通州核心區Ⅱ-05 地塊超高層結構設計

王志軍，杜志強，劉性碩，劉天水，張敬花

（北京三磊建筑設計有限公司，北京100048）

1 工程概況

本工程位于北京市通州核心區，東北至溫榆河西濱河路西邊線，緊靠溫榆河和源頭島，西鄰溫順公路，南鄰通燕路。項目共有2 幢塔樓，地上42 層，主要功能為公寓，主屋面高度145.60m，塔冠高度167.20m，15 層及30 層設置2 個避難層，層高4.0m，首層層高3.90m，2～29 層層高3.30m，31～42 層層高3.60m，局部樓層涉及戶型轉換，層高略有調整。地下5 層，主要功能為人防、汽車庫及設備用房，層高3.4～3.6m 不等。建筑安全等級為二級，重要性系數1.0，設計使用年限50 年，抗震設防類別屬于丙類，抗震設防烈度為8 度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組，Ⅲ類場地，場地特征周期0.55s，基本風壓0.45kN/m2，地面粗糙度按C 類，基礎設計等級為甲級，采用樁基礎。

2 結構布置

本工程平面長×寬為47.10m×25.20m，核心筒長×寬為24.20m×10.75m，Y方向核心筒高寬比為13.54，典型樓層結構平面布置圖如圖1 所示，建筑效果圖如圖2 所示，結構立面圖如圖3 所示。

圖1 典型樓層結構平面布置圖

圖2 建筑效果圖

圖3 結構立面圖

本工程主屋面高度為145.60m，超出B 級（8 度，0.2g）鋼筋混凝土高層建筑最大使用高度140m 的要求，為避免出現超限問題，固初步選定結構體系采用鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒。且由于本工程核心筒Y方向高寬比為13.54，規范[2]建議值為12，超出規范約12.8%，且由于作為公寓，凈高要求較高，樓面梁采用鋼梁，在結構體系初選過程中，Y方向剛度存在一定問題，對以下3 種工況進行分別計算：鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒（工況1）；鋼管混凝土-鋼筋混凝土核心筒，利用2 個避難層分別設置伸臂桁架及腰桁架（工況2）；在情況2 的條件下，在Y方向中軸處南北兩側分別設置1 道支撐（工況3），并對其Y方向層間位移角進行統計，如表1 所示。

表1 結構Y 方向層間位移角

由表1 可知，最終確定結構體系為鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構，外部框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，外框與核心筒之間采用鋼梁。利用15 層及30 層2 個避難層，設置2 處結構加強層，分別設置腰桁架，并在核心筒端部沿Y方向設置2 道伸臂桁架，從負1 層至屋面Y方向中軸位置設置2 道支撐，第二加強層以下，支撐均為單斜桿，第二加強層以上，下側支撐調整為“人字形”支撐，支撐局部大樣如圖4 所示。

本工程嵌固端位于地下1 層地面，框架抗震等級為一級，加強層及其上下層，框架抗震等級為特一級，剪力墻抗震等級為特一級。核心筒厚度由底部的750mm 厚，沿高度逐步內收至350mm（Y方向收至400mm），矩形鋼管混凝土柱截面沿高度逐步減小，角部柱為1 200mm×1 200mm 減小至1 000mm×1 000mm，中部柱由1 200mm×1 000mm 減小至800mm×800mm，Y方向外框梁采用焊接箱型鋼梁，X方向外框梁采用焊接H 型鋼梁，梁截面高×寬均為400mm×800mm，外框至核心筒之間鋼梁受限于室內凈高要求，樓面鋼框梁采用焊接H 型鋼梁，梁截面高×寬以300mm×350mm 為主，核心筒外樓板采用鋼筋桁架樓承板，鋼次梁按組合梁考慮，樓板厚度為130mm，核心筒內部采用普通樓板，樓板厚度為120mm。混凝土強度等級底部外框柱及核心筒均采用C60 級，沿高度逐步減小至C40 級，首層地面（含）及以下梁板采用C35 級，其余各層樓板均采用C30 級，筏板的混凝土等級為C35（P10），底部加強區和加強層及其上下相鄰層的鋼管柱及外框梁、支撐及伸臂桁架的相關構件的鋼材強度采用Q345GJ，其余鋼構件的鋼材強度均為Q345B。

圖4 支撐局部大樣

3 結構抗震計算與分析

經初步計算本工程不存在超限情況，但考慮高度臨近鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構上限值150m，因此，本項目分別進行了如下地震作用計算：（1）多遇地震作用下的彈性計算分析(振型分解反應譜分析及小震彈性時程分析)；（2）設防地震作用下的計算分析（關鍵構件的驗算及變形驗算）；（3）罕遇地震作用下的彈塑性動力分析。

3.1 多遇地震作用下的彈性計算分析

本工程多遇地震作用下的振型分解反應譜分析分別采用YJK 與SATWE 2 種空間分析軟件計算，計算對比如表2 所示。

按GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版）（以下簡稱《抗規》）及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）要求，本工程應采用時程分析法進行多遇地震下的補充驗算，本工程多遇地震作用下的彈性時程分析采用YJK 軟件，按照地震3 要素：頻譜特性、有效峰值和持續時間的要求，本工程共選定2 條人工波和5 條天然波進行多遇地震作用下的彈性時程分析，時程分析所選用主方向水平地震加速度峰值為70cm/s2，次方向峰值按照主方向的0.85 倍，即60cm/s2，由于本工程主方向基本周期為3.1s，按規范[1]要求，地震波持續時間不得小于5 倍的基本周期，固地震波持續時間選擇不小于20s，多遇地震作用下的振型分解反應譜法與時程分析法（取YJK 計算結果）下的基底剪力對比如表3 所示，規范譜與時程分析所采用的地震波反應譜如圖5 所示。

表2 振型分解反應譜法計算結果對比

圖5 規范譜與地震波譜對比圖

經兩軟件多遇地震下的反應譜分析計算結果對比，計算結果能較好地吻合，各項主要指標如：總質量、剪重比、地震作用、動力特性及位移指標等，均可滿足規范要求。通過對多遇地震作用下時程分析的計算結果分析可以得知，各地震波能在統計意義上相符合，單條地震波的基底剪力可滿足規范偏差不大于35%的要求，多條地震波的平均基底剪力可滿足規范偏差不大于20%的要求，時程分析可對小震下的振型分解反應譜法進行一個較好的補充。

通過以上計算說明，本工程結構體系可行，樓層剛度變化合理，可滿足規范對“小震不壞”的設防目標。由規范知，本工程所選的7 組地震波時程法平均值將作為振型分解反應譜法的補充，對相應樓層的地震作用進行放大。

3.2 設防地震作用下的計算分析

由表1 的計算結果可知，本工程結構體系中軸斜撐、加強層伸臂桁架及腰桁架對本工程的剛度貢獻有較大提高作用，在本工程遭遇設防地震作用時，若上述構件出現破壞，則會對整個結構的剛度產生較大的影響，因此，本工程在設防地震作用下將重點對上述構件進行驗算。為保證“中震可修”的抗震設防目標，將對設防地震作用下的層間變形進行驗算，本工程設防地震作用下的計算采用YJK 軟件，水平地震影響系數最大值取0.45。

為保證整體結構在遭遇設防地震作用下的安全性，提出中軸斜撐、加強層伸臂桁架及腰桁架等重要構件中震不屈服的抗震性能目標，要求上述構件的抗剪承載力滿足《高規》（3.11.3-1）的要求，其正截面承載力滿足《高規》（3.11.3-2）的要求，通過YJK 中震不屈服計算，上述構件在中震作用下應力比均控制在較好的水平，可實現其中震不屈服的抗震性能目標。

根據規范要求，若要保證本工程在遭遇設防地震作用下宏觀損壞程度為輕～中度破壞，后續經修復或加固后可繼續使用，則需保證其設防地震作用下的層間變形小于3 倍的彈性位移限值，即設防地震下的層間位移限制為3×1/800=1/266.7，經計算，本工程設防地震作用下的層間位移角如表4 所示，由表4 可知，本工程可滿足規范對“中震可修”的抗震設防目標。

表3 振型分解反應譜法與時程分析法計算結果對比

表4 設防地震作用下層間位移角

3.3 罕遇地震作用下的彈塑性動力分析

本工程罕遇地震作用下的彈塑性動力分析采用YJK 軟件，罕遇地震分析時水平地震影響系數最大值取0.90，場地特征周期取0.65s，主方向水平地震加速度峰值為400cm/s2，次方向峰值按照主方向的0.85 倍即340cm/s2，經計算對比，本工程選擇Chi-Chi-Taiwan-03_NO_2457，Imperial Valley-06_NO_178，ArtWave-RH1TG065（人工波）共3 組波分別按主次方向共6 種工況作為罕遇地震作用下彈塑性分析的地震波，3 組地震波作用下結構的最大層間位移角如表5 所示，罕遇地震作用下首層剪力如表6 所示，2 主方向層間位移角曲線如圖6（X主方向）和圖7（Y主方向）所示。

由以上分析可知，罕遇地震作用下的首層剪力約為小震彈性首層剪力的2.70～3.16 倍，處于合理范圍，本工程最大層間位移角1/129，可滿足規范限制不大于1/100 的要求，層間變形曲線整體較為平滑，在加強層位置，層間位移角具有明顯收進，說明伸臂桁架對減小層間位移具有較好的效果，整個結構未出現明顯的位移突變和集中層間變形，結構地震剪力沿豎向均勻分布，亦未出現突變現象，經過對塑性鉸分布情況的查看，大震作用下塑性鉸主要出現在剪力墻的連梁兩端及部分外框柱之間的框梁上，在性能點之前，底層柱端及墻端未出現塑性鉸，表明該結構具有較好的耗能能力，且可滿足規范對“大震不倒”的抗震設計目標。

表5 罕遇地震作用下層間位移角

表6 罕遇地震作用下彈塑性樓層剪力kN

圖6 X 主方向層間位移角曲線圖

圖7 Y 主方向層間位移角曲線圖

4 結論

經多遇地震作用下的2 種不同力學模型計算對比，并結合小震彈性時程分析補充，本工程結構體系合理，整體動力特性規則，整體指標滿足相關規范要求，經罕遇地震下的結構彈塑性動力分析，結構損傷主要集中于連梁上，達到了較好的耗能目標，外圍框架可起到框筒第二道防線的作用。經以上計算驗證，本工程結構體系具備良好的抗震性能，可滿足規范“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求，整體結構設計安全可靠。