星海金融商務(wù)區(qū)超高層綜合體結(jié)構(gòu)超限抗震設(shè)計(jì)

宋莉　邱韶光　關(guān)立軍　王鵬

摘要：星海金融商務(wù)區(qū)超高層綜合體建筑高度為193.30m，共51層，采用超B級(jí)高度高層結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土框架一核心筒結(jié)構(gòu)，采用SATWE及MIDAS兩個(gè)程序?qū)ζ溥M(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果相近，小震下結(jié)構(gòu)周期比、位移角、位移比、剪重比均滿足規(guī)范要求。對(duì)其進(jìn)行彈性時(shí)程計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)頂部樓層地震力放大，中震、大震下底部加強(qiáng)部位的主要墻肢、框架柱及其余樓層的主要墻肢、框架柱均滿足規(guī)范要求和性能目標(biāo)，穿層柱需滿足中震彈性，支撐樓面梁的連梁受剪承載力滿足中震彈性，框架柱在1～24層為型鋼混凝土柱，最后提出本工程結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。 關(guān)鍵詞：超高層建筑；核心筒；性能目標(biāo)；中震；大震；彈性；不屈服

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2016）01-0060-07

0 引言

框架核心筒是利用樓梯建筑內(nèi)的電梯井道、通風(fēng)井、公共衛(wèi)生間等構(gòu)建中央核心筒，同時(shí)采用外框架形成框架一核心筒結(jié)構(gòu)。應(yīng)用核心筒抗側(cè)向剛度以提高樓體的抗震性能，框架結(jié)構(gòu)更多承擔(dān)豎向荷載及少部分水平荷載，框架核心筒是目前超高層建筑設(shè)計(jì)的主流結(jié)構(gòu)形式（朱炳寅，2013a）。

本文以星海金融商務(wù)區(qū)超高層綜合體為研究對(duì)象，依據(jù)提出的性能目標(biāo)進(jìn)行抗震性能分析，并提出本工程結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。

1 工程概況

星海金融商務(wù)區(qū)超高層綜合體位于大連市沙河口區(qū)太原街西側(cè)。該綜合體共設(shè)3層地下室，地下室為核六級(jí)人防停車庫；地下室層高分別為地下一層5.4m、地下二層4.2m、地下三層4.8m。主塔樓建筑高度為193.30m，共51層，設(shè)4層裙房，功能為商業(yè)、辦公、公寓。地上標(biāo)準(zhǔn)層層高分別為3.5m、3.6m、3.65m、3.7m，平面軸線尺寸為38.8m×38.8m。在地上裙房與單體間通過設(shè)置抗震縫將其分為兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，項(xiàng)目建筑面積約83000m²。綜合樓效果圖及計(jì)算模型，見圖1。

2 設(shè)計(jì)條件及基本參數(shù)

星海金融商務(wù)區(qū)超高層綜合體建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，抗震設(shè)防為丙類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組屬第二組。場(chǎng)地覆蓋層厚度及土層等效剪切波速按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）取值，其場(chǎng)地特征周期為內(nèi)插T_g=0.49s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05；場(chǎng)地50年超越概率63%地表水平向設(shè)計(jì)峰值加速度按安評(píng)要求取45cm·s^-2，β_m取2.25，水平地震影響系數(shù)最大值α_max=0.101，彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算一組人工波和四組天然波，中震、大震計(jì)算時(shí)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）取值，見表1。基本風(fēng)壓：0.65kN·m^-2（用于位移計(jì)算），1.1×0.65=0.715kN·m^-2（用于承載力計(jì)算），地面粗糙度B類，風(fēng)荷載體型系1.4（建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，GB50009-2012）。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)

本工程三層滿鋪整體地下室不設(shè)縫，超高層綜合體地上4層裙房，首層以上用抗震縫將塔樓與裙房分開，各自成為獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，塔樓在首層與地下一層之間設(shè)置設(shè)備夾層，夾層層高2.0m；采用天然基礎(chǔ)，主塔采用筏板，板厚2.8m，核心筒范圍3.3m，持力層為中風(fēng)化石英巖，主塔范圍以外采用獨(dú)立柱基礎(chǔ)加防水板，持力層為強(qiáng)風(fēng)化石英巖，地基承載力特征值中風(fēng)化巖fa=1500kPa，強(qiáng)風(fēng)化巖fak=450kPa；經(jīng)驗(yàn)算，主塔與裙房及地下車庫間沉降差，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）要求。

3.2 地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

塔樓范圍內(nèi)與塔樓結(jié)構(gòu)體系一致，塔樓范圍以外為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

地下室平面尺寸為300m×95m，屬超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和施工中考慮了水浮力、溫度應(yīng)力等不利影響。對(duì)地下室相應(yīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取加強(qiáng)措施，如采取配置抗裂鋼筋，使用復(fù)合抗裂防水劑、設(shè)施工后澆帶（加強(qiáng)帶）等抗裂防水措施。

依據(jù)地勘報(bào)告，本工程抗浮水頭高15.90m，地下室中上部為裙房，無上部結(jié)構(gòu)部位存在整體上浮，采用抗浮錨桿進(jìn)行整體抗浮設(shè)計(jì)，并按抗浮設(shè)計(jì)水位進(jìn)行底板的局部抗浮承載力驗(yàn)算。夾層頂蓋（±0.00）作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，采用現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)，板厚取180mm，雙層雙向配筋、梁、柱均按規(guī)范要求加強(qiáng)。

本場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋長(zhǎng)期浸水環(huán)境下具微腐蝕，干濕交替環(huán)境下具微腐蝕。按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)的防水和耐久性設(shè)計(jì)，如控制外墻裂縫寬度，增加保護(hù)層厚度、提高混凝土密實(shí)度加阻銹劑等。

3.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架一核心筒結(jié)構(gòu)，為減小柱截面，降低軸壓比，1～24層框架柱采用鋼骨混凝土柱，含鋼率4.5%～5%。樓屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，地上塔樓：核心筒剪力墻一級(jí)，框架一級(jí)；相關(guān)范圍內(nèi)的地下室（主樓周邊外延2跨）：夾層、B1層抗震等級(jí)一級(jí)，B2層抗震等級(jí)二級(jí)，B3層抗震等級(jí)三級(jí)；相關(guān)范圍以外上部裙房外延一跨范圍：B1層抗震等級(jí)三級(jí)，B2、B3抗震等級(jí)四級(jí)；相關(guān)范圍外且無上部結(jié)構(gòu)的地下室：B1～B3層抗震等級(jí)四級(jí)；中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件采用特一級(jí)構(gòu)造；底部加強(qiáng)部位：1F～4F（標(biāo)高±0.00～20.40m）；塔樓外框架平面軸線尺寸為38.8m×38.8m，長(zhǎng)寬比為1，混凝土核心筒外墻中心尺寸為16.75m×16.80m，長(zhǎng)寬比為1；二層樓面局部樓板開大洞，穿層柱進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。二層樓面板厚加厚為150mm，采用雙層雙向配筋并提高配筋率，洞口周邊墻設(shè)暗梁，承載力驗(yàn)算時(shí)，該層按彈性樓板計(jì)算。具體布置見圖2。

4 結(jié)構(gòu)超限類別及程度

塔樓采用鋼筋混凝土框架一核心筒結(jié)構(gòu)，高度超過B級(jí)高層建筑適用的最大高度13.3m；樓面局部開大洞，開洞面積占本層面積的32%，大于30%，樓板不連續(xù)，結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則；沿豎向有穿層柱，結(jié)構(gòu)局部不規(guī)則。

5 抗震性能目標(biāo)

建筑的抗震性能設(shè)計(jì)，立足于承載力和變形能力的綜合考慮，由于房屋的重要性及建筑使用功能不同，結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)部位及結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)防目標(biāo)也不完全相同（朱炳寅，2013b），抗震性能目標(biāo)如表2所示。

6 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析論證

6.1 嵌固分析

夾層頂（±0.000m）為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）要求進(jìn)行嵌固端部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備夾層與首層側(cè)向剛度比大于2。

6.2 多遇地震下的彈性分析

分別采用SATWE和MIDAS兩種分析軟件對(duì)工程進(jìn)行整體內(nèi)力計(jì)算，采用SATWE程序的彈性時(shí)程分析進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算，抗震計(jì)算考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)，對(duì)樓板開大洞的樓層采用彈性樓板計(jì)算；SATWE和MIDAS累計(jì)有效質(zhì)量參與系數(shù)兩個(gè)方向均達(dá)90%以上，兩個(gè)程序得到的周期比較接近，第一振型以X向平動(dòng)為主，第二振型以Y向平動(dòng)為主，第三振型為扭轉(zhuǎn)振型，第一扭轉(zhuǎn)周期與以平動(dòng)為主第一周期之比分別為0.56、0.54，均滿足規(guī)范0.85的限值要求（高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，JGJ3-2010）。層間位移角與最大水平位移和層間位移平均值之比分別見表3～4。

樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力無突變，各樓層滿足樓層層間抗側(cè)力結(jié)構(gòu)受剪承載力不小于其上一層受剪承載力的75%。二層以上樓層與相鄰上層剛度比比值均大于0.9，嵌固層，剛度比比值大于1.5。框架地震剪力按0.2V₀調(diào)整。框架承擔(dān)的傾覆力矩比例在27%～42%之間，小于50%。X向、y向剛重比分別為2.85、3.24，均大于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）規(guī)定的1.4，滿足穩(wěn)定要求，剛重比大于2.7時(shí)，不需要考慮重力二階效應(yīng)。剪力墻軸壓比均小于0.5，框架柱軸壓比均小于0.75。對(duì)比SATWE和MIDAS兩種軟件整體計(jì)算結(jié)果可知，其整體計(jì)算結(jié)果基本相同，各項(xiàng)整體指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，構(gòu)件配筋率、軸壓比在合理范圍之內(nèi)。

6.3 多遇地震彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算

地震波采用一組人工波和四組天然波，彈性時(shí)程分析（EDA）與振型分解反應(yīng)譜法（CQC），計(jì)算結(jié)果見表5。從表中可以看出，5條波的彈性時(shí)程計(jì)算結(jié)果的樓層剪力包絡(luò)值在上部樓層大于振型分解反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行多遇地震的彈性計(jì)算，按包絡(luò)值取大時(shí)43層以上樓層地震剪力進(jìn)行放大，放大系數(shù)為1.10。

6.4 結(jié)構(gòu)舒適性驗(yàn)算

根據(jù)SATWE計(jì)算結(jié)果，在10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，塔樓順風(fēng)向與橫風(fēng)向的頂點(diǎn)最大加速度值均小于住宅、公寓的規(guī)范限值0.15m·s^-2。

6.5 中震彈性、中震不屈服驗(yàn)算（SATWE）

中震彈性設(shè)計(jì)采用荷載作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值。不屈服設(shè)計(jì)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0（組合值不變），抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。

以上設(shè)計(jì)均不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整系數(shù)（即強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎調(diào)整系數(shù)），不計(jì)風(fēng)荷載作用效應(yīng)的組合。如果考慮重力荷載與地震作用組合，中震計(jì)算時(shí)，連梁剛度折減取0.5，框架部分分擔(dān)地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值，按基底總剪力標(biāo)準(zhǔn)值20%調(diào)整框架柱剪力，并考慮雙向地震作用，按設(shè)定的抗震性能目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，剪力墻墻肢編號(hào)見圖3，受剪承載力比值見表6。核心筒主要墻肢中震彈性受剪驗(yàn)算，結(jié)果如表7所示。框架柱及穿層柱中震承載力計(jì)算，穿層柱編號(hào)見圖4，結(jié)果如圖5～6所示。

6.6 大震驗(yàn)算（SATWE）

大震作用采用SATWE進(jìn)行整體分析。大震彈性計(jì)算不考慮地震組合調(diào)整系數(shù)，構(gòu)件組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值不計(jì)入荷載作用效應(yīng)組合；采用荷載作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)和抗震承載力調(diào)整系數(shù)；材料強(qiáng)度采用設(shè)計(jì)值。大震不屈服計(jì)算荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0（組合值不變），抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0，材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。

地震影響系數(shù)最大值取0.5，阻尼比為7%，場(chǎng)地特征周期為0.54s，連梁剛度折減0.5。考慮P-△效應(yīng)，考慮雙向地震作用。按抗震設(shè)定的性能目標(biāo)，主要墻肢及框架柱需滿足大震受剪截面控制條件，支撐較大樓面梁的連梁需滿足大震時(shí)受剪截面控制條件，經(jīng)驗(yàn)算，構(gòu)件均能滿足上述大震性能目標(biāo)。

6.7 靜力彈塑性分析及結(jié)構(gòu)抗震性能分析

采用靜力彈塑性分析（PUSHOVER）方法，不僅可以校對(duì)多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的受力與變形狀況，還可以對(duì)結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震和罕遇地震下結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段的抗震性能進(jìn)行分析研究，找出結(jié)構(gòu)中首先屈服的薄弱部位，并通過相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施予以加強(qiáng)。建立結(jié)構(gòu)荷載一位移曲線，得到各類構(gòu)件屈服的先后順序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)。

本工程采用SATWE對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，考慮P-△效應(yīng)，采用強(qiáng)制剛性樓板假定，將型鋼折算為鋼筋，按實(shí)配鋼筋計(jì)算，側(cè)向力加載模式采用振型組合即“規(guī)定水平地震力”。計(jì)算結(jié)果如表8所示。

6.8 驗(yàn)算結(jié)果分析

從表8分析可知：Ⅶ度罕遇地震性能控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層間位移角均小于1/100，滿足規(guī)范要求。大部分連梁、部分框架梁和核心筒底部墻肢出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)以連梁屈服耗能為主。能力譜與需求譜曲線光滑連續(xù)，位移與基底剪力基本呈線性遞增；曲線在設(shè)定位移范圍內(nèi)未出現(xiàn)下降段，表明結(jié)構(gòu)在抗倒塌能力上有較大余地。進(jìn)行罕遇地震作用下靜力彈塑性分析時(shí)，對(duì)底部少量進(jìn)入塑性的墻肢，采取設(shè)置鋼骨，增加配筋率等加強(qiáng)措施，對(duì)上部個(gè)別屈服墻肢，采取設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，增加配筋率等結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。

7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施及對(duì)策

本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，高度超限，局部不規(guī)則。

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010），采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)，分別驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震作用下的構(gòu)件承載能力。

采用SATWE和MIDAS2個(gè)有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，并按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）要求進(jìn)行了彈性時(shí)程分析。采用靜力彈塑性計(jì)算方法，對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性層間位移及構(gòu)件屈服狀況進(jìn)行了分析。

計(jì)算分析表明，本工程能夠滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。施工圖設(shè)計(jì)階段，為提高結(jié)構(gòu)抗震性能，建議采取下列構(gòu)件加強(qiáng)措施：

控制剪力墻墻肢軸壓比小于0.5，將主要墻肢的約束邊緣構(gòu)件延伸至軸壓比0.3的高度；1～4層剪力墻主要墻肢內(nèi)設(shè)置鋼骨；對(duì)小震彈性動(dòng)力時(shí)程分析地震剪力超過CQC法的上部樓層進(jìn)行地震剪力放大；對(duì)二層樓板局部開大洞處進(jìn)行加強(qiáng)；對(duì)穿層柱進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)；相鄰部位樓板加厚，采用雙層雙向配筋并提高配筋率；洞口周邊的剪力墻中設(shè)置暗梁；承載力驗(yàn)算時(shí)，該層按彈性樓面計(jì)算；控制框架柱軸壓比小于0.75，1～24層框架柱采用型鋼混凝土柱，含鋼率4.5%～5%（型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，JGJ168--2001），提高框架柱的延性；支撐樓面梁的連梁，梁內(nèi)設(shè)置型鋼，對(duì)該連梁進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)（宋莉，邱韶光，2011）。

8 結(jié)論

通過計(jì)算分析，論證了本工程框架核心筒體系是可行的，并得出以下結(jié)論：

（1）多遇地震下整體結(jié)構(gòu)保持彈性，整體結(jié)構(gòu)完好。采用SATWE和MIDAS兩個(gè)軟件進(jìn)行整體分析，各項(xiàng)整體指標(biāo)均合理，各項(xiàng)超限內(nèi)容指標(biāo)均控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

（2）設(shè)防地震作用下，底部加強(qiáng)部位框架柱、剪力墻及穿層柱滿足中震彈性的要求，其他部位框架柱、剪力墻正截面承載力滿足中震不屈服，受剪中震彈性，支撐較大樓面梁的連梁正承載力滿足中震不屈服，受剪中震彈性，設(shè)防地震作用下，其他連梁框架梁受剪滿足中震不屈服。

（3）PUSHOVER分析結(jié)果表明罕遇地震作用下，全樓框架柱及剪力墻剪壓比滿足規(guī)范要求，穿層柱滿足大震不屈服要求，支撐較大樓面梁的連梁剪壓比滿足要求。