帶塔樓偏置的商業超限高層結構設計與分析

袁 升，段 貝，程俊婷

1.浙江省建筑設計研究院，浙江 杭州 310006

2.中機工程有限公司，浙江 杭州 310016

1 工程概況

杭州嘉里城市之星項目（4#地塊、5#地塊）位于杭州下城區，是集購物、休閑、酒店、辦公于一體的商業綜合體建筑工程。設計方案均為一棟帶裙樓的高層塔樓，地下室共4層，且兩地塊連為一體。4#地塊地上建筑面積約為4.94萬m2，地上有18層，總高度為84.2m，其中裙房有6層，總高度為23.1m；5#地塊地上建筑面積約為3.79萬m2，地上有9層，總高度為53.5m，其中裙房有6層，總高度為23.1m。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

該項目主體結構的設計基準期和使用年限均為50年，建筑結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1[1]?？拐鹪O防烈度為7度（0.10g），設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，建筑抗震設防類別為重點設防類（乙類）。

該項目采用《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）[2]中風荷載進行結構設計。塔樓位移驗算時，基本風壓w0按50年一遇標準取0.45kN/m2。地面粗糙度按B類，風荷載體型系數取1.4。

2 結構設計

2.1 結構體系

該項目兩棟樓均采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系。將剪力墻作為主要的抗側力體系，能夠有效地承受地震作用和風荷載引起的水平剪力?？蚣苤靶睋巫鳛榭箓攘Φ牡诙婪谰€，同時也能配合建筑立面的要求。地下室樓面主要采用現澆鋼筋混凝土梁板系統，地上樓面主要采用現澆鋼筋混凝土梁+疊合樓板系統。以5#地塊為例，其抗側力構件如圖2所示。

圖2 抗側力構件

2.2 性能化設計目標

該項目存在塔樓偏置、裙房多層樓板大開洞、若干豎向構件不連續等平面和豎向不規則，屬于特別不規則的超限結構。按《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質〔2015〕67號）的要求進行性能化設計，抗震性能目標定為C[3]。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第3.11節確定塔樓各構件的性能要求，并提高其中特別關鍵構件的設計性能要求[4]。按《建筑抗震設計規范（2016年版）》（GB 50011—2010）[5]表M1.1.1-2中性能要求3確定各地震水準下塔樓的層間位移變形要求。結構各構件的具體性能目標如表1所示。

表1 結構構件性能目標

2.3 結構主要抗震加強措施

（1）增加裙房屋面的樓板厚度至160mm，裙房屋面及上、下層樓板配筋采取雙層雙向拉通配置，提高板每層每向鋼筋配筋率，使其不小于0.3%，對裙房大開洞相鄰板增加板厚并提高配筋率。

（2）對于主樓與裙房相連的外圍框架柱，從裙房屋面上一層標高以下高度范圍內，提高柱縱向鋼筋的配筋率。大底盤上下各兩層主樓周邊框架柱的抗震等級提高一級（4#地塊按特一級、5#地塊按一級采用抗震構造措施）。

（3）提高轉換部分（抬柱轉換）框架的抗震等級。采用型鋼混凝土梁柱作為轉換構件，控制框架柱軸壓比不大于0.6，箍筋全高加密，且配箍率不小于1.5%，鋼骨率不小于5.0%[6]，同時增加轉換部位所在標高樓板厚度。

（4）對于主樓與裙房相連的外圍相關范圍框架梁，提高其配筋率且梁面鋼筋采取拉通配置；裙房遠離主樓一側兩跨范圍抗側力構件抗震措施提高一級[7]。

3 結構分析

3.1 多遇地震作用下的結構彈性

多遇地震下的整體彈性分析采用YJK和SATWE兩種軟件進行比較計算，計算結果如表2所示。由表2可知，兩種力學模型計算下的彈性分析結果基本一致，周期比、位移比、位移角、剛重比、剪重比等參數均滿足規范要求。

表2 多遇地震作用下的彈性分析主要指標比較

因為4#地塊和5#地塊總重量接近，且4#地塊高度更高、剛度較小，所以兩棟樓的底部總剪力非常接近。同時4#地塊樓層數明顯多于5#地塊，因此高度較低的5#地塊的每層抗側力構件所承受的水平剪力反而更大，可由剪重比體現。綜上，結構工程師對于這種高度不高但平面較大的“矮胖型”建筑，需要盡量控制剪力墻間距，間距不宜過大，滿足墻肢在大震下的剪壓比要求。

3.2 多遇地震作用下的彈性時程

為校核振型分解反應譜法的計算結果，采用YJK對其進行多遇地震作用下的彈性時程分析補充驗算，選用2條天然地震波和1條人工波。時程分析所得的基底剪力和規范反應譜（即振型分解法CQC）所得的基底剪力對比如表3所示。由表3可知，時程分析所得的基底剪力均大于規范反應譜所得的基底剪力的65%，時程分析所得的平均基底剪力大于規范反應譜所得的基底剪力的80%，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2010）第5.1.2條的要求。介于篇幅，以下所有結構分析只給出5#地塊結果。

表3 基底剪力

將時程分析所得的各樓層剪力的包絡值與反應譜結果進行比較，對反應譜的各樓層采取放大處理，放大系數取兩者相應樓層剪力之比。

3.3 設防地震作用下的結構

基于性能的設計要求，豎向構件的結構正截面承載力需要滿足中震不屈服設計要求，斜截面承載力需要滿足中震彈性設計要求。在進行中震驗算時，地震作用不考慮與抗震等級有關的增大系數，阻尼比取0.07，周期不折減。經計算，一層框架柱的最大軸壓比為0.53，最大剪壓比為0.04；一層剪力墻的最大軸壓比為0.4，自大剪壓比為0.17，均滿足規范要求。中震計算下各結構構件配筋率較合理，可以達到相應性能要求。

3.4 罕遇地震作用下的結構彈塑性

為保證結構在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，采用PKPM做Pushover分析，以評估結構在罕遇地震作用下的性能。側向力采用倒三角形荷載，作用于X、Y兩個方向，考慮P-Δ二階效應的影響。

根據7度0.1g罕遇地震作用下相應的能力譜和需求譜曲線，X向性能點對應的基底剪力為121988.4kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的5.2倍，對應結構有效周期為1.314s，性能點附加阻尼比為0.042，對應的最大層間位移角為1/288；Y向性能點對應的基底剪力為109996.1kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的6.2倍，對應結構有效周期為1.482s，性能點附加阻尼比為0.033，對應的最大層間位移角為1/269。兩個方向的性能點對應的層間位移角均小于1/100，可以滿足“大震不倒”的性能要求。

從整個推覆過程的出鉸狀態來看，核心筒內的連梁和框架梁端首先出鉸，當結構達到性能點時，剪力墻和框架柱均無出鉸，剪力墻頂部局部位置出現破壞，但不影響整個結構，總體上符合預期的抗震性能設計目標。

4 結論

（1）對于存在塔樓偏置的高層建筑，可以采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構體系，形成二道防線；合理布置剪力墻，保證設防地震作用下墻肢的平均拉應力不大于2倍混凝土抗拉強度。

（2）體型收進部位的豎向構件需加強，通過提高抗震等級、縱向鋼筋配筋率、箍筋加密等措施保證體型變化的上下層剛度差距不宜過大，避免形成薄弱層。

（3）通過多遇地震和設防地震下的彈性分析、罕遇地震彈塑性分析指導結構設計，實現相對應的性能化目標。

（4）對于高度不高但剛度較大的結構，要根據平面布置剪力墻，保證間距不宜過大，控制大震下墻肢的剪應力。