佛山兆陽大廈超限結構設計

楊 濤 許 謙 商群濤

(奧意建筑工程設計有限公司，廣東 深圳 518031)

1 工程概況

本項目由兩棟塔樓、商業裙房及地下室組成。兩棟塔樓在18層～20層通過接近8 m的大懸挑進行“連接”。總高度均為160 m。建筑效果如圖1所示。

2 結構體系和主要構件

2.1 結構體系

1號樓采用框架—核心筒結構體系，高寬比為3.8，建筑總高160 mm，為B級高度超限高層。2號樓采用框架—剪力墻結構體系，高寬比為4.4，建筑總高160 m，為超B級高度超限高層。

2.2 嵌固端選取

地下室頂板無開洞，剛度完整。地下1層與1層剛度比見表1，根據《高規》第5.3.7條，因剛度比大于2.0，頂板可作為上部建筑的嵌固端。

表1 嵌固端選取

2.3 結構布置

剪力墻由下部700 mm收為上部400 mm。兩棟塔樓在17層以下部分核心筒角部及墻端設置鋼骨，用以補充邊緣構件抗剪及抗彎承載力。

柱截面由下部最大1 700×1 500收為上部900×900。根據計算軸壓比及減少墻柱壓縮及徐變影響的要求，兩棟塔樓框架柱在底部約1/2～1/3建筑高度部分采用型鋼混凝土柱。

主梁以900 mm高為主。2層、3層和第18層避難層板厚為120 mm，標準層核心筒外板厚100 mm，核心筒內板厚120 mm。結構布置如圖2,圖3所示。

3 超限類型及抗震性能目標

3.1 超限類型

根據《超限高層建筑工程抗震設防審查技術要點》，1號樓為B級高度超限高層，且存在局部不規則(穿層柱)，扭轉不規則共2條不規則項；2號樓為超B級高度超限高層，且存在局部不規則(穿層柱)，扭轉不規則，凹凸不規則共3條不規則項。

3.2 抗震性能目標

根據業主要求及本項目特點，選定本工程抗震性能目標為C級，各部位抗震性能目標如表2所示。

表2 性能目標

4 結構計算分析

4.1 計算參數

本工程建筑重要性系數取1.0；周期折減系數取0.8；連梁剛度折減系數小震取0.7，中震取0.5；結構阻尼比取0.05。

多遇地震計算分別考慮0°,90°兩個主軸方向。其中2號樓水平力最不利方向角為18°，將考慮其在18°方向地震作用下的結構性能。

4.2 多遇地震下結構受力分析

采用YJK與Midas Building軟件進行小震彈性對比分析。由表 3可見，兩軟件計算結果相近，計算模型可靠。對主要構件進行驗算，結果表明：在風及地震作用下，結構最大層間位移角滿足規范要求，各豎向構件軸壓比均滿足規范限值要求，底部墻肢未出現拉應力，各構件抗剪截面均滿足要求。結構在小震作用下能夠滿足性能目標要求。

表3 小震結構整體指標對比

對18層懸挑樓蓋區域進行樓蓋豎向振動舒適度驗算：1號樓懸挑樓蓋豎向自振頻率為4.19 Hz，最大振動加速度為0.08 m/s2，2號樓懸挑樓蓋豎向自振頻率為3.80 Hz，最大振動加速度為0.056 m/s2，均滿足規范限值要求。

4.3 偶遇地震下結構受力分析

在中震作用下，對框架柱、剪力墻進行抗彎、抗剪承載力驗算。結果表明：在底部框架柱及核心筒角部和剪力墻端部設置型鋼的情況下，豎向構件抗彎承載力均滿足抗彎不屈服性能要求，框架柱均能滿足抗剪彈性性能要求，剪力墻大部分在構造分布筋配置下能滿足抗剪彈性性能要求，個別剪力墻需提高水平筋配筋率。大部分連梁在構造配箍下，能滿足中震抗剪不屈服的性能要求；對于受剪較大的連梁，通過加大箍筋或配置交叉暗撐后，能夠滿足抗剪不屈服性能要求。

對剪力墻墻肢進行偏拉驗算，在中震作用下，僅考慮恒活及地震作用下，1號樓局部墻肢出現最大為0.62 MPa拉應力，2號樓局部墻肢出現0.90 MPa拉應力，均未超過混凝土抗拉強度標準值。

對樓板在中震作用下進行應力分析，計算結果表明：兩棟塔樓在中震作用下，均在核心筒周邊出現較大拉應力，但小于混凝土抗拉強度標準值，實際配筋時將根據應力進行配筋，并采取雙層雙向拉通的配筋方式，保證中震下樓板的傳力性能。

對18層～20層大懸挑進行中震作用下驗算。結算表明：在中震作用下(增加豎向地震作用組合)，懸挑梁、懸挑梁根部框架柱及其節點核心區的抗彎、抗剪承載力均能滿足要求并有一定富余。通過計算，1號樓偶遇地震下最大X向位移為118 mm，2號樓最大X向位移為157 mm，考慮最不利情況相對運動時，兩棟塔樓最大位移為275 mm，實際將預留350 mm抗震縫，以考慮兩棟塔樓相對位移對懸挑結構的影響。為提高懸挑梁面內及面外剛度，考慮在懸挑主梁內增加型鋼，型鋼往內伸進一跨，通過埋件與第一內框柱相連。在懸挑梁根部柱內設置型鋼，保證型鋼與柱剛接。

4.4 罕遇地震作用下動力彈塑性時程分析

本工程采用Midas building軟件對結構在罕遇地震作用下進行彈塑性時程分析。選取兩條天然波及一條人工波作為輸入條件。根據規范要求，地震波加速度峰值均調整為220 gal。

結構最大基底剪力和最大位移如表4和表5所示，1號樓最大基底剪力為小震CQC的4.3倍，2號樓最大基底剪力為小震CQC的4.7倍，1號最大層間位移角為1/183，2號最大層間位移角為1/251，均滿足《廣高規》1/125的要求。達到了”大震不倒”的抗震設防要求。

表4 結構最大基底剪力

表5 結構最大位移

通過大震彈塑性分析下結構的狀態可知：對1號樓，最終有約20%的框架梁及連梁達到屈服，框架柱僅在頂部出現10%的開裂，僅有不到3%的剪力墻產生了剪切破壞。對2號樓，最終有約25%的框架梁及連梁達到屈服狀態，框架柱僅在頂部出現15%的開裂，僅有不到0.3%的剪力墻產生了剪切破壞，其余部分應變均在第一階段。

兩棟塔樓在大震作用下，框架梁及連梁出現較多塑性鉸，其余部分構件均保持彈性狀態，說明耗能構件起到了很好的耗能作用；剪力墻在底部樓層和加強層出現部分剪切損傷，但未發生整片墻或大面積的嚴重破壞，不至于引起局部倒塌和危及結構整體安全，其余部分剪力墻混凝土受壓和鋼筋拉壓均屬于彈性階段，未出現剪力墻全截面剪切型損傷，剪力墻滿足抗剪彈性的設防要求。整個結構二道設防體系得到了很好的保證。

5 高區大懸挑考慮施工設計優化

本項目兩棟塔樓在高區(18層～21層)各自存在接近8 m跨度的懸挑結構。由于樓層較高，且懸挑較大，給施工帶來一定難度。

初步考慮從16層～17層主體結構搭臨時施工桁架，18層懸挑結構模板支承在臨時施工桁架上進行施工，此方案施工周期長，難度大，總體造價較高。為此，設計時對懸挑結構進行了改進：以型鋼作為結構自重和施工荷載的支承，來達到取消設置大面積支承桁架的目的。施工時，在17層搭設臨時三腳架，用于安裝18層型鋼，待型鋼安裝完畢，安裝梁模板，梁兩邊設置150寬牛腿，用于支撐鋼筋桁架樓承板，然后澆筑梁混凝土，澆筑時梁上部板厚范圍內混凝土待鋪完鋼筋桁架樓承板后，與樓板統一澆筑，完成18層懸挑結構施工，后面幾層懸挑結構即可以18層樓面作為支承繼續施工。

此方案以懸挑梁型鋼作為樓承板及其所澆筑混凝土支承，設計時將驗算型鋼在樓板自重及施工活荷載作用下強度及剛度，以保證混凝土在沒有形成強度之前，型鋼能承擔相應荷載。同時預留的混凝土牛腿可作為鋼筋桁架樓承板的支承，而鋼筋桁架樓承板有足夠的強度和剛度作為澆筑混凝土時的臨時支承。整個施工過程，只需要在17層搭設臨時操作面，支承澆筑型鋼混凝土梁的荷載即可，大大降低了施工難度，節省了施工時間，見圖4。

6 設計主要加強措施

針對本工程特點，結合抗震性能目標和分析結果，在設計中將采取以下加強措施：

1)根據中震分析結果適當提高底部墻體水平及豎向分布鋼筋配筋率；

2)對兩棟塔樓底部的躍層柱，采取設置鋼骨、全長復合箍加密的方式予以加強；

3)低區樓層部分剪力很大的連梁加大箍筋或配置交叉暗撐；

4)2層、3層存在大開洞，對樓板進行加厚，并雙層雙向配置拉通鋼筋，對標準層，對剪力墻周邊拉應力較大區域，根據計算應力，配置雙層雙向拉通鋼筋，以保證水平力的傳遞；

5)對高區大懸挑區域的主懸挑梁設置型鋼，提高懸挑梁剛度及安全儲備，同時增強懸挑梁面外剛度，減小水平側移。