某塔樓偏置高層建筑的結構設計

化 明 星

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海 200092)

1 工程概況

本工程為某地準五星級酒店配套項目，總建筑面積4.7萬m2。3層地下室(另含一夾層)用作設備用房及停車庫，埋深13.650 m；裙房地上共12層，總高度為54.00 m，其中1層～4層為商業或餐飲；塔樓地上23層，總高度95.8 m。塔樓偏置于建筑北側、收進于13層，裙房7層～13層樓屋面板大開洞，各層洞口上下對齊。圖1為裙房平面布置圖，圖2為建筑剖面圖。

本工程抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組為二組，場地類別為Ⅰ1類，場地土特征周期為0.25 s，結構設計使用年限為50年，安全等級為二級，根據GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準，抗震設防類別：裙房1層～4層為乙類，5層～23層為丙類。

2 上部結構

2.1 結構體系

本工程根據建筑功能平面設計采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，現澆混凝土樓蓋。考慮到各層建筑使用功能的影響，剪力墻主要布置在塔樓角部樓電梯四周，各層剪力墻均落地，為主要抗側力構件(X向框架承擔的地震傾覆力矩為總傾覆力矩的45%，Y向為37%)。框架和剪力墻抗震等級均為二級。

采用鋼筋混凝土梁板結構體系，裙房及塔樓樓板厚度一般為120 mm，加墻部位為130 mm或者150 mm；主樓梁截面350×750，250×600，柱截面800×800,900×900,1 000×1 000；裙房梁截面350×700,400×700,250×600，柱截面600×600,700×700；剪力墻厚度300 mm～400 mm；梁板混凝土強度等級均為C30，墻柱混凝土強度等級從上到下C35～C55逐步變化。

2.2 結構超限情況

本工程塔樓與大底盤的質心偏心距大于大底盤相應邊長的20%，屬于塔樓偏置，因此判定為特別不規則超限高層。此外還存在其他不規則：扭轉不規則(扭轉位移比為1.3)；樓板不連續(7層～12層樓板開洞處，最窄處樓板有效寬度僅42%，小于50%)；平面尺寸突變(13層豎向構件平面范圍由46.8 m縮進至21.2 m，縮進大于25%)。

2.3 抗震性能設計

建筑根據規范[1,2]要求，同時綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、結構特殊性，以及震后損失程度等各項因素，確定本工程整體結構承載力參考指標和城建位移參考指標需達到JGJ 3—2010高規中性能目標C的要求：多遇地震下達到第1性能水準，設防地震下達到第3性能水準，罕遇地震下達到第4性能水準，詳見表1。

表1 抗震性能目標

3 結構計算與分析

3.1 多遇地震作用下彈性整體計算

本工程采用PKPM和PMSAP兩種分析軟件對結構進行整體對比計算，主要結果匯總見表2。

從表2中可以看出兩個不同的結構分析軟件計算結果相近，說明計算模型符合結構實際工作狀況，計算模型及計算結果是合理有效的，可以作為工程設計的依據。

3.2 多遇地震下彈性動力時程分析

表2 小震彈性整體模型計算結果

根據《抗規》5.1.2.3，除了基于規范加速度反應譜的振型分解反應譜法進行抗震計算外，本工程還采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。采用了5組天然波和2組人工波共7組加速度時程波，地震波均符合有效峰值、持續時間、頻譜特性等方面的要求。彈性時程與反應譜法基底剪力對比見表3，經比較，構件內力采用反應譜法的計算結果。

表3 小震彈性時程與反應譜基底剪力比值 %

3.3 設防地震作用下構件驗算

為保證結構在設防烈度下達到“中震可修”的性能狀態，對結構進行設防地震下的彈性近似計算，分別采用“中震彈性”及“中震不屈服”兩種方法對關鍵構件驗算，中震彈性方法取消了內力調整系數，保留荷載分項系數和抗震承載力調整系數，材料強度按設計強度取值；中震不屈服設計可以近似看作是中震彈性設計的承載能力極限狀態，在取消內力調整系數的基礎上，進一步取消荷載分項系數及承載力抗震調整系數，且材料強度取為標準值[3]，此外連梁剛度進一步折減。施工圖中應取中震與小震結果包絡值進行構件配筋。

3.4 塔樓偏置分析

塔樓偏置的本質為結構豎向抗側剛度的突變，通過查看裙房上下層豎向構件剪力，可以發現塔樓的水平剪力有相當一部分通過裙房屋面樓板傳遞到了裙房的豎向構件，裙房屋面的樓板實際承擔了轉換層樓板的作用，因此除了構造加強(板厚150 mm,雙層雙向配筋率不小于0.25%)外，還需要對裙房屋面樓板進行進一步補充計算，以發現薄弱部位進行加強。分析地震作用下的樓板受力情況發現，裙房屋面板靠近塔樓收進部位，樓板應力較大，此外由于裙房屋面開大洞，洞口周邊也出現了較大的應力集中現場，設計時應予以加強。

由于在水平力作用下塔樓的變形及扭轉與裙房相互約束及影響，裙房屋面上下兩層豎向構件受力相對復雜，因此需對裙房屋面上下兩層框架柱進行嚴格控制，如抗震等級提高一級、箍筋全高加密、控制軸壓比等；同時在裙房南側增設剪力墻以控制裙房的扭轉效應。

此外，由于裙房開大洞造成裙房南北側連接僅通過洞口左右兩跨樓板，連接較弱，應補充單獨主樓模型復核裙房屋面上下兩層主樓范圍內框架柱。

3.5 罕遇地震靜力彈塑性分析

本工程采用push-over法進行罕遇地震下結構靜力彈塑性計算分析，罕遇地震下水平地震影響系數最大值αmax=0.72，設計特征周期Tg=0.35 s。

能力曲線、需求曲線及抗倒塌驗算結果見圖3。計算結果顯示，主體結構在罕遇地震性能點上最大位移角X向為1/106，Y向為1/131,均小于框架核心筒結構1/100的規范限值要求。

此外，通過查看彈塑性靜力推覆中塑性鉸的形成過程可以發現：底部加強區核心筒剪力墻首層在X向和Y向大震性能點處受拉區翼緣墻肢出現不同程度的破壞，但是受拉破壞區并未擴展到推覆方向的墻肢，且受壓區翼緣墻肢只出現少許受壓裂縫但并未出現受壓區混凝土壓潰破壞，這說明整體結構在結構首層比較薄弱，在設計中應予以加強，可以適當提高主軸方向剪力墻角部邊緣構件的配筋率及剪力墻墻肢的水平分布筋配筋率，或者在建筑功能允許的前提下，在主軸方向剪力墻角部增加端柱，以提高其抗拉和抗壓承載力。主樓范圍內框架柱在大震下(性能點處)只有極個別框架柱出現塑性鉸，這說明剪力墻很好的充當了第一道抗震防線的作用，推遲了框架柱進入彈塑性狀態。

4 結語

本工程為塔樓偏置超限高層，塔樓與裙房連接處為結構薄弱環節，設計中應予以加強，使結構滿足承載力和延性要求。此外，為進一步提高結構的抗震性能，采用結構抗震性能目標設計方法，通過大量計算分析，確保了結構可以滿足“兩階段、三水準、多種抗震性能目標”。