某超高層辦公樓結構設計

李哲剛, 張 暉

(中機中聯工程有限公司， 重慶 400039)

某超高層辦公樓結構設計

李哲剛, 張 暉

(中機中聯工程有限公司， 重慶 400039)

寶蓮國際都會1號樓為結構高度超限的辦公樓。文章介紹了該工程的結構設計內容以及針對超限采取的加強措施，并進行了計算分析對比。結果表明，結構設計方案合理可行，能夠實現結構的抗震設防性能目標，保證結構的安全。

超限高層； 超高層建筑； 結構抗震性能目標； 框架-核心筒結構

1 工程概況

寶蓮國際都會項目位于重慶市銅梁區，主要功能為辦公、住宅、車庫、商業。總建筑面積約26×104m2，平面布置形式為下部大裙房，上部雙塔樓。1號樓為41層的高層辦公樓，建筑高度182.4 m；2號樓為40層的高層住宅，建筑高度147 m；3號樓為7層商業裙樓，建筑高度24 m。工程設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，設計基本加速度值為0.05g，抗震設防類別為重點設防類(裙樓商業)、丙類(塔樓住宅和辦公)，場地類型為I1類，基本風壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為B類(圖1～圖3)。本文主要介紹1號樓結構設計。

圖1 建筑效果圖

圖2 辦公樓、住宅樓平面位置

圖3 辦公樓標準層結構平面布置示意

2 結構體系

本工程裙樓地下3層，地上4層，在負一層樓板(-6.500標高)嵌固。在嵌固層以上將1、2、3號樓設縫脫開，形成獨立結構單元。1號樓裙樓建筑平面總尺寸為64 m×59 m，塔樓建筑平面尺寸為47 m×39 m，塔樓標準層層高4.2 m，避難層層高5.4 m，商業裙樓層高6 m，地下室層高4 m。1號樓采用現澆鋼筋混凝土框架核心筒結構，框架柱截面尺寸由1.5 m×1.3 m變化至0.8 m×0.8 m，核心筒剪力墻厚度由0.5 m變化至0.3 m。墻柱混凝土強度等級：由C60變化至C30，梁板混凝土強度等級為C40、C30。由于銅梁地區房價較低，綜合考慮成本及施工難度因素，框架柱均采用鋼筋混凝土柱。

3 基礎形式

場區內及附近無斷層通過，場地穩定，地質構造簡單；場地內覆蓋層為第四系素填土、殘坡積粉質黏土，下伏為侏羅系中統沙溪廟組泥巖和砂巖。場地平整后，中風化巖石已經全部出露，故本工程采用獨立基礎、筏板基礎，所有基礎均以中風化巖層為持力層。基礎混凝土強度等級為C40；鋼筋采用HPB300、HRB400級鋼筋。

4 結構超限情況、抗震性能目標及抗震等級

1號樓存在的超限主要為高度超限。對于鋼筋混凝土框架核心筒結構，A級高度限制為150 m，本工程結構高度為188.9 m，超出規范限值，應進行超限工程結構抗震設計專項審查。

此外，由于建筑立面要求，結構西南角和東北角的框架柱，在標高24 m以上由豎直柱變為斜向向上的斜柱，屬于設計中需要特別注意的地方，應進行計算分析和構造加強。

本工程設定結構性能目標如下：結構總體需達到高規中性能目標D級的要求,關鍵構件達到C級的要求。對應的性能水準如表1所示。

表1 性能目標的性能水準要求

7層以上框架及剪力墻抗震等級均為二級，7層以下框架及剪力墻抗震等級均為一級。

5 結構計算分析

結構計算分為三階段，第一階段進行小震下彈性計算，采用振型分解反應譜法和時程分析法進行對比，并作為設計主要依據。第二階段進行中震彈性及中震不屈服計算，對關鍵部位的關鍵構件進行驗算，并作為關鍵構件的設計依據。第三階段進行大震下的彈塑性動力時程分析，驗算大震下的塑性位移角，判斷薄弱部位及塑性鉸的發展程度，驗證采取的針對性措施的有效性。結構計算軟件采用PKPM和Midas Building結構計算軟件。

5.1 小震彈性分析

小震下采用振型分解反應譜法計算的主要分析結果見表2。

圖4為地震作用下的層間位移角。從圖4可以看出，結構整體豎向剛度均勻，在9層、26層處，由于避難層的出現，使層間位移角出現局部變化，但未形成薄弱層。屋頂由于將屋頂構架建入計算模型參與計算，頂部兩層剛度變小。

通過整體計算結果分析表明：結構整體穩定，周期比、質量參與系數、層間位移角、位移比、剪重比、剛度和抗剪承載力均滿足設計要求。框架柱底部傾覆力矩百分比X、Y向分別為19.2 %和29.7 %?？蚣懿糠址峙涞臉菍蛹袅^大多數樓層在15 %～30 %之間，局部樓層小于15 %，局部樓層應按高規要求對框架柱承受的水平剪力進行調整。

小震彈性時程分析時，計算了7條波，各自取7條波的平均值。由圖5可知，彈性時程層間位移除頂部兩層外，沿樓層變化分部較為均勻。彈性時程計算結果和反應譜法計算結果基本一致。

表2 主要分析結果

(a) X向地震層間位移角

(b) Y向地震層間位移角

表3為小震彈性時程層間位移角和底部剪力匯總。彈性時程底部剪力均大于反應譜法底部剪力的65 %，7條時程曲線的結構底部剪力平均值大于反應譜法底部剪力的80 %，滿足GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》5.1.2條。地震作用效應取時程法計算結果的平均值與反應譜計算結果的較大值，即采用反應譜法計算結果。

5.2 中震不屈服分析

本工程結構采用抗震性能化設計方法，關鍵構件的抗震性能目標為C級，性能水準在中震下預期的性能狀況為：宏觀損壞程度為輕度損壞；關鍵構件為輕微損壞；普通豎向構件為輕微損壞；耗能構件為輕度損壞、部分中度損壞；繼續使用的可能性為一般修理后可繼續使用。本工程的關鍵構件為底部加強區的剪力墻、柱和斜柱。

表3 小震時程分析與反應譜法計算得到的層間位移角和底部剪力匯總

(a) X地震層間位移角

(b) Y地震層間位移角

根據計算結果，中震不屈服工況下，墻、柱配筋結果與小震彈性計算配筋相差不大，僅較少柱配筋大于彈性分析，說明結構設計有較大的承載力富裕；梁的配筋在一些部位(與筒體剪力墻相連的梁)有較大不同，說明作為耗能構件的梁，在中震作用時已經進入屈服階段。

從表4、表5可看到，典型剪力墻和柱子的抗剪承載力富余度較大，能夠保證結構中震不屈服。

表4 一、二層中震不屈服抗剪驗算(柱)

樓板在地震過程中起到傳遞和分配水平力、協調同一樓層結構變形的作用，尤其中間連接部位的樓板，必須起到傳遞兩部分間剪力、保證疏散通道安全的作用，因此性能設計目標應提高，應保證其在地震作用下有足夠的連接剛度。對于樓板中應力較大部位按 “中震彈性”性能目標進行設計，計算時取水平地震影響系數最大值αmax=0.12，材料強度為設計強度，各荷載工況分項系數與小震相同，不考慮地震組合時的內力調整，不考慮風荷載作用。本工程還單獨計算了風荷載作用下的樓板應力，進一步驗證按“中震彈性”進行設計的可靠性。經驗算，中震作用下，在代表性樓層中，100 mm厚的C30樓層板壓應力約在0.1～2.5 MPa之間，小于混凝土設計抗壓強度14.3 MPa；拉應力在0.3～3.2 MPa之間，局部位置大于混凝土設計抗拉強度1.43 MPa?？紤]樓板中的鋼筋作用，通過加強樓板配筋，可以保證樓板的中震彈性性能。設計中還考慮增加較大洞口周邊的樓板厚度至120 mm，進一步保證樓板的抗震性能。

表5 一、二層中震不屈服抗剪驗算(剪力墻)

5.3 大震動力彈塑性分析

大震動力彈塑性分析采用兩種軟件分別進行計算，兩種軟件均采用相同的7條波，最后層間位移角和層剪力各自取7條波的平均值，計算結果見圖6。

在罕遇地震作用下， 各樓層的層間位移角均滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》3.7.5條1/100 的限值要求；剪力沿豎向分布也比較均勻，沒有突變現象。兩種軟件計算結果基本一致。

關鍵豎向構件性能設計目標為C級，大震下需要達到第4性能水準的要求，即“大震不屈服”。

根據Midas軟件計算結果，在大震下所有柱位移延性系數均小于1，說明柱子均未屈服。但是位于6～8層結構剛度發生變化處的柱子，尤其是角柱位移延性相對較大。此外，有3 %左右的墻體有開裂，主要集中在1～18層部分墻和連梁兩邊的小墻肢，但是這些墻內部的鋼筋沒有屈服，連梁、剪力墻、柱抗剪截面計算結果均滿足要求，大震下剪力墻結構基本未屈服。關鍵構件達到性能目標。

(a) X向層間位移角平均值

(b) Y向層間位移角平均值

普通豎向構件在大震下可允許部分屈服，但需進行受剪截面驗算，避免斜壓脆性破壞。經計算，所有普通豎向構件的承載力均滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.11.3第4條規定。普通豎向構件達到性能目標。

8 %左右的梁曲率延性系數大于1，說明部分梁端部出現屈服，處于彈塑性階段，但絕大部分塑性轉角不大。約0.5 %的框架梁曲率延性系數大于20，進入屈服狀態，施工圖設計時加強筒體周邊與外框柱相連的框架梁兩端箍筋的配筋，充分保證其延性性能，提高其抗震能力。

5.4 斜柱節點分析

本項目中出現斜柱，斜柱下部節點受力較復雜，且是關鍵構件。運用ANSYS有限元軟件對該節點進行大震不屈服分析，根據應力分析結果對節點配筋進行設計(圖7)。

先用SATWE進行大震不屈服計算，得到斜柱最大軸力、最大剪力和最大彎矩三個工況(對于本項目，三個工況重合)。然后將此內力施加在ANSYS模型的斜柱上，得到梁端主應力和節點剪力并以此驗算梁端受拉是否滿足要求并復核節點箍筋。

經計算，在大震不屈服工況下，節點區混凝土拉應力約為4.1～8.2 MPa，超出C60混凝土抗拉強度標準值(2.85 MPa)；壓應力約為24～28 MPa，小于C60混凝土抗壓強度標準值(38.5 MPa)。因此，需要在節點區增加箍筋，保證節點強度，同時還要加強與斜柱相連的框架梁縱向筋，應對斜柱產生的拉力。

圖7 辦公樓斜柱節點有限元模型

構造措施上，加強斜柱層及其相鄰上下層樓板的厚度及配筋,斜柱抗震等級提高一級。

6 結論

(1)本工程為高度超限的超高層建筑，根據本工程的具體情況，按高規設定抗震性能目標為結構總體D級，關鍵構件C級。

(2)大震下動力彈塑性分析表明，結構形成了連梁、框架梁、剪力墻陸續破壞的多道防線，抗震性能達到并超過設定的性能目標。

(3)中震計算分析結果表明，樓板在中震和風荷載作用下都處于彈性，但在樓板開洞周邊和結構角部出現有應力集中現象，可適當加強板厚(120 mm)和配筋。

(4) 大震不屈服水準下斜柱節點驗算表明,需對斜柱節點進行加強。

(5)結構總體達到了高規中性能目標D級的要求,關鍵構件達到了C級的要求。

[1] 中華人民共和國國家標準. GB 50011-2010 建筑抗震設計規范[S].

[2] 中華人民共和國行業標準. JGJ 3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[3] 重慶市城鄉建設委員會. 重慶市超限高程建筑工程界定規定(2010年版)[S].2010.

[4] 中機中聯工程有限公司. 寶蓮國際都會項目1、2號樓建筑結構工程超限設計的可行性論證報告[R].2015.

TU973.3+1

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[定稿日期]2017-05-22

李哲剛(1976～)，男，碩士，一級注冊結構師，高級工程師，從事結構設計工作。