某帶裙房超限高層公寓結構設計

□□ 鄭慧敏

(太原市建筑設計研究院，山西 太原 030009)

1 工程概況

該工程為某地塊1號樓項目。項目位于城市主干道交匯處，緊鄰城市地鐵線。主樓采用鋼管混凝土框架結構體系，設置兩個加強層；裙房采用鋼管混凝土框架-鋼支撐體系。主樓與裙房連為一體。由于裙樓存在較多不規則，且主樓與裙房偏心距較大，引起整體結構超限。主樓及裙房均為地下4層，結構地面標高為-17.710 m；地上部分，主樓為32層，高度為149.96 m；裙房為5層，高度為27.36 m。-4～-2層主要功能為車庫；-1～5層主要功能為商業，局部4～5層為影院；主樓6層及以上為公寓，其中11層、23層為避難層。裙房鋼管柱伸至地下一層，主樓鋼管柱伸至基礎。建筑物總高為149.96 m。該工程安全等級為二級，結構重要性系數為1.0。超高層建筑效果如圖1所示。

圖1 超高層效果圖

2 地基與基礎設計

該項目主樓樓層較多，豎向構件底部荷載較大，根據太原市類似工程的設計經驗，主樓核心筒采用鋼筋混凝土后壓漿灌注樁-筏板基礎，主樓及裙房框架柱采用樁-承臺基礎。

該工程主體核心筒區域下滿布后壓漿灌注樁，樁長為46.0 m，樁徑為800 mm，樁端持力層為第8層粉質黏土層，抗壓承載力特征值≮6 000 kN；框架柱采用柱下布樁，樁長為46.0 m，樁徑為800 mm，樁端持力層為第8層粉質黏土層，抗壓承載力特征值≮6 000 kN。裙房樁長為20.0 m，樁徑為700 mm，樁端持力層在地面下第6層粉質黏土層，抗壓承載力特征值≮3 000 kN。

3 結構超限情況

根據《山西省抗震設防超限高層建筑工程界定規定》對不規則建筑的規定，該工程超限情況有：相鄰層質心相差20%、五層開洞面積為55%、設置2個加強層抗剪承載力突變、裙房北側及中庭存在穿層柱、局部鋼梁外挑超4 m。

針對上述超限情況，該工程從結構體系的選擇、抗震等級的確定、設計內力調整、增強重要構件的延性(軸壓比和剪壓比控制、材料選取、設置邊緣構件、型鋼混凝土構件)等方面采取了相應的加強措施。

3.1 結構體系選擇

主樓采用鋼管混凝土框架結構體系，即鋼筋混凝土核心筒與伸臂桁架混合，裙房采用鋼管混凝土框架-鋼支撐體系。鋼筋混凝土核心筒和支撐承擔大部分地震荷載產生的水平側力，而剪力墻洞口連梁的設置既起著調節和保證剪力墻側向剛度的作用，同時在遭受強烈地震時，多數連梁在墻肢屈服之前首先屈服，發揮其塑性變形能力，耗散地震能量，有效減輕主體結構構件的損壞。為增加結構整體剛度，在23層及頂層沿東西方向設置五道整層高的伸臂桁架。

3.2對底部裙樓偏置引起的扭轉位移比過大所采取的措施

(1)在裙房及主樓西北角設置五道鋼支撐，來減小質心剛心偏置引起的扭轉位移比偏大的情況。

(2)小震下控制裙房柱軸壓比<0.6，以增加結構延性。

3.3對底部裙樓部分樓板開大洞的驗算及構造加強措施

(1)增加構件的性能設計，裙房開大洞四周柱性能目標定為中震彈性。

(2)由于4層頂樓板開有大洞口，局部樓板缺失面積達到55%，為如實反映該層樓板的空間工作特性，防止其因承擔過多的水平剪力和變形，在樓板薄弱處較早的進入塑性變形甚至破壞狀態，造成結構的安全隱患，對樓板計算采用符合其受力的彈性樓板模型進行驗算，并根據中震不屈下樓板的應力圖進行設計，選定該層樓板厚度為150 mm、混凝土強度等級為C35、14@150雙層雙向配筋，以適當提高其抗拉承載力和抗拉剛度。

3.4 增強核心筒延性的措施

為改善混凝土核心筒的延性，采取了以下措施：

(1)核心筒底部加強部位墻肢內設置型鋼，鋼梁與核心筒連接部位全高設置型鋼，墻體軸壓比控制在0.45范圍內。

(2)核心筒、加強層及其上下各一層柱按特一級構造。

(3)底部加強區及加強層剪力墻墻體配筋率提高至0.6%；底部加強區剪力墻邊緣構件體積配箍率提高20%。

(4)中震作用下，拉力由全截面承擔。

(5)加強層及其相鄰上下層核心筒墻肢應按底部加強區部位要求設置并設置約束邊緣構件。

(6)水平結構體系與措施。框架梁及次梁采用H型鋼梁，以利于減輕結構自重。為加強結構整體性，核心筒內采用現澆鋼筋混凝土樓板，板厚為150 mm，核心筒外采用鋼筋桁架樓承板，板厚為110 mm。對開洞部位樓板進行中震應力分析，加厚樓板加強其配筋。

(7)加強層結構體系與措施。為增加加強層的整體性，加強層及上一層核心筒內、外均采用現澆鋼筋混凝土樓板，板厚為200 mm，采用雙層雙向配筋，配筋按照中震不屈下樓板受力配筋，以適當提高其抗拉承載力和抗拉剛度，協調柱與核心筒變形和傳遞水平力，提高抗側及抗扭剛度。

4 上部結構設計

4.1 地震作用結構抗震基本參數

根據GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》規定，結構抗震設防類別：1～5層為乙類；6至頂層為丙類。結構分析和設計參數見表1。

表1 建筑結構及設計參數

4.2 結構體系

該項目主體結構總高度為149.96 m。基于建筑與結構綜合考慮，采用鋼管混凝土框架(鋼筋混凝土核心筒與伸臂桁架混合)結構體系；裙房采用鋼管混凝土框架-鋼支撐體系。

4.3 結構抗震性能目標

參考JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》3.11節條文說明中的舉例及相關說明，綜合考慮該工程結構的安全性和經濟性，將該工程抗震性能目標定義為C級。根據結構構件的重要性將整體結構構件分為三大類：

(1)結構構件(關鍵構件)：底部加強區(1～5層)、加強層(23層及32層)及其相鄰層的核心筒墻；伸臂桁架、與伸臂桁架相連的框架柱；全樓角柱; 五層樓板開大洞四周框架柱。

(2)結構構件(普通構件)：非底部加強區及非加強層核心筒墻、除角柱以外的框架柱。

(3)結構構件(耗能構件)：框架梁、連梁及裙房支撐。

4.4 結構彈性分析結果

結構計算模型如圖2所示，其結構彈性分析結果見表2。

表2 結構彈性分析結果

圖2 結構計算模型

X、Y方向的振型參與質量為95.73%及96.07%(PKPM結果)，92.62%及93.77%(MIDAS結果)滿足JGJ 3中90%的要求。

第一扭轉振型周期與第一平動周期的比值為0.76(PKPM結果)和0.75(MIDAS結果)，小于JGJ 3中的限值0.85。

4.5 大震彈塑性時程分析

該工程共選擇了兩組天然波和一組人工波共三組地震波來進行結構的罕遇地震彈塑性時程分析。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PKPM-SAUSAGE(PKPM Seismic Analysis Usage)。結構塑性損傷情況如下：

(1)結構外框架型鋼梁中最大塑性應變為0.002 3，屬于輕度破壞，塑性應變區域主要集中在底部和中部。加強層支撐未出現塑性應變。其余部位未見明顯塑性應變。

(2)外框架鋼管混凝土柱未出現受壓破壞。

(3)鋼管混凝土柱中鋼材沒有發生塑性應變，結構整體具有較大的安全儲備。

4.6 伸臂桁架典型節點分析

采用 ABAQUS6.11進行三維幾何實體建模與有限元計算，如圖3和圖4所示。

圖3 節點示意圖

圖4 大震工況組合作用下節點-應力分布

取 23 層伸臂桁架兩個節點進行三維實體建模分析，考慮了多遇地震、中震彈性和罕遇地震三種工況組合。計算結果表明：

(1)所有荷載組合作用下節點區域的鋼板應力均小于Q390的屈服應力，處于彈性工作狀態，滿足設計要求。

(2)豎向荷載作用下最大應力為38.89 MPa，發生在節點板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應力。

(3)多遇地震組合作用下，最大應力為130.1 MPa，發生在支撐與鋼梁翼緣連接根部，小于Q390的屈服應力。

(4)中震不屈作用下，最大應力為291.7 MPa，發生在節點板與箱型斜腹桿翼緣連接處，小于Q390的屈服應力。

(5)罕遇地震組合作用下，最大應力為378.5 MPa，發生在支撐與鋼梁翼緣連接根部，小于Q390的屈服應力。

5 結語

綜上所述，該工程雖然存在裙房與主樓相鄰層質心相差20%、五層開洞面積55%、設置2個加強層抗剪承載力突變、裙房北側及中庭存在穿層柱、局部鋼梁外挑超4 m等超限情況，但通過結構的合理布置調整和對關鍵構件的加強，可以滿足JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求和該工程的抗震性能目標要求。通過對結構薄弱部位采取合理的加強和構造措施，該工程的結構安全性能得到保證，并能滿足建筑物的使用要求。