山東省某綜合營業樓超限高層結構設計

董興平

（山東省城鄉規劃設計研究院，濟南250013）

1 項目簡介

項目為金融業綜合營業樓（圖1），分主樓與裙樓兩個單體工程。主樓地下3層、地上20層，高度99.95 m，長約84.7 m，寬約34.0 m；首層層高6.6 m，2層、3層為5.7 m，4層為5.1 m，5～20層為4.5 m。裙樓高度23.25 m，長約72.0 m，寬約32 m；首層層高6.0 m，2層、3層為5.7 m，4層為5.4 m。地下部分：長約150 m，寬77.3～114.8 m（北寬南窄，呈梯形）；地下1層層高6.0 m，地下2層為4.8 m，地下3層為3.9 m。建筑總面積105 893 m2，其中地上66 300 m2，地下39 593 m2。裙樓使用功能1層為入口大堂和銀行營業大廳，2層為會議中心，3層是中心機房，4層是工會活動空間。主樓使用功能為銀行商務辦公樓及中心機房、檔案室等，16層布置為行政樓層，頂層布置為金融中心。地下共3層，地下1層結合下沉廣場布置職工餐廳和銀行管保區域；地下2層和地下3層均為車庫和設備用房。

圖1 效果圖Fig.1 Overview of Building

本項目結構安全等級為二級，局部為一級。結構設計使用年限50年，基本風壓0.45 kN/m2，重點設防類別。依據《工程場地地震安全性評價報告》，抗震設防烈度按照7度考慮，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第三組，建筑場地類別為Ⅱ類，地震特征周期0.45 s。中震及大震作用內力計算按規范規定的地震動參數取值［1］。

2 平面特點及結構體系

2.1 抗震縫及平面特點

本項目綜合營業樓分為主樓與裙樓，裙樓為L形。若主樓與裙樓連在一起，平面布置極其不規則，結構受力復雜。主樓及裙樓地上連接處設一道150 mm抗震縫，地下室連為一體。通過中震地震作用計算確定抗震縫寬度。增設抗震縫后，地上結構成為兩個獨立的抗震單體，設防概念清晰。

主樓及裙樓±0.000 m樓板與周邊車庫頂板存在高差約1.8 m。地下1層設有下沉廣場，約50 m×36 m。該廣場緊靠主樓南側框架柱邊緣及裙樓西側北側邊緣，導致主樓及裙樓嵌固層均下移至地下2層頂板處，地下1層形成局部多塔樓結構。主樓及裙樓結構嵌固部位均為地下2層頂板（-5.700 m），地下1層頂板（±0.000 m）嵌固包絡。

地下車庫坡道緊鄰地下室周邊外墻，地下室東北部存在多個大面積設備房，設備房內地下2層樓板局部開大洞。地下車庫坡道及設備房樓板的缺失，削弱了地下室外墻對大底盤的側向約束。

主樓1層及2層樓板開大洞，2層樓板有效寬度Y向約3 m，北側邊緣未閉合，樓板有效寬度小于50%，兩個核心筒之間聯系薄弱。裙樓凹凸不規則，南側外凸長度占比為56%，3層西側樓板開大洞。

地下1層至地上2層，6個躍層柱位于主樓北側及南側外圍。通高柱高度13～19 m。裙樓南側躍層柱高度約10.3 m。

2.2 結構選型

主樓采用框架-核心筒結構雙重設防體系，符合延性設計基本原則，具有多道抗震設防專線，抗震能力強。裙房平面大空間較多，剛度偏弱，局部方向為單榀框架，采用具有多道抗震設防專線的框架-剪力墻結構。

主樓與裙樓平面布置圖詳見圖2-圖5。

圖2 地下1層平面圖Fig.2 Layout of ground floor

圖3 主樓2層平面圖Fig.3 Layout of the second floor of the main building

圖5 主樓及裙樓3層平面圖Fig.5 Layout of third floor of main building and podium building

圖4 主樓標準層布置圖Fig.4 Layout of standard floor of the main building

主樓核心筒外圈剪力墻從基礎底至12.150 m厚700 mm，從12.150 m至屋面為500 mm、400 mm；核心筒內墻底層截面400 mm、300 mm，隨高度增加逐漸變為300 mm、250 mm、200 mm等。主樓底層躍層柱局部采用型鋼混凝土柱，截面最大1 200 mm×1 300 mm，其余框架柱隨高度增加逐漸變為1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm、800 mm×800 mm等。框架柱及抗震墻鋼筋混凝土標號為C35～C55。裙 樓 柱 截 面 為700 mm×700 mm、600 mm×600 mm、500 mm×500 mm等，剪力墻為300 mm、250 mm等，墻柱鋼筋混凝土標號C30～C35。

3 結構超限判別及關鍵構件抗震性能目標

3.1 超限綜合判別

依據《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）的相關規定，判別如下：

（1）扭轉不規則，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2。主樓2～3層Y向最大位移比1.25，大于1.20。裙樓最大位移比1.35，大于1.20。

（2）樓板不連續，主樓2層樓板開大洞，北側邊緣未閉合，樓板有效寬度小于50%。裙樓3層西側樓板開大洞。

（3）凹凸不規則，裙樓南側外凸長度占比56%。

（4）尺寸突變，多塔。主樓與裙樓形成一個以地下1層為大底盤的多塔樓結構。裙樓4層南樓收進39 m，長度占比56%。

（5）主樓7層、9層、11層、13層、15層、17層、19層有穿層柱，屬于局部不規則。

主樓及裙樓不規則項均大于3項，屬于抗震超限結構。

3.2 關鍵構件抗震性能目標[2-3]

根據本工程超限的特點，針對結構薄弱樓層、薄弱構件及設防關鍵構件采取性能化設計（表1）。結合彈性計算分析、彈塑性分析及局部位置的專項分析結果，對關鍵部位采取更進一步的加強措施。

表1 關鍵構件抗震性能目標Table 1 Seismic performance objectives of key components

本節重點介紹主樓性能化設計內容。考慮到主樓剪力墻底部加強區高度范圍內剪力墻及框架柱的重要性，著重對該區域內的關鍵構件進行性能化加強。加強范圍為嵌固層至標高12.150 m。

（1）主樓1層及2層樓板開大洞，降低了主樓的抗震性能。底部加強區內核心筒、躍層柱的抗震性能加強，地上1～3層地震作用標準值剪力放大1.25倍。

（2）加強3層以下核心筒的強度及剛度，核心筒抗剪承載力中震彈性及大震不屈服要求；小震計算時采用兩層（2層、3層）合一層并層計算包絡值。

（3）躍層柱保證中震彈性。小震計算時采用兩層合一層并層計算包絡值。

（4）3層樓板加厚加強配筋，中震樓板抗剪承載力彈性，大震下樓板抗剪承載力不屈服。

4 結構彈性分析

采用盈建科結構設計軟件YJKS進行小震彈性整體分析，ETABS軟件校核（表2）。結構計算采用整體及分塔包絡（主樓及裙樓獨立分析及組合模型分析）及嵌固層包絡。考慮地震偶然偏心、雙向地震作用，局部構件考慮豎向地震作用。現澆板大開洞周邊樓板均定義為彈性板，考慮現澆板的實際彈性變形影響。主樓樓層標高12.150 m以下，按照薄弱層加強。主樓框架分配的樓層地震剪力標準值的最大值不小于結構底部總地震剪力標準值的15%（由10%提高至15%）［4］。

表2 主要計算結果（括號內為ETABS結果）Table 2 Main calculation results（ETABS results in brackets）

主樓樓層標高12.150 m以下采取加厚混凝土墻等措施后，樓層剛度比滿足要求，整個主樓樓層未出現薄弱層。結構扭轉周期比均小于0.9。X，Y兩個方向的剪重比均大于1.6%。層間位移角均大于1/800，層間位移及最大位移比主樓為1.25，裙樓遠端為1.35。樓層剛重比均符合整體穩定要求，內力及變形分析時不用考慮P-Δ效應。兩種軟件的分析結果誤差很小，具有同樣的規律性，結構內力計算結果準確。

5 靜力彈塑性分析

為驗證罕遇地震下主樓的工作性能，采用YJKS盈建科結構設計軟件進行靜力彈塑性分析。推覆水平荷載采用規定水平力，地震影響系數最大值取0.5，特征周期0.5 s，阻尼比5%。共進行了X+，X-，Y+，Y-四種推覆工況，考慮P-Δ二階效應。非線性分析結果如表3所示。

表3 非線性分析結果Table 3 Nonlinear analysis results

最大層間位移角X，Y向分別出現在15層及18層，為1/349，小于規范規定的1/100，滿足規范相關規定［4］。

（1）性能點處的性能狀態：X向推覆，墻輕微損傷1.3%，梁3.9%，柱0.3%。墻級別為輕微損傷，出現在底部加強區以上區域。梁大部分損傷是與混凝土墻直接連接的框架梁及核心筒之間的連梁，框架柱及躍層柱基本完好。Y向推覆，墻輕微損傷0.7%，梁4.6%，柱0.4%。墻體為輕微損傷，出現在底板加強區以上區域。與混凝土墻直接相交的框架梁及核心筒之間的連梁大部分損傷，框架柱及躍層柱基本完好，見圖6、圖7。

圖6 X向推覆性能狀態Fig.6 Pushover performance status in X direction

圖7 Y向推覆性能狀態Fig.7 Pushover performance status in Y direction

（2）出鉸分析：X向推覆，隨著推覆加載，結構上部樓層西側框架梁（框架梁與混凝土墻直接連接）出鉸，而后上部樓層東側開始出鉸及核心筒外筒連梁端部破壞，框架柱基本完好，局部墻體有輕微損傷。Y向推覆，隨著推覆加載，結構上部樓層南側框架梁（框架梁與混凝土墻直接連接）出鉸，而后上部樓層北側開始出鉸及核心筒外筒連梁端部破壞，框架柱基本完好，局部墻體有輕微損傷。

（3）受壓損傷基本未出現，局部短墻肢受拉損傷，未有嚴重的破壞。

（4）水平構件（連梁、框架梁）作為第一道抗震防線耗能退出，達到了預期設防目標。

（5）隨著推覆加載，剪力墻出現局部輕微損傷。在大震性能點處，剪力墻起到第一道防線作用。出鉸破壞均為水平耗能構件，而框架柱基本完好，起到二道防線的作用。在大震性能點處，結構豎向構件基本保持彈性，重要構件抗震性能表現良好。

（6）加載到性能點后推覆繼續加載，上部樓層框架梁及連梁損傷逐漸加重，由輕微—中等—較重—破壞退出演變。破壞的構件從上部樓層逐漸向下部樓層延伸。剪力墻底部加強區相鄰上部樓層剪力墻逐漸出現破壞，同時一部分框架柱底部出鉸破壞。隨著破壞構件的增多，底部加強區的剪力墻也出現了輕微—中等的損傷，核心筒之間的連梁破壞退出，但底部加強區內的框架柱基本未出現損傷。

6 樓板應力分析

主樓2層為樓板開大洞，核心筒之間樓板聯系較弱，為加強核心筒之間的連接性能，2層樓板加厚至200 mm。由于2層北側樓層處未設框架梁，呈現缺口狀，導致上部樓層水平地震力借助于3層樓板傳遞。同時為協調東西核心筒變形及工作性能，3層樓板也采取加厚處理，板厚200 mm，增大樓板面外剛度。為保證設防地震、罕遇地震下樓板的抗剪承載力性能，設計時對2層、3層樓板進行了中震及大震的應力分析。

樓板應力分析采用YJSK盈建科結構設計軟件，定義樓板為彈性板。總計分為兩個工況：工況1，中震應力分析；工況2，大震應力分析。

（1）工況1：3層樓板主應力除局部剪力墻附近應力集中以外，絕大部分為0.8～1.0 MPa，沿剪力墻周邊最大應力可達1.8 MPa。大部分樓板剪應力為0.5～0.7 MPa，剪力墻周邊最大應力可達1.3 MPa。

2層樓板主應力個別應力集中，一般為0.3～1.0 MPa，剪力墻周邊最大應力可達1.8 MPa。大部分樓板剪應力為0.4～1.0 MPa，剪力墻周邊最大應力可達1.4 MPa。

樓板計算配筋基本為構造要求，配筋率0.25%雙層雙向即可滿足，局部配筋面積最大處為800 mm2。

（2）工況2：3層樓板主應力除應力集中以外，一般為1.2～1.7 MPa。樓板剪應力，絕大部分為1.5～1.6 MPa。

2層樓板主應力除應力集中以外，絕大部分為1.5～1.7 MPa。樓板剪應力，絕大部分為1.0～1.6 MPa。

樓板計算配筋基本為構造要求，配筋率0.25%，雙層雙向即可滿足，局部配筋面積最大處為1 200 mm2。

（3）本工程樓板混凝土標號C35，雙層雙向配筋面積為1500 mm2。中震、大震下混凝土樓板不會導致大范圍樓板開裂。

7 溫度應力分析

主樓長約84.7 m，裙樓長約72.0 m，地下部分長約150 m，寬77.3～114.8 m。建筑物長度均超過《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［5］規定，應增設溫度伸縮縫。考慮到建筑使用功能等因素，主樓、裙樓單體及地下部分均未增設溫度收縮縫，進行溫度內力計算，優化配筋結果，采取構造措施控制溫度裂縫。本節主要結合主樓溫度應力分析情況闡述溫度應力對主樓梁、板、墻、柱內力影響規律，并采取一系列措施保證結構安全［6］。

溫度應力分析采用YJKS盈建科結構設計軟件。溫度作用分析按照《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）［7］要求，考慮最大升溫、最大降溫工況均勻溫度作用，詳見規范［7］9.3.1條。計算時取整體溫差（+15℃，-15℃）。溫度應力荷載組合考慮恒載、活載、風載的各工況荷載組合，組合系數0.6，分項系數1.5。溫度升溫及降溫變形如圖8、圖9所示。底部樓層在溫度作用下承擔了較大的壓力和拉力。升溫時結構頂部膨脹趨勢明顯，降溫時結構頂部收縮明顯。

圖8 升溫工況Fig.8 Heating up condition

圖9 降溫工況Fig.9 Cooling condition

（1）主樓頂部幾個樓層的框架梁（連接內筒與邊柱的框架梁）溫度應力影響較大，配筋應復核加強。

（2）溫度應力作用下底部樓層墻柱內力重分配，在升溫及降溫時會產生一定的拉壓力，對墻柱軸壓比影響較大。設計時應嚴格控制墻柱軸壓比（地下3層至地上4層），防止軸壓比超限，應留出一定的富裕度。

（3）主樓結構下部樓層（地下3層～地上4層）的梁板出現拉壓軸力，應增設溫度筋，適當增大梁板構造配筋率。

（4）主樓核心筒之間與周邊的樓板，因為受到剪力墻的約束作用，導致溫度應力集中，樓板配筋時應加大配筋率。

（5）局部樓層大跨度梁對溫度作用較敏感，應適當加強配筋。

8 空腹梁內力分析

本工程局部大空間采用空間網格板體系（鋼筋混凝土空腹夾層板樓蓋結構），詳見貴州市地方標準《鋼筋混凝土空腹夾層板樓蓋結構技術規程》（DB 22/48—2005）［8］。本次采用Ⅰ型空腹加層板，即底板沒有薄板，簡稱為空腹梁。樓蓋長×寬為39 m×26.4 m，網格間距1.95 m×1.95 m。采用板-空間梁柱單元有限元分析和計算，精確模擬梁板柱在荷載作用下的實際內力變形。本節進行了三種工況下的內力分析。

工況1，空腹梁上下肋及剪力鍵截面不變，空腹梁的高度從1 000 mm變化至1 600 mm。上下肋截面400 mm×400 mm，剪力鍵400 mm×400 mm。內力統計折線詳見圖10。

圖10 內力折線圖Fig.10 Internal force line chart

工況2，空腹梁高度及剪力鍵截面不變，改變上下肋截面。空腹梁高度1 400 mm，剪力鍵400 mm×400 mm。內力統計折線詳見圖11。

圖11 內力折線圖Fig.11 Internal force line chart

工況3，空腹梁高1 400 mm，上下肋截面300 mm×300 mm，改變剪力鍵截面，分析結果見表4。

表4 內力結果Table 4 Internal force results

對數據進行統計分析，得出結論如下：

（1）空腹梁高度取值越大，各構件內力變化越平緩。空腹梁高度較小時，空腹梁端部及跨中桿件內力變化幅度較大，上下肋、剪力鍵采取分段變截面設計更合理，同時應加強支座附近區域桿件。

（2）確定空腹梁的桿件截面時，上下肋軸力起決定性作用。應重點加強局部區域剪力鍵設計，防止剪力鍵斜截面過早破壞。

（3）在保證空腹梁承載力及正常使用能力狀態的同時，減小上下肋截面可以取得一定的經濟效果。

（4）剪力鍵截面在調整空腹梁的剛度方面作用較小。應在重點區域加強剪力鍵截面，不宜大面積增大剪力鍵截面。

9 結構設計難點及加強措施

（1）地下車庫坡道緊鄰地下室周邊外墻，使地下室外墻周邊形成樓板大洞口，地下室頂板水平力傳導中斷，導致主樓及裙樓的有效側向約束降低。在地下車庫通道部位增設垂直于地下室外墻的鋼筋混凝土墻，均勻布置，增加水平力傳導路徑，可以增強地下室剛度及對主樓裙樓的側向約束。

（2）主樓1層及2層樓板開大洞，降低了主樓的抗震性能。底部加強區內核心筒、躍層柱的抗震性能加強，地上1～3層地震作用標準值剪力放大1.25倍，核心筒地震力標準值放大1.1倍，框架的地震剪力標準值增加到底部總剪力標準值的15%。保證核心筒抗剪承載力滿足中震彈性及大震不屈服要求；小震計算時采用兩層（2層、3層）合一層計算包絡值，并層計算層剛度比。底部加強區框架梁柱、抗震墻抗震等級提高一級。

（3）躍層柱采用并層計算。在性能化設計的基礎上內設型鋼提高框架柱的延性，外框長柱按照短柱的剪力復核承載力，躍層柱抗震等級提高至特一級。2層、3層樓層處形成閉合雙向鋼暗框架（型鋼梁柱）。2層薄弱處樓板及3層樓板加厚加強并按照中震與大震復核平面內的承載力，達到預期性能化目標。

10 結論

本文通過對設計加強措施的總結，指出工程設計過程中容易忽略的重要因素，積累了設計經驗，為后續進行類似建筑工程設計提供了有益的參考價值。主要結論如下：

（1）針對本工程的超限情況，首先應強調結構概念設計，優選結構體系。主樓框架核心筒體系及裙樓框架剪力墻體系具有多道抗震設防專線。

（2）設計時應采取針對性的加強措施，使結構在彈性及大震彈塑性等分析下各項計算指標均滿足規范要求。性能化設計目標是合理的，剪力墻底部加強區及躍層柱等關鍵構件表現出很高的延性性能。

（3）補充樓板應力專項分析及整體結構溫度應力計算是必要的，在設計過程中起到了重要的指導作用。

（4）空腹梁高度及桿件截面均影響內力分布。梁高度較小時，上下肋、剪力鍵采取分段變截面設計更合理。同時應注意剪力鍵的抗剪設計。