某超高塔樓部分結構設計的分析

郭艷坤李超

1中州大學（450044）2河南省省直機關房屋建設開發公司（45003）

設計與施工

某超高塔樓部分結構設計的分析

郭艷坤1李超2

1中州大學（450044）2河南省省直機關房屋建設開發公司（45003）

對某超高層塔樓鋼筋混凝土框架-核心筒結構的超高層建筑，先后使用ETABS、SATWE軟件對結構進行了分析，并對分析結果進行比較，從而論證設計的結構超限問題。

塔樓；結構設計；分析

1 工程概況

深圳某超高層塔樓建筑面積1萬m2，用途為辦公，建筑物主體高度250m，核心筒部分及屋頂鋼架高度為280m，高寬比為7.7，地上65層。工程的結構設計年限為50年，塔樓部分的安全等級為二級，7度抗震設防,場地特征周期為0.35s，基本地震加速度為0.1g，建筑場地為II類，抗震設防類別為丙類，設計地震分組為一組。一號塔樓的主體平面為矩形，標準層的結構平面布置圖見圖1。

圖1 一號樓標準層平面圖

2 結構設計策略

深圳市地區的特點為風荷載大、地震作用相對較小，因此結構設計的關鍵是提高建筑結構的抗側剛度。鋼-混凝土混合結構體系中，鋼梁的剛度僅為同高度的混凝土梁的30%左右。計算結果表明,混合結構體系很難滿足規范對結構的剛度要求。若要滿足要求，則必須設置2～3個加強層，這樣將帶來結構受力的復雜性和設備層使用的不便性。因此，該塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系。

由于核心筒的特點是高寬大，如何充分發揮核心筒的抗側效率是個難題。在設計中通過加厚筒體翼緣墻體的厚度來增加抗側剛度，而筒體翼緣墻體的厚度隨著建筑高度增加逐漸減小來獲得較大的使用空間。這種設計方法成功滿足了規范對結構的剛度要求,而且避免了在設備層設置加強層，使得設備管道可以順利通過。

對于該塔樓采用的框-筒結構體系,外框架體系將作為有效承重支撐，大部分豎向荷載通過軸力的方式向下傳送。由于結構的層數較多，外框架柱承受豎向荷載較大。為了減小框架柱的截面面積，以增加有效使用面積，考慮采用鋼-混凝土組合結構柱。在組合結構柱的選型上,我們對型鋼混凝土柱、鋼管混凝土柱和鋼管混凝土疊合柱進行了深入比較和論證。鋼管混凝土疊合柱同時具有鋼管混凝土和型鋼混凝土的優點，剛度、強度均大，耐火性能好，因此外框架柱采用了鋼管混凝土疊合柱。

考慮到鋼筋混凝土與鋼管混凝土疊合梁柱節點的施工便利，該工程根據鋼筋混凝土梁的實際配筋在鋼管上開矩形孔洞使梁中縱向鋼筋可以順利通過，管壁開孔的截面損失率不超過50%。采用鋼管混凝土疊合柱方便了施工，減少了施工工期。

3 結構整體計算結果

3.1 彈性計算結果

在設計中對整體結構的自振特性分別采用ETABS和SATWE分析軟件進行了分析計算。兩種不同軟件的計算結果如表1所示，計算結果較為接近，從側面反映出結構模型和分析的正確性。平動為結構的主要振型，扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.67，滿足《高層建筑混凝土結構技術規范》（JGJ3-2002）的要求。

風荷載及小震作用下的結構反應計算是結構設計中的重要內容。結構在風荷載及小震作用下結構最大的層間位移如表2所示。可見，在風和地震作用下的層間位移角在規范限值之內。

表1 周期計算結果

表2 風荷載及小震作用下結構最大的層間位移

在偶然偏心影響的水平地震作用下，層間位移和其平均值之比值、樓層豎向構件的最大水平位移和其平均值之比值均在規范限值之內，從而證明結構抗扭剛度較好。

地震作用下樓層剪重比同樣是結構整體分析時需要分析的重要內容。計算結果表明，在13層以下的各層沿X向和Y向的層間地震剪力不能滿足規范的最小剪重比要求，因此程序對該部分地震剪力進行了1.15倍調整，以提高該部分地震抗剪承載力。圖2分別給出了X向和Y向地震作用下的框架和核心筒傾覆力矩沿樓層的變化情況。計算結果表明，基底框架和核心筒X向傾覆力矩分別為1 121019kN·m和2349918kN·m，Y向傾覆力矩分別為948767kN·m和2586129kN·m。計算結果表明,本塔樓結構中核心筒所占傾覆力矩沿結構高度始終大于50%總地震傾覆力矩。

3.2 彈性時程分析

采用三條地震波，包括一條地面人工波和兩條天然波,對結構進行彈性時程分析。表3給出了3條地震波和規范反應譜的計算結果，圖3對應的層間剪力值與樓層的關系曲線。通過對結構的彈性時程分析結果可以得到：1）每條時程曲線計算所得結構基底剪力均大于振型分解反應譜法的65%，三條時程曲線計算所得結構基底剪力的平均值均大于振型分解反應譜法的80%，地震波的選擇滿足規范要求；2）CQC法的層間剪力曲線基本能反映所選的三條地震波對應的平均層間剪力曲線。但在結構頂部少數樓層,CQC法的地震剪力偏小,說明設計反應譜在長周期階段的人為調整以及計算中對高階振型的影響估計不足，施工圖設計將對頂部樓層的地震剪力進行調整。

(a)X向地震作用下的傾覆力矩

圖2 傾覆力矩分配

表3 基底剪力計算結果(KN)

(a)X向

圖3 地震作用下的層間剪力值

3.3 中震不屈服分析

由于該塔樓為超限結構，為確保結構的安全可靠，進行了在中震（設防烈度）下的抗震計算，使這些重要的抗震構件（剪力墻、柱、連梁和框架梁），在中震作用下不屈服。

通過中震不屈服分析和判斷可以得出結論：結構體系中豎向構件在中震情況下保持著良好的彈性性能，而水平構件特別是連梁則有較多的進入屈服狀態，通過調整連梁、框架梁的配筋以及對部分連梁截面調整，才使主要水平構件不屈服。這從設計上保證了中震不屈服概念的具體落實，也體現了地震中各構件的屈服順序基本上先是連梁屈服，后是部分框架梁屈服，而豎向構件則沒有出現屈服的情況。

3.4 靜力彈塑性分析

雖然規范中僅僅對大震分析的結構進行了界定，但對于大震分析的主要方法所言甚少。該項目采用靜力推覆分析研究結構在罕遇地震作用下的工作性能。靜力推覆分析可以較好地揭示結構在大震下的屈服過程，展示出結構構件出現屈服、內力重分布的發展過程以及結構達到預定的變形限值。對不同材料及應用范圍的結構構件彈塑性、變形性能進行明確規定的國際規范有美國規范ATC40、FEMA273、FEMA35、ACI318等。控制構件塑性變形能力，可以將結構構件變形控制在輕微變形、嚴重變形等范疇。從對使用者生命財產的危害程度角度，結構構件可以分為震后可完全使用水準、震后可立即進住水準、生命安全水準、震后不倒塌水準的結構。

通過靜力彈塑性推覆分析，得出如下結論：1）結構方案完全滿足規范要求的“小震彈性、中震可修、大震不倒”抗震設防性能目標。2）結構方案同時也滿足本報告設定的小震彈性、中震允許部分次要水平構件出現塑性、大震允許部分連梁和框架梁出現較多塑性鉸但不出現危及生命安全的嚴重變形的抗震設防性能目標。3）塑性鉸主要發生在連梁、部分框架梁局部位置,且主要分布于建筑物的中下部，這在一定程度上與中震分析的結果是吻合的。也就是說，中震分析時構件界面利用率最大的部位在推覆分析中將首先出現屈服,且隨著推覆的進展，部分塑性鉸的發展也與中震結果中構件界面利用率具有一定的相關性。4）豎向構件中框架柱未出現塑性鉸，剪力墻在大震下未出現塑性鉸，說明豎向構件具有良好的抗震性能。5）通過結構在大震下的變形和塑性鉸出現位置和發展狀態，可以確定現設計是安全的，抗震構造措施是適當的。同時，局部位置塑性鉸發展較為嚴重的構件需要改善其延性性能和配筋等，以調節其抗震變形能力，盡量將其變形控制在生命安全范圍以內。

4 結論

根據建筑物自身特點，此超高層建筑塔樓采用鋼筋混凝土框-筒結構，在地面至26層的外框柱使用了鋼管混凝土疊合柱，提高了核心筒和外框架的使用效率，從而使剛度達到設計要求。

[1]CECS188：2005,鋼管混凝土疊合柱結構技術規程[S].中國計劃出版社,2005.

[2]JGJ3-2002,高層建筑混凝土結構技術規范[S].中華人民共和國行業標準,2002.

[3]GB50011-2001,建筑抗震設計規范[S].中華人民共和國國家標準,2002.