長沙環球超高層公寓結構設計

鄧 超 （湖南省建筑科學研究院有限責任公司，湖南 長沙 410011）

1 項目概況

長沙環球長沙未來城城市綜合體A區A25地塊一期工程位于長沙市上灣西路與國展路交匯處，結合地塊形狀特點，布置22層的1#棟酒店、38層2#公寓、3層的裙樓以及二層地下室，長沙環球超高層公寓項目即2#公寓項目。

2#棟超高層公寓地上38層，地下二層，工程建設高度為144.15 m，建筑主體結構采用框架剪力墻結構，整體的安全等級為二級，結構設計使用年限為50年。工程抗震設防類別為乙類（裙房為大型多層商場），抗震設防烈度為6度，設計地震分組第一組，設計基本地震加速度為0.05 g，為II類場地，場地特征周期為0.35 s。

圖1 建筑效果圖

2 結構選型及布置

2.1 結構選型

2#公寓的結構采用框架剪力墻結構，剪力墻主要分布在電梯間、樓梯間，底部四層在南面框架柱間有少量縱墻分布，電梯間、樓梯間剪力墻能夠形成封閉的筒體，但該筒體為偏心布置且高寬比高達16，難以達到規范中框架核心筒體系中對于核心筒的要求，設計時按核心筒構造措施將角部邊緣構件按約束邊緣構件從上至下設置。

本工程結構體系的第一道防線是鋼筋混凝土的剪力墻，鋼筋混凝土框架組成第二道防線共同抵抗風和地震產生的水平作用。結構豎向荷載的傳遞順序是先通過水平梁板，然后通過框架柱和剪力墻，最后到基礎部分；水平荷載中的傾覆彎矩和水平剪力大部分由剪力墻承擔，框架柱承擔少部分（小于50%）的水平剪力以及傾覆彎矩；剪力墻和框架柱通過樓板的面內剛度互相協調。

圖2 裙房層結構平面布置圖

圖3 標準層結構平面布置圖

地下室及首層塔樓及塔樓嵌固范圍樓蓋采用普通現澆鋼筋混凝土梁板體系；二層及以上采用疊合樓板。

2.2 綠色裝配式方案

根據湖南省綠色裝配式建筑評價標準，2#棟公寓豎向構件及框架梁均采用現澆形式。采用的裝配式建造技術包括疊合樓板、預制樓梯、非砌筑非承重圍護墻（幕墻）以及外圍護墻與保溫、隔熱、裝飾一體化、豎向構件采用高精度模板、全裝修、綠色建筑一星標準、BIM技術。

2.3 建筑結構超限檢查

本工程通過對結構專業相應專項審查要點中不規則性條紋的檢查，得出本建筑結構的高度為B級，屬于超高層建筑，同時具有局部樓板不連續、局部穿層柱不規則和扭轉不規則等不規則項。本工程結構設計屬于一般規則性超限和高度超限。

2.4 結構抗震性能目標

根據建筑混凝土結構技術規程中關于設防烈度、結構特殊性、綜合抗震設防類別、場地條件、震后損失和修復難易程度、建造費用等因素，將本項目結構的抗震性能目標定為C級，初步確定本工程的設計性能指標如表1。

3 結構計算分析

3.1 小震作用下結構彈性分析

本次設計分別采用北京盈建科結構分析軟件YJK2.0.0.0版本和Midas Building 2019V1.1通用有限元軟件程序進行彈性計算并對比校核，對整體空間結構模型進行計算分析，其中運用三維纖維細分分析梁柱單元，運用平面內分塊纖維分析墻單元，運用厚度分層纖維分析板單元。結構在豎向荷載及風荷載、地震作用下的內力與位移計算，采用剛性樓板假定。上部結構嵌固部位采用地下室頂板作業。

圖4 YJK計算模型

圖5 Midas計算模型

性能水準指標 表1

周期和振型計算結果比較 表2

基底剪力和基底傾覆彎矩計算結果比較 表3

周期和振型計算結果比較 表4

最大層間位移角 表5

多軟件彈性計算結果比較如表2。

通過兩種模型的計算可以得出，項目結構的振動方向和周期值在前三階非常相似，整體的抗扭剛度良好。

圖6 地震荷載作用下的層間位移角

圖7 風荷載作用下的層間位移角

通過表3可以計算得出，兩種模型下的水平荷載計算結果基本一致，因此可以判斷出，結構模型中的剛度是準確并一致的。

由計算結果可以得出，在風荷載和地震作用下，兩種計算模型中X、Y向最大層間的位移角都可以滿足相關規范的要求。其中X向控制工況為地震作用，Y向控制工況為風荷載。

3.2 中震作用下結構彈性分析

根據性能設計目標要求，結構進行了“中震”彈性分析，其中按中震不屈服設計剪力墻受彎承載力，按中震彈性設計框架柱及剪力墻受剪承載力。

根據YJK計算結果，框架柱在中震時滿足彈性，剪力墻滿足基本彈性和不屈服設防要求，剪力墻連梁中部少量出現超筋。

3.3 結構彈塑性時程在大震作用下的分析

計算軟件采用由廣州建研數力建筑科技有限公司開發的新一代“GPU+CPU”高性能結構動力彈塑性計算軟件 SAUSAGE（Seismic Analysis Usage），本工程在罕遇地震下的彈塑性時程分析采用兩組天然波與一組人工波進行。

將導入SAUSAGE中的結構模型周期振型與原YJK模型進行了對比，前五階周期振型基本吻合，如表4。

結構最大水平相對位移值及最大基底剪力值如表5、表6所示。

結構在大震作用下層間位移角最大值包絡曲線、樓層剪力最大值包絡曲線、基底剪力時程曲線如圖8～圖11所示。

基底剪力 表6

圖8 層間位移角最大值包絡曲線

圖9 樓層剪力最大值包絡曲線

圖10 X向基底剪力時程

圖11 Y向基底剪力時程

結構主要整體計算指標表明，最大彈塑性層間位移角為1/242，小于預設的性能目標1/120。在模型判斷中，可以得到建筑結構保持直立的結果，基本滿足抗震的設防要求。

結構在三組地震波作用下的地震影響規律大致相同。地震動初始時刻，各類構件基本處于彈性工作狀態，給出了地震動達到小震、中震、大震加速度峰值時刻及結算時刻各類構件受壓損傷狀態，其發展過程如下：首先在中上部洞口連梁位置出現損壞，然后沿樓層方向發展，連梁損壞較為嚴重，體現了較好的耗能性能；剪力墻基本沒有出現較大損傷，基本處于彈性工作狀態，端部剪力墻和轉角處剪力墻輕微損壞，應在設計中予以適當加強，在地震動中后期有不同程度的損傷；框架梁較少出現混凝土損壞。

地震動結束時刻，部分連梁均出現了較為嚴重的損壞，墻肢基本處于彈性工作狀態，局部區域出現輕度損傷，墻體與連梁相接位置局部損傷嚴重，建議設計予以加強調整，滿足“強墻肢弱連梁”的設計概念。

根據結構特性，這種塑性發展基本滿足性能目標的設定要求。根據對結構進行的大震下的動力彈塑性計算分析，結合結構整體指標和結構構件的性能分析，現對結構抗震性能評價如下：

①大震彈塑性分析所選取的多條地震波彈性反應譜在基本振型周期點處于規范反應譜相差均不超過20%，滿足在統計意義上相符的要求。

②在遭遇罕遇地震的作用下，建筑結構能保持直立，其最大的層間位移角1/242<[1/120]，滿足《建筑抗震設計規范》要求，滿足“大震不倒”的基本要求。

③結構在大震作用下大部分連梁均出現了較為嚴重的破壞，除局部區域外，墻肢基本處于彈性工作狀態，滿足“強墻肢弱連梁”的設計概念。

④框架柱均沒有出現受壓損壞，鋼筋不屈服，作為二道防線的框架柱具有較好的安全儲備。

⑤薄弱部位：底部樓層及端部剪力墻和轉角處剪力墻，應予以加強，提高分布鋼筋配筋率；與墻連梁相接的局部墻肢出現輕度損壞，應予以加強。

4 超限設計的措施及對策

本工程為超限高層建筑，屬于B級高度高層建筑。結構計算分析分別采用YJK空間分析程序、Midas Building空間分析軟件程序及SAUSAGE進行對比校核計算。在塔樓的彈性分析中，抗震設計考慮了抗震規范規定的地震作用，通過彈性分析可以確定建筑結構的動力特性，其結果表明設計主要指標可以滿足相關規范的限值要求。對于風荷載作用下的舒適度，按照10年一遇的風荷載進行了檢查，能夠滿足規范要求。通過中震檢查，確保了主體結構能夠實現抗震性目標。通過多種軟件，對結構的大、中、小抗震性能作出了分析，并確保了結構設計能滿足抗震性能目標的實現。進行了動力彈塑性分析，對結構整體性能和關鍵構件的塑性轉角進行了檢查，結果表明在各地震作用下結構的最大層間位移、塑性變形能滿足性能目標的要求，各地震作用下，各構件承載力能滿足性能目標的要求。對二至四層大開洞處的樓板進行了多遇地震以及設防地震下的樓板應力分析，計算結果表明樓板混凝土及鋼筋滿足性能目標要求。進行了特征值屈曲分析，找出了關于穿層柱失穩的屈曲模態及相應的屈曲系數，結果表明穿層柱具有足夠的穩定性富余，滿足規范要求。

根據多軟件計算分析及計算結果，本工程的主體結構完全滿足“小震不壞，中震能修，大震不倒”的目標。

根據計算分析結果，對結構薄弱部位進行相應的加強處理，相應的措施包括：

①底部加強區上伸2層，加大底部加強區框架梁柱截面，增加底部加強區剪力墻墻厚及配筋，配筋率至0.30～0.35%，加大連梁兩端大震中出現塑性鉸處剪力墻暗柱配筋及配箍率，提高其抗剪承載力；

②增強墻長大于8 m的墻及翼墻的縱向配筋率至1.2～1.5%，水平配筋率至0.30～0.35%，并嚴格控制其軸壓比；

③對于底部加強區出現小偏拉的豎向構件，在設計時按《高層混凝土結構規程》中規定特一級構造以提高其抗震性能；

④增大樓板大開洞處周圍樓板配筋以提高其承載力，相應穿層柱箍筋全高加密；

⑤頂部豎向收進處框架柱抗震構造等級提高至一級，退臺處樓板加厚至160 mm，雙層雙向配筋；

⑥樓、電梯井處剪力墻按筒體進行加強，轉角處從上至下設置約束邊緣構件；

⑦塔樓背面與地下室頂板存在高差處須加強框架剛度，加密柱箍筋，邊梁采用加腋構造。

5 結語

本工程建筑屬于B類高層建筑，經對結構進行多模型、多軟件及線性和非線性結構分析，結果表明結構在大震、中震、小震以及風荷載的作用下,建筑結構性能和狀態都能達到設計的預期目標和國家相關規范的要求。

本工程結構抗震超限審查已經在湖南省超限高層建筑抗震設防審查專家委員會上評審通過，并結合專家建議和審查意見完成了結構施工圖的設計。