868，均小于按照規范規定計算所得限值1/620。

表5 時程分析與反應譜分析底部剪力計算結果

多遇地震作用下結構、構件的設計均取時程分析和反應譜方法的較大值，對反應譜方法的計算結果采用全樓地震力放大的方法來調整樓層地震剪力，最終計算結果均能滿足規范要求。

5 罕遇地震作用下結構計算分析

采用PKPM－EPDA 軟件對罕遇地震作用下結構非線性地震反應進行計算分析，對結構在罕遇地震作用下的抗震性能進行評價，以論證結構能夠達到“大震不倒”這一抗震性能目標。

地震波輸入采用3 組兩向地震波(1 組人工波、2 組天然波)，地震波強度比按X∶Y=1∶0.85 確定地震波主分量加速度峰值取125 cm/s2。

計算結果最終顯示:(1)結構的最大彈塑性位移角分別1/305(X 向)和1/267(Y 向)，能滿足規范要求;(2)結構鋼筋混凝土核心筒的連梁多數均產生了塑性鉸，耗散了相當一部分地震輸入能量，核心筒墻體的屈服集中發生在底部若干層，形成較強的耗能能力，核心筒較好地發揮了第一道抗震防線的效能;(3)作為第二道防線的鋼筋混凝土框架始終保持在彈性受力階段，較好地發揮了第二道防線的作用。

6 結束語

彈性及彈塑性分析結果表明:通過選用的結構體系和結構布置及所采取的構造措施等，該工程結構設計達到了工程的抗震性能目標，各項性能指標均符合國家規范要求，結構設計安全、可行，并通過了重慶市專家組超限審查。

［1］GB 50011－2010 建筑抗震設計規范［S］

［2］JGJ 3－2002 高層建筑混凝土結構技術規程［S］

［3］劉大海，楊翠如.高樓結構方案優選［M］.西安:陜西科學技術出版社，1992