超限高層辦公樓的實例分析

阮啟明

（廣東　廣州　510000）

超限高層辦公樓的實例分析

阮啟明

（廣東廣州510000）

本辦公樓項目采用框架-核心筒結構體系，部分框架柱采用型鋼和混凝土混合，屬于高度超限建筑。介紹了基于性能的抗震設計方法，利用多種軟件對結構進行小震彈性、關鍵構件中震彈性及罕遇地震下的彈塑性分析。提出相應的加強措施，使結構能滿足預定的性能目標。

超限辦公樓；框架-核心筒；性能設計

1　工程概況

本項目（圖1）位于廣州市天河區，定位為高檔辦公樓。項目總建筑面積108505.5m2，其中地上建筑面積為85200m2，地下建筑面積為23305.5m2。其中地上部分由1#辦公樓及2#辦公樓兩棟塔樓組成，其中1#辦公樓帶三層裙樓，塔樓為15層；2#辦公樓建筑37層，高度為162.6m，地下部分為3層地下室，負三、負二為車庫和設備房、負一主要為商業，其中2#辦公樓屬于超限建筑，后面將對2#辦公樓進行實例分析。

該工程抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第一組，結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，建筑場地土類別為Ⅱ類，地基基礎設計等級為甲級，控制結構水平位移的基本風壓取50年重現期的風壓0.5kN/m2，控制結構剛度的基本風壓取100年重現期的風壓0.6kN/m2，結構舒適度驗算的基本風壓按10年重現期的風壓0.3kN/m2。地面粗糙度類別為C類，體型系數取1.6（考慮高層相互干擾）。

2　地基與基礎設計

圖1　效果圖

根據地質勘察報告，場地地基穩定，場地土類型屬于中硬土，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期Tg為0.35s。地下水對混凝土結構及鋼筋具有微腐蝕性。本工程采用人工挖孔灌注樁，以中風化泥質粉砂巖為樁端持力層，在進入中風化持力層內擴底。塔樓部位樁直徑為1400mm、1600mm、1800mm、2000mm、2200mm，擴底直徑約加大800～1600mm，有效樁長約為18m。裙房部位樁徑為1200mm，豎向承載力特征值為1800kN。

3　結構體系及結構超限情況

3.1結構體系

本工程塔樓和裙房分開設計，塔樓采用成熟的框架-核心筒結構體系。為滿足建筑主入口大堂凈空需要，二層局部樓板開洞，形成局部穿層柱。為減小柱軸壓比及提高延性，南北面8根框架柱采用型鋼混凝土組合柱。柱和剪力墻材料采用高強混凝土C60，沿高度逐漸減小至C40，型鋼采用Q345。核心筒外墻X向剪力墻最大厚度為600mm，沿高度逐漸減小至400mm；Y向剪力墻最大厚度為700mm，沿高度逐漸減小至500mm。核心筒內墻最大厚度為400mm，沿高度逐漸減小至200mm。框架柱最大截面為1000mm×2000mm，部分為800mm×1000mm，在部分框架柱加入焊接H型鋼。框架梁采用600mm×700mm、400mm×700mm，部分采用600mm×1000mm及400mm×1000mm。樓蓋均采用現澆鋼筋混凝土梁板式結構，首層結構樓板厚度取180mm，標準層結構樓板厚度取120mm，核心筒范圍結構樓板厚度取150mm。梁板的混凝土強度等級均為C30。

3.2結構超限情況

本工程主要超限情況為：①塔樓主體高度為162.6m，超過高規[1]規定A級7度區框架-核心筒結構的最大適用高度限制為130m；②根據SATWE計算結果可知，本結構在考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，結構局部樓層出現扭轉位移比大于1.2；③由于二層出現樓板局部開洞，出現局部穿層柱。

3.3結構抗震性能目標

根據本工程的超限情況，以及與業主的溝通結果，采用基于性能目標的抗震設計方法，并選定本工程的抗震性能目標為高規[1]中所規定的D級：在多遇地震作用下結構的關鍵構件（指底部加強區核心筒剪力墻和底層躍層框架柱）處于彈性狀態，框架梁、連梁及普通豎向構件均處于彈性狀態；在設防地震作用下，結構的關鍵構件抗彎及抗剪均不屈服，框架梁、連梁及普通豎向構件均允許大部分進入屈服階段，滿足最小抗剪要求。在進行中震設計時，地震作用效應組合及各分項系數均按規范[2]進行。

4　結構計算與分析

4.1彈性計算分析

4.1.1結構整體分析

在多遇地震作用下的結構整體分析采用SATWE和MIDAS Building軟件進行彈性計算。考慮上部結構嵌固于地下室頂板處，計算時取不帶地下室模型進行計算。本工程計算時采用考慮扭轉藕聯振動影響的振型分解反應譜法，以及考慮雙向水平地震作用下的扭轉影響，并考慮單向地震時偶然偏心的影響。計算分析的主要結果見表1。

4.1.2彈性時程分析

根據規范[3]的要求，本結構應進行頻遇地震作用下彈性時程分析。采用SATWE程序進行彈性時程分析，時程分析地震波采用SATWE地震波庫中兩條天然波、一條人工波及安評報告中提供三條天然波和一條人工波，七條波的峰值加速度均按規范小震的35cm/s2進行調整，地震波時間步長0.02s，結構阻尼比0.05。樓層剪力分布曲線如圖2所示。由圖中結果可知，所選七條時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜所用地震影響系數曲線在結構前三振型的周期點上相差不大于20％，滿足規范“在統計意義上相符”的要求。七條時程波的基底剪力均處在振型分解反應譜法基底剪力的65～135％區間范圍內，平均基底剪力處于80～120％范圍區間，滿足規范要求。十八層以上時程波平均樓層剪力大于振型反應譜樓層剪力，構件設計時采用局部樓層地震力放大進行設計。

表1　

圖2　彈性時程地震波作用下最大樓層剪力曲線

4.2設防烈度地震分析

根據本工程的抗震性能目標，采用SATWE軟件進行中震不屈服計算分析，地震作用計算采用規范反應譜。設防地震作用下層剪力、層間位移角分布及與頻遇地震作用的對比如圖3～4所示。

圖3　結構在頻遇地震、設防地震作用下層剪力對比

圖4　結構在頻遇地震、設防地震作用下層間位移角對比

由圖3～4可知，兩個方向基底剪力分別為頻遇地震作用基底剪力的2.64和2.66倍，地震力滿足要求，結構整體有富余的抗剪承載力；X向層間位移角最大值為1/412，Y向層間位移角最大值為1/378，小于2倍彈性層間位移角限值（1/750），屬于輕微損壞范圍，一般修理仍可繼續使用，滿足性能目標要求。

4.3罕遇烈度地震分析

根據本工程的抗震性能目標，采用Midsa Building對結構進行在罕遇地震作用下的非線性地震反應分析，結構動力彈塑性分析整體計算結構如表2所示。各地震波作用下層剪力及層間位移角（包絡）分布見圖5和圖6。

表2　

圖5　大震下（主方向）層剪力

經過分析得到以下結論：

（1）結構能夠完成整個動力彈塑性分析過程而不發散，在考慮重力二階效應和大變形的情況下，結構最終仍然保持直立，滿足“大震不倒”的設防要求。

（2）主體結構在三組地震波作用下的最大彈塑性層間位移角X向為1/139，Y向為1/147，均小于1/100的規范要求。

圖6　大震下（主方向）層間位移角

（3）結構在三組地震波作用下基底最大剪力X向為50686.72kN，Y向為52358.71kN，約為小震基底剪力的5倍，基本能滿足要求。

（4）從以上圖可見，結構的層間位移角曲線呈現中間大兩端小的平滑曲線，變化趨勢同小震作用，表明結構在大震作用下不存在剛度突變和較大的剛度退化，承載力滿足要求。

（5）框架柱除底部局部位置及頂部1/3部位出現開裂外，其他部位均處于彈性狀態，滿足大震抗彎不屈服的性能目標；底部加強區核心筒剪力墻局部抗彎屈服，非底部加強區核心筒剪力墻抗彎不屈服，基本滿足大震不屈服的性能目標。對于底部加強區不滿足性能目標的剪力墻，在構件設計時，提高該部位剪力墻的豎向分布鋼筋配筋率至0.8～1.0％，同時加大該部位剪力墻暗柱配筋以滿足大震抗彎不屈服的性能目標。

5　結語

本工程僅高度超限，設計中充分利用概念設計方法，對于關鍵構件設定抗震性能化目標，并在抗震設計中，采用多種程序對結構進行了彈性、彈塑性計算分析，除了保證結構在小震下及風荷載作用下處于彈性階段外，還補充了關鍵構件在中震和大震下的驗算。由計算結構表明，多項指標均表現良好，基本符合規范的相關要求。根據計算分析結構和概念設計方法，對關鍵和重要構件作相應加強，以保證結構在地震作用下有良好的延性。

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]《高層建筑混凝土結構技術規程》（DBJ15-92-2013）[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[3]《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

TU973.31

A

1673-0038（2015）27-0007-03

2015-6-15

阮啟明（1988-），男，本科，畢業于華南理工大學，主要從事建筑結構設計方面的工作。