重慶華宇城3 號塔樓超限高層結構設計與分析

楊亞

（重慶鼎石建筑規劃設計有限公司，重慶 401121）

1 工程概況

華宇城3 號塔樓位于重慶市沙坪壩區，是一棟集商業、甲級寫字樓和五星級酒店為一體的超高層標志性塔樓。 塔樓主樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構，地下3 層，地上41 層，自嵌固部位算起，結構總高度為193.400m，屬于B 級高度的高層建筑[1]。

2 結構超限情況及設計措施

根據《重慶市超限高層建筑工程界定規定》（2016 版）的限值要求[2]，該工程主體結構超過限值150m，屬于高度超限的B 級高層建筑。 在具有偶然偏心的規定水平力作用下，裙房相關樓層兩端抗側力構件彈性水平位移（或層間位移）的最大值與平均值的比值為1.35，超過限值1.2，結構整體扭轉不規則。 X 向核心筒寬高比為1/17.3，小于規范限值1/12，同時Y 向核心筒寬度是X 向的2.4 倍， 造成兩個方向的第一平動周期差別較大。 上部樓層在38 層收進后與下部樓層的水平尺寸之比為0.70， 不滿足限值三（≥0.75）要求，但是按照等效整體收進為0.79，滿足規范要求，故可以認為豎向規則。 但在采取加強措施時，仍按豎向收進采取加強措施。37 層采用斜撐托柱轉換，存在豎向構件不連續的情況，抗側力結構的層間受剪承載力與相鄰上一層的比值最小值為0.80，滿足限值三（≥0.80）要求，說明樓層承載力不存在突變。

結合超限預評審專家的意見以及文獻[3-4]的結論，針對上述超限情況采取以下設計措施：

（1） 控制核心筒外墻與外框柱之間的距離， 中心距不大于12m；

（2） 針對平面扭轉不規則情況，將外圍框架梁的截面增大至600mm×1200 mm（X 向）、400mm×800 mm（Y 向），以增強周邊框架的整體剛度；

（3） 按照小震彈性和中震不屈服的原則，對底部加強部位的核心筒外圍剪力墻和外框柱進行包絡設計， 且剪力墻的水平、豎向配筋最小配筋率不小于0.3%；

（4） 在平面凸出的上下兩個區域，板鋼筋按滿跨雙層雙向配筋配置，配筋率不小于0.3%，鋼筋直徑不小于8mm，間距不大于150mm；其余角部區域板配筋按文獻[1]9.1.4 條配置，板鋼筋雙層雙向配筋范圍不小于外框架至核心筒外墻中距的1/3 和3m 的較大值；

（5） 核心筒電梯廳樓板加厚至120mm，且雙層雙向通長配筋，配筋率不小于0.25%；

（6） 調整布置，使得樓蓋主梁不直接擱置在核心筒的連梁上面；

（7） 筒體角部附近盡量不開洞，控制筒角內壁至洞口的距離不小于500mm 和開洞墻截面厚度的較大值。 核心筒外墻開洞宜上下對齊，盡量避免水平方向連續開洞，開洞形成的洞間墻肢的截面高度不小于1.2m；

（8） 在保證核心筒抗扭剛度的前提下，加強X 向剛度，同時適當削弱Y 向剛度；

（9） 豎向體型收進部位38 層的樓板厚度不小于150mm，相鄰上下層樓板厚度120mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。 收進部位上下2 層框架柱抗震等級提高一級。 收進部位的框柱上下層之間（標高159.150～169.350）箍筋全高加密，邊柱最小配筋率適當提高至0.95%，角柱最小配筋率適當提高至1.15%；（10） 37 層斜撐箍筋全長加密，增大斜撐縱筋的配筋率及鋼筋直徑。 控制與之相連的框架梁的等效拉應力值， 增加框架梁的縱筋的配筋率， 并按框支梁構造進行設計。 與斜撐相連的剪力墻上下兩層水平分布筋及豎向分布筋的配筋率增大至0.6%。調整后，核心筒的典型平面如圖1 所示。

圖1 結構設計方案

3 結構計算分析

采用SATWE 和MIDAS BUILDING 軟件對塔樓進行多遇地震作用下的反應譜分析，結果表明：塔樓的第一扭轉周期與第一平動周期的比值均小于規范限值0.9，結構扭轉效應較小[5]。 最大層間位移角為1/1068，小于限值1/631。在具有偶然偏心的多遇地震作用下， 僅底部8 層X 向的位移比和層間位移比略超過了1.2的限值，最大值為1.35，而Y 向樓層的位移比和層間位移比均未超過1.2。 由此可見，該工程平面存在一定的扭轉不規則，但還沒達到特別不規則或者嚴重不規則的程度，對結構的整體抗震性能影響有限。

選取5 組天然地震波和2 組人工波進行多遇地震作用下的彈性分析、設防地震作用和罕遇地震作用下的彈塑性分析。 通過與文獻[6]6 度（0.05g）地震動參數反應譜分析結果的對比，單組地震波輸入所得的底部剪力峰值均在反應譜法的65%～135%之間，7 組地震波結果的平均值與反應譜法結果之差在20%以內，可見，該7 組地震波計算結果滿足規范要求的與反應譜計算結果在統計意義上相符的條件。 結構選取所有地震波樓層剪力的平均值與CQC 結果進行對比，得到各層地震力放大系數。 彈塑性動力時程分析考慮雙向地震影響，兩個方向最大峰值加速度按0.85 的比例調整，設防烈度地震下，主方向峰值加速度為50cm/s2，次方向峰值加速度取42.5cm/s2，結構阻尼比取0.05。罕遇地震下，主方向峰值加速度為125cm/s2，次方向峰值加速度取106cm/s2，結構阻尼比取0.07[7-8]。分析結果表明：在設防地震作用下，樓層的最大彈塑性層間位移角為X 向1/494、Y 向1/568，均小于限值1/212。 在罕遇地震作用下，塔樓X 向最大層間位移角為1/195（42 層），Y 向最大層間位移角為1/228（24 層），均未超過設定的彈塑性層間位移角限值1/111。 層間位移角曲線連續、無突變點，可見結構在設防地震和罕遇地震作用下的變形能夠滿足預定的性能目標要求。

4 結構方案形式比較

該塔樓未超B 級高度，未設置加強層。 由于該工程XY 方向體量差異較大，導致Y 向周期偏短，Ty/Tx 比值較大。 為減小兩方向周期差異，提高X 向剛度，減少扭轉效應，設計人員通過在原結構體系基礎上設置加強層，對比不同結構體系的性能指標，選取更適合該樓棟的結構體系。 加強層擬設置在避難層24 層和35 層， 通過在塔樓核心筒與外框架柱之間設置桁架來提高結構抗側剛度。 加強層布置方案有設置伸臂桁架、 環桁架、伸臂桁架+環桁架三種（圖2）。

圖2 加強層布置方案

由表1 可以看出，原結構通過調整X 向框架梁界面及剪力墻截面厚度能夠滿足要求， 設置加強層僅能小幅度降低結構的整體周期和層間位移，并不能顯著提升結構性能，反而增加了施工難度，不利于工程的整體經濟效益，故該塔樓無需采用加強層。

表1 加強層對結構性能的影響

5 關鍵構件性能分析

塔樓38 層樓板存在斜撐托柱轉換，因此37 層的斜撐及相連的框架梁定義為關鍵構件。 設計人員利用MIDAS 軟件，提取中、大震作用下的最不利作用，對斜撐轉換區域進行有限元精細化分析，模型采用實體單元。 斜撐的豎向變形如圖3 所示，最大豎向位移為3.168mm，遠小于規范限值，保證了斜撐上方柱的豎向剛度。斜撐為全截面受壓，最大壓應力16.5MPa，斜撐上節點區、下節點區最大壓應力為13.9MPa，均小于C40 混凝土抗壓強度設計值限值。 框架梁受拉，其根部等效拉應力為0.45MPa，小于C40 混凝土抗拉強度標準值。

圖3 斜撐豎向變形

斜撐與框架梁在設防烈度地震和罕遇地震下的受力計算結果如表2 所示，斜撐與框架梁的承載力能夠滿足中震彈性、大震不屈服的性能水準要求。

表2 關鍵構件受力計算結果

6 結語

重慶華宇城3 號塔樓是一棟超高、平面扭轉不規則、豎向構件不連續的超限高層建筑。 設計人員對其進行了結構超限分析，采取了相應加強措施，保證了該建筑抗震性能滿足規范規定的性能目標。 由分析結果可知：對于平面相對規則結構，設計人員可通過優選梁截面、優化剪力墻界面的方式，達到改善結構剛度，減小X、Y 方向周期差的目的，并非必須設置伸臂桁架和環桁架；斜撐轉換節點需要進行實體單元分析，可按彈性設計，著重控制混凝土的拉應力。