帶異形鋼結構塔冠的超高層建筑動力特性分析

章 靜

(上海天華建筑設計有限公司，上海 200235)

1 概述

在南昌市的城市發展規劃中，坐落于西湖區桃花鎮的朝陽洲板塊，是未來南昌中心城區八大片區之一。本項目用地位于南昌市朝陽洲內，南臨城市主干道路，西、東、北臨次干道路，地勢平坦，用地面積15 813.00 m2，計容積率面積55 345.5 m2。該區域緊鄰南昌市老城區，北臨贛江，與紅角洲新區隔江相望，地理位置優越。

整個項目僅有一棟超高層辦公樓，塔樓總高185 m，不設裙房。辦公樓底層為大堂、銀行、休息區等功能，層高8.4 m，2層～35層均為辦公區，層高4.2 m。其中14層，26層為避難層，設置避難區域，層高4.8 m。屋頂設有最高處39.8 m高的幕墻塔冠構架。

2 地震動參數及場地地震危險性分析

2.1 規范值

擬建場地按照國家規范為6度區，其場地地表50年超越概率63%，10%，2%，阻尼比0.05的水平向設計地震動加速度反應譜參數特征值如表1所示。三維模型見圖1。

表1 6度區水平向設計地震動反應譜特征參數值

2.2 地震安評結果

按照江西省規定，超高層建筑須進行地震安全性評估，根據地震安評的結果其場地地表50年超越概率63%，10%，2%，阻尼比0.05的水平向設計地震動加速度反應譜參數特征值如表2所示。

表2 新力中心地震安評提供的地表水平向設計地震動反應譜特征參數值

工程場地的基巖水平向峰值加速度見表3。對于峰值加速度貢獻最大潛在震源區為工程場地所在的南昌潛在震源區。

表3 新力中心工程場地基巖水平向加速度峰值 gal

兩者相比，地震安評的結果明顯不利，我們在設計中需要按照不利的情況去考慮。

3 結構體系及抗震等級

經分析比較，本項目主樓上部結構采用鋼筋(部分為型鋼)混凝土框架—鋼筋混凝土筒體結構。本工程型鋼混凝土柱僅為減小柱子尺寸和增加抗震延性。

主樓核心筒采用鋼筋混凝土結構;地上17層及以下框架柱采用型鋼混凝土(采用十字形鋼骨)，地上17層以上框架柱采用鋼筋混凝土;底部加強區周邊環向框架梁采用型鋼混凝土，與核心筒相連的徑向框架梁采用鋼筋混凝土結構。塔樓抗震等級的選取見表4。

表4 塔樓抗震等級

型鋼混凝土柱典型截面示意圖見圖2。

圖1 三維模型簡圖

圖2 型鋼混凝土柱典型截面示意圖

考慮到型鋼混凝土梁柱節點復雜，特別是鋼筋穿越及錨固問題往往給施工帶來不少難度，故本工程型鋼混凝土柱截面主要采用十字形鋼骨，其翼緣與環向鋼骨混凝土梁連接，該梁基本是構造鋼筋，構造簡單;而徑向混凝土梁鋼筋配制較多，則與鋼骨腹板側連接，鋼骨柱混凝土區域已能滿足錨固長度要求;由于徑向采用混凝土梁，避免了在核心筒墻體中設置鋼骨，其構造與普通混凝土結構相同。

4 超限情況

塔樓存在以下方面的結構超限內容:1)結構高度超限;2)扭轉不規則，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2;3)地上2層樓板不連續，開洞面積大于30%;地下夾層頂存在錯層大于梁高;4)地上14層往上外圍框架柱均為斜柱;5)塔樓大屋面以上存在39.8 m高的幕墻支承鋼構架(塔冠)。

可見這是一個帶異形鋼塔冠的、超限嚴重的混合結構超高層，而塔冠分析則是重中之重。

5 塔冠分析

5.1 結構布置

塔冠自大屋面(標高152.4 m)升起，高度10 m～39.8 m變化，頂邊線呈螺旋狀，最高點標高為192.2 m;由玻璃幕墻及其支撐系統構成(開口)。支撐系統主要由24榀高度不等的豎向桁架、5榀水平桁架及人字撐組成，如圖3所示。

圖3 塔冠結構布置圖

圖4 風荷載作用下塔冠位移圖（單位：mm）

12榀豎向桁架的外立柱1由外框柱升起，通過可靠的構造實現節點剛接;間隔布置的另外12榀豎向桁架的外立柱2則落于外框梁上，節點視為鉸接;豎向桁架的內斜柱柱底均支承于核心筒上(核心筒升至162.2 m標高);外立柱與內斜柱間設置水平腹桿(間距2.5 m)，形成空腹桁架。

152.4 m～162.2 m高度范圍內外立柱設置2道水平系桿及2道與核心筒連接的水平撐桿;162.2 m～192.2 m高度范圍內設置5道水平桁架以增強各榀桁架間的整體性;由于塔冠敞口，在外立面內設置了人字撐以增強塔冠結構的扭轉剛度。塔冠的桿件均采用熱軋無縫鋼管，材料Q345B;桿件的截面、計算長度及長細比如表5所示。

表5 塔冠基本構件特性

5.2 動力特性分析

塔冠結構整體計算分析空間結構模塊分析;模態分析顯示:第1 周期為0.385 s，根據《抗規》13.2.2 條，塔冠建入模型進行整體結構抗震設計;前3個振型均為平動，扭轉振型出現在第4階，周期為0.229 s，說明塔冠結構具備良好的抗扭剛度。水平荷載作用下，主要桿件的應力比如表6所示。

表6 塔冠主要桿件應力比

風荷載作用下，豎向桁架最大位移為62 mm，撓度為1/473，滿足規范限值要求，說明塔冠結構具備合適的側移剛度(見圖4)。

5.3 抗震措施

根據《抗震規范》，6度區鋼框架(＞50 m時)抗震等級取為四級;考慮到塔冠所在位置較高，將抗震等級提高為三級。桿件容許長細比、圓管外徑與壁厚比限值等構造要求如表7所示。

表7 桿件構造要求

塔冠鋼結構部分抗震性能要求:小震滿足規范各項要求;中震彈性;大震允許進入屈服，鋼材應力可超過屈服強度，但不能超過極限強度。

6 塔樓整體動力特性分析

塔樓整體彈性時程分析如下:

根據《高規》5.1.13要求，本工程為B級高度建筑，應采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算;按照《地震安全性評價報告》，多遇地震彈性時程分析時，選取卓越周期約為0.40 s的3條地震波進行計算:人工波ArtWave-RH4TG040，天然波Nenana Mountain，Alaska-NO-2089，天然波 Imperial Valley-06-NO-172。由于結構基本周期較長，天然波在長周期段反應譜值衰減較快，因此對各條波的峰值放大至26 cm/s2。

6.1 頻譜分析

對比分析表明，在結構基本振型的周期點上，時程波(3組平均)與規范譜的地震影響系數相差小于20%，滿足規范“統計意義上相符”的要求;同時，在其他低階的周期點上，地震波與規范譜的地震影響系數也較為一致，說明采用對地震波峰值放大的方法合理、有效(見圖5)。

圖5 規范譜與反應譜對比圖

6.2 底部剪力對比

時程分析法與規范反應譜法結構底部剪力對比表明:每條地震波的計算值大于反應譜法的65%且小于反應譜法的135%，3條地震波的平均值大于反應譜法的80%且小于反應譜法的120%，滿足規范“安全性和經濟性”的要求(見表8)。

表8 底部剪力對比表kN

上述分析表明，所選取的這組地震波滿足規范的要求，設計時地震作用效應取時程法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。

6.3 地震響應分析

時程分析法結構樓層位移、層間位移角與規范反應譜法的結果進行對比分析見表9。

表9 最大層間位移角對比

三條時程曲線計算所得的層間位移角與反應譜法結果差距不大，均滿足規范要求，兩個方向的最大樓層位移曲線、最大層間位移角曲線的分析結果與規范反應譜法計算結果趨勢基本一致，沒有出現異常情況;薄弱層(首層)參數滿足規范要求。

三條時程曲線與CQC法各層剪力對比發現:19層以下CQC法樓層剪力較大，19層以上時程分析法樓層剪力包絡值較大。

7 結語

從以上的分析可以看到，對于有比例較大的鋼結構塔冠的超高層建筑，是否將鋼結構塔冠建入整體模型中，對其動力特性有明顯的改變，尤其是對于阻尼比、周期等重要參數。一般來說阻尼比會較原混凝土塔樓的要小，而周期也變大，結構剛度減弱。從設計角度來說，對于控制結構的整體指標還是建議整體建模后看其整體的地震響應;而對于塔冠結構的內力分析，則需要分為單獨模型和整體模型兩者分別計算，并取大值包絡，這樣才是安全的。

[1] 建質[2010]109號，超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[Z].住房和城鄉建設部，2010.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].