西部國際金融中心1#樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介

張東聲，陳 可

(成都惟尚建筑設(shè)計有限公司,四川成都610041)

1 工程概況

西部國際金融中心項目位于成都市錦江區(qū)，其中1#樓為綜合辦公、酒店功能的超高層單塔建筑。1#樓地上56層，7～35層為辦公(19，36層為避難層)，37～39層為酒店大堂及餐飲，40～56層為酒店客房(52層為避難層)，36層以下建筑平面由下至上逐漸收進。其6層裙樓為商業(yè)和酒店配套用房。1#樓地下5層，為商場、停車場及設(shè)備用房。塔樓頂標高為234.90 m，裙樓頂標高為33.50 m，首層室內(nèi)外高差為0.100 m。總建筑面積:地上約16×104m2。

工程設(shè)計使用年限為50 a，建筑抗震設(shè)防類別裙房屋面以下為重點設(shè)防類(乙類)[1],裙房屋面以上為標準設(shè)防類，建筑安全等級為一級，建筑基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。根據(jù)抗震規(guī)范[2]，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震值為0.10g，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，設(shè)計地震分組為第三組。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，場地類別為II類，特征周期為0.45s。安評報告中多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.096，特征周期為0.45s。10 a一遇基本風壓為0.2 kN/m2，,50 a一遇基本風壓為0.3 kN/m2，100 a一遇基本風壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度類別為C類[3]。結(jié)構(gòu)整體計算時風荷載體型系數(shù)按荷載規(guī)范[3]取1.4。

2 結(jié)構(gòu)體系

1#樓結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。其中鋼筋混凝土框架部分：負2層至18層主樓框架柱采用型鋼混凝土柱；18層以上采用鋼筋混凝土柱(其中18層～20層為鋼筋混凝土柱加芯柱作為過渡段)，框架梁為鋼筋混凝土梁。核心筒部分：采用鋼筋混凝土剪力墻筒體，分別在3層、7層、20層、37層四個位置逐步收進，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)受力體系分別由外框柱+核心筒+連梁組成，共同構(gòu)成多道設(shè)防結(jié)構(gòu)體系，提供結(jié)構(gòu)必要的重力荷載承載能力和抗側(cè)剛度。重力荷載通過樓面水平構(gòu)件傳遞給核心筒和外框柱，最終傳遞至基礎(chǔ)。水平荷載產(chǎn)生的剪力和傾覆彎矩由外框架與核心筒共同承擔。其中剪力主要由核心筒承擔，傾覆彎矩由外框架與核心筒共同承擔。

圖1 結(jié)構(gòu)正立面圖

3 結(jié)構(gòu)抗風計算分析

按工程主體結(jié)構(gòu)高度234.9 m進行插值，得到在側(cè)向荷載作用下的層間位移角限值為1/530；100 a一遇風荷載作用下結(jié)構(gòu)兩個方向的層間位移角計算結(jié)果分別1/2318和1/1343，均滿足高規(guī)[4]的位移角限值要求。

按照高規(guī)[4]要求，在10 a一遇的風荷載標準值作用下，結(jié)構(gòu)頂點的順風向和橫風向振動最大加速度值不應超過0.15 m/s2。經(jīng)驗算，本工程在10 a一遇的風荷載標準值作用下，X向順風向與橫風向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度為0.036 m/s2；Y向順風向與橫風向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度為和0.041 m/s2；均滿足高規(guī)[4]的要求。

4 結(jié)構(gòu)小震反應譜分析

4.1 安評報告與規(guī)范對應的地震作用

安評報告給出的多遇地震影響系數(shù)曲線與抗震規(guī)范[2]對應的影響系數(shù)曲線進行對比，安評報告給出的影響系數(shù)在各周期點均小于于規(guī)范的對應值，特別在3.0 s以后下降幅度大于或遠大于規(guī)范反應譜。因此在結(jié)構(gòu)小震彈性計算分析時采用規(guī)范給出的影響系數(shù)曲線，并取影響系數(shù)最大值0.09，根據(jù)規(guī)范對應比例推算出結(jié)構(gòu)需滿足的最小剪重比應為1.35 %。結(jié)構(gòu)中震、大震也以規(guī)范給出的影響系數(shù)曲線作為設(shè)計依據(jù)。

4.2 結(jié)構(gòu)質(zhì)量與周期

采用SATWE程序計算結(jié)構(gòu)X、Y兩個方向的剛重比分別為2.43,2.29，均大于1.4，滿足整體穩(wěn)定性要求；均小于2.7，需考慮重力二階效應。計算振型取72個，周期折減系數(shù)為0.9，考慮0.2V0調(diào)整。SATWE和ETABS兩種軟件的計算結(jié)果見表1，可知兩者計算的地震基底剪力、振動模態(tài)和周期基本一致。

表1 常遇地震作用下SATWE與ETABS計算結(jié)果對比

5 小震彈性時程分析

小震時彈性時程分析選用2組天然波和1組人工波，這3組時程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜法所用的小震地震影響系數(shù)曲線相比，在對應于結(jié)構(gòu)前3階振型的周期點上相差不大于20 %。根據(jù)安評報告，地震波主方向峰值加速度調(diào)整為40gal，次方向調(diào)整為34gal，不考慮豎向地震作用。地震波持續(xù)時間均超過30 s，大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍，時間步長為0.02 s。時程分析所得各地震波作用下結(jié)構(gòu)的底部剪力見表2，每條地震波計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結(jié)果的65 %，多條地震波計算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法結(jié)果的80 %。

表2 小震時程與反應譜基底剪力的對比

6 超限情況及主要抗震措施

6.1 超限情況

對照住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部文件《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[5]，本工程有以下超限項目：(1)結(jié)構(gòu)主體高度234.9 m超過規(guī)范B級高度的限制；(2)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；(3)偏心布置，裙房與塔樓偏心率大于0.15；(4)39層大堂入口上空開洞面積大于30 %，屬樓板不連續(xù)并同時存在穿層柱；(5)部分核心筒剪力墻采用筒體收進(3層、7層、20層、37層)。

6.2 主要抗震措施

6.2.1 抗震等級

本工程所在地設(shè)防烈度為7度，建筑抗震設(shè)防類別裙房屋面以下為重點設(shè)防類，應按高于本地區(qū)設(shè)防烈度一度的要求加強抗震措施；對于筒體底部加強區(qū)延伸至裙房屋面上1層，抗震等級提高一級，按特一級；筒體豎向收進部位(20層、37層)上下各一層豎向構(gòu)件抗震等級提高一級，按特一級。

6.2.2 分析措施

(1)結(jié)構(gòu)分析時，計入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；采用地下室頂板嵌固和負1層樓面嵌固兩個模型進行結(jié)構(gòu)計算，包絡(luò)設(shè)計。

(2)根據(jù)小震彈性時程分析計算得到的樓層地震剪力包絡(luò)值，調(diào)整振型分解反應譜法計算所得結(jié)構(gòu)各樓層的地震剪力。

(3)對斜柱變斜率較大位置、筒體收進上下層、樓板不連續(xù)樓層，計入樓板實際平面內(nèi)剛度。對變斜率較大位置框架梁按照壓彎構(gòu)件進行分析設(shè)計。

6.2.3 性能目標

針對本工程結(jié)構(gòu)類型及不規(guī)則情況，設(shè)計采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計方法進行補充分析和論證。本工程高度超過規(guī)范限值較多，設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強的關(guān)鍵部位，依據(jù)《高規(guī)》針對性的選用C級性能目標及相應的抗震性能水準(部分關(guān)鍵構(gòu)件予以一定的提高)。對應抗震性能設(shè)計目標的選擇見表3。

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標及震后性能狀態(tài)

7 基礎(chǔ)設(shè)計

本工程采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，墻柱下軸力較大，底板下為中等風化巖層。綜合甲方的工期要求及經(jīng)濟性分析，塔樓及裙房采取平板式筏形基礎(chǔ)。塔樓核心筒下部筏板厚度為3.8 m，埋深25.1 m；核心筒以外部分筏板厚度為3.0 m，埋深24.3 m；裙房筏板厚度為0.9 m，柱下筏板局部加厚為1.1～1.7 m。

8 斜柱不利作用驗算

由于斜柱斜率變化引起的水平推力，通過樓面梁傳向中筒剪力墻。斜率變化最大且柱軸力最大的部位由此產(chǎn)生的水平推力最大，因此選取斜率變化最大的下部樓層作為考察此水平力的樓層。為了考察此樓層與斜柱相連的樓面梁在豎向荷載、小震彈性及中震彈性作用下的軸力情況，采用ETABS進行不同工況作用下的樓面梁軸力分析，水平梁配筋按照壓彎構(gòu)件計算配筋。同時通過比較對應墻肢的抗剪承載力，復核剪力墻完全能夠承擔此剪力，無需采取特別加強措施。

9 罕遇地震彈塑性時程分析

罕遇地震的地震影響曲線按抗震規(guī)范[2]選取，采用與罕遇地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符的1組人工波和2組天然波，用ABAQUS軟件對結(jié)構(gòu)進行彈塑性時程分析。根據(jù)抗震規(guī)范[2]，地震波主方向峰值加速度調(diào)整為220gal，次方向調(diào)整為187gal。地震波持續(xù)時間均超過30 s，大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍，時間步長為0.02 s。時程分析所得計算結(jié)果見表4。3條地震波算得的X，Y兩個方向最大層間位移角均未超過規(guī)范要求的1/100限值。

從時程分析過程來看，外框柱均未出現(xiàn)混凝土受壓損傷和鋼骨、鋼筋塑性應變，各層樓面梁僅個別位置出現(xiàn)輕微鋼筋塑性應變，外框架抗震性能良好。筒體未出現(xiàn)剪切破壞，連梁的塑性發(fā)展較明顯。整體來看，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性反應及破壞機制，符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念和要求。

10 結(jié)束語

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒體系。針對工程超限情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計通過豎向及平面結(jié)構(gòu)的合理化布局及全

表4 大震時程分析計算結(jié)果匯總

面的、細致的計算對比分析，確保對重力荷載、地震作用、風荷載的合理評估，對關(guān)鍵構(gòu)件采取更為嚴格的抗震構(gòu)造措施，關(guān)鍵抗側(cè)構(gòu)件18層以下的框架柱采用型鋼混凝土等高延性構(gòu)件，薄弱部位提高結(jié)構(gòu)安全標準及耗能水平，確保整體延性的發(fā)揮。同時在整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件設(shè)計中全面融入抗震性能化設(shè)計的思想，對于外框架、核心筒剪力墻具有中震下抗震承載力不屈服，抗剪承載力保持彈性，大震下關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力不屈服，所有豎向構(gòu)件的抗剪截面不屈服的抗震性能，滿足設(shè)定的抗震性能目標。

雖然本工程結(jié)構(gòu)多項超限，但通過采取一系列有效的分析手段和設(shè)計加強措施，使結(jié)構(gòu)體系達到安全合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，目前本工程已經(jīng)主體結(jié)構(gòu)封頂。

[1] GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標準[S]

[2] GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

[3] GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.(2006年版)[S]

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[5] 建質(zhì)[2010]109號 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S]