交通銀行某分行營業大樓超限結構設計分析

王國銓

(林產工業規劃設計院廈門分院 福建廈門 361004)

1 工程概況與主要設計參數

項目坐落于福建省某市區，占地面積1.1hm2，總建筑面積55 000m2。營業大樓由兩層地下室、20層塔樓、5層裙樓構成；首層結構層高為5.1m，其余各層結構層高均為4.5m，建筑高度91.3m(裙房高度21.8m)。項目建筑鳥瞰圖及剖面圖，如圖1～圖2所示。結構主要設計參數，如表1所示。

2 基礎設計

根據該營業大樓項目《巖土工程勘察報告》，場地內土層⑩卵石層[厚度為16.20m～21.20m，頂面標高為-40.69～-35.63m]，其力學強度較高、巖層厚度較厚中風化花崗巖，可選作樁基持力層，但其埋藏深度大，頂面標高為-64.69m～-67.43m]。典型地質剖面、底板承臺標高示意如圖3所示。

圖1 鳥瞰圖

圖2 剖面圖

表1 主要設計參數

綜合考慮上部重力荷載等因素，主樓、裙房及地下室均采用沖孔灌注樁基礎方案，以⑩卵石作為樁基基持力層，主塔樓選用1200mm樁徑，裙房部分根據柱底內力需要選用1000mm、1200mm樁徑；裙樓和地下室區域進行抗浮驗算，裙樓和純地下室位置上浮力大于結構與底板重量，結果表明存在抗浮問題。基此，設置了抗拔樁，抗拔樁選用800mm、1000mm、1200mm 3種樁徑。各樁有效樁長為45m～48m。

圖3 典型地質剖面圖

3 主體結構設計分析

3.1 結構體系設計

主樓塔樓采用框筒結構，裙房采用框架結構(為加強結構抗扭剛度，在裙房樓、電梯間設置剪力墻)。裙房北側大懸挑、裙房屋面、塔樓屋面6m構架采用設置斜撐加強，主要結構截面、混凝土強度等級參數，如表2所示。

主樓及裙房地下室頂板區域結構板厚度為180mm，純地下室部分結構板厚度為200mm。塔樓標準層結構樓板板厚為120mm。因該項目存在塔樓偏置，在塔樓第六、第七層處結構樓板加厚至150mm。結構典型平面布置圖如圖4所示。

表2 主要結構截面、混凝土強度等級參數

(a)三層 (b)塔樓標準層 (c)十七層圖4 結構典型平面布置圖

3.2 超限情況說明及抗震性能目標

根據《超限高層專項審查要點》[1](20150512)有關規定進行細則分析，該項目A級高度。主要存在以下結構不規則項：

①扭轉不規則[1]：考慮偶然偏心時，Y向裙房最大位移比為1.39，裙房以上樓層塔樓最大位移比為1.35，略超過規范1.2的限值但均小于1.4；

②凹凸不規則[1]：塔樓平面B/Bmax=43.2%﹥規范30%限值；

③塔樓偏心偏置[1]：第六、七層質心相差為相應邊長的(X向16.7%，Y向18.1%)，大于規范15%的限值；

④樓板不連續[1]：為滿足建筑空間要求，第五層樓板有效寬度為43.6%，小于50%的限值；

⑤構件間斷[1]：裙房北面外圍框架第三、四層采用支撐托柱轉換，存在豎向構件局部不連續；

⑥局部不規則[1]：第二層、第十一、第十三、第十五、第十七、第二十層存在局部穿層柱。

綜合考慮塔樓的設防類別、烈度、場地條件、地震損失、修復代價等因素，該結構抗震性能設計目標控制為C級。根據結構構件的重要程度，將結構構件分為普通構件和關鍵構件。其中，關鍵構件包括穿層柱、支撐挑柱。結構性能設計目標如表3所示。

3.3 結構抗震分析

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[2]第3.4.4條有關規定，項目屬特別不規則高層結構，組織抗震專家進行了論證。

采用SATWE軟件結構分析，并用MIDAS Building軟件進行結構內力、位移、周期比、振型數等項目的比對計算分析。小震彈性計算結果對比分析，如表4所示。在地震工況與風荷載工況下，兩種軟件的計算結果吻合度良好，且相應的指標滿足要求。

表3 性能設計目標

表4 SATWE及MIDAS Building彈性結果對比分析

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[3]第4.3.4、4.3.5條的有關規定，采用SATWE軟件進行小地震作用下時程分析計算。根據場地特點，按滿足頻譜特性、有效峰值和持續時間3條原則[3]，選取7條地震波(其中天然地震波5條、人工地震波2條)，按1∶0.85進行雙向輸入分析。規范譜與各地震波譜平均值對比圖，如圖5所示。

表5是彈性時程分析底部剪力與CQC法比較，比較結果表明，7條波每條波計算出的底部剪力均處于CQC反應譜法計算結構的0.65～1.35倍之間，7條波的平均均值在CQC反應譜法計算結構的0.8～1.2倍之間。既可以保證滿足規范的最低安全需求，又能體現安全性和經濟性的平衡，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)[3]相關規定。

圖5 規范譜與各地震波譜平均值對比圖

表5 彈性時程分析底部剪力與CQC法比較

該工程采用PKPM Satwe-pushover分析了結構在大震作用下的反應。如圖6～圖7所示，能力譜-位移曲線相對上升平滑，隨體系周期的增大遞增，能力譜曲線在X和Y兩方向均與需求譜相交，得到性能點。在大震作用下，該項目結構在抗倒塌能力充裕度較大。結構X向、Y向性能點最大層間彈塑性相對位移角分別為1/214、1/267，均能滿足JGJ3[3]對混凝土框筒結構層間彈塑性最大位移角1/100的規定，符合“大震不倒”的基本思路。

圖6 X向Push-over抗倒塌驗算圖

圖7 Y向Push-over抗倒塌驗算圖

3.4 抗震加強措施

針對超限結構情況特點、薄弱環節，結構抗震加強措施如下：

(1)抗側力構件布置做到合理、均勻對稱，控制塔樓周邊與核心筒之間剛度比。在裙房周邊樓、電梯間布置混凝土墻體；加強塔樓與周邊框架之間的連接，盡可能減少塔樓核心筒墻體，使裙房層間位移比控制在1.4以內，塔樓層間位移比控制在1.35以內。

(2)針對第六、七層X向質心相差16.7%，Y質心相差向18.1%情況，第六、七層主樓區域樓板采用150mm厚；同時，此區域樓板鋼筋采用雙層雙向拉通，樓板配筋率≥0.25%，保證結構塔樓和結構底盤的整體作用。

(3)針對建筑平面局部開洞造成樓板有限寬度小于50%情況，樓板開洞周圍一跨范圍區域樓板采用150mm厚；運用Gen軟件在大開洞區域結構板進行應力分析；在后期施工圖中，對此區域樓板采用樓板應力最大值雙層雙向加強配筋，增強樓板的水平剪力傳遞能力，保證大震下結構的整體性。

(4)為滿足建筑功能需要，裙房屋頂樓局部外挑6m并做6m構架支撐幕墻。采用混凝土支撐穿越三、四層并拉結構架柱頂的方式加強，如圖8所示。外挑柱抗震設計時計入豎向地震作用效應，保證外挑柱在各個工況作用下的安全度。

圖8 外挑結構構架做法示意

(5)局部樓層框架柱為“穿層柱”。設計時除應滿足中震下穿層柱抗彎不屈服，且滿足柱內剪力按本層其余非穿層框架柱承受地震剪力平均值得1.2倍進行復核。該項目通過穿層柱抗震等級提高一級、對穿層柱樓層處的全層地震剪力放大1.2倍的方法，復核穿層柱部位配筋，增大安全系數。同時，該部位框架柱縱筋在“穿層”范圍連續設置，且其箍筋全高加密。

4 結論

(1)對大底盤塔樓質心偏置結構，可在裙房周邊樓、電梯間周邊處設置混凝土墻體，調節裙房樓層的扭轉位移比。

(2)局部樓板大開洞結構，開洞周邊區域樓板除應采取雙向配筋、增大樓板配筋率等構造措施外，還應進行樓板應力分析，保證樓板在大震下的水平剪力傳遞能力。

(3)對于支撐挑柱、穿層柱薄弱構件，宜合理設置抗震性能目標，并進行相應水準的彈塑性計算，合理增加安全系數，保證薄弱構件在各個工況下的安全度。

(4)本文提出的超限結構抗震設計思路、針對并結構超限情況、薄弱環節、重要部位進行的抗震加強措施，能夠保證結構實現抗震設防設計目標。