廣州某超限高層辦公建筑結構設計與分析

張茜

（廣州市設計院集團有限公司）

1 工程概況

1.1 工程概況

廣州某超限高層辦公建筑，位于廣東省廣州市黃埔區。規劃總用地面積為8891m2，建筑面積51936.52m2。擬建項目包括1#塔樓、2#（辦公配套）等建筑物，建筑高度分別為135.7m 及10.8m。1#塔樓與2#裙樓之間從±0.000 標高起設縫脫開，1#塔樓為鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，裙樓及辦公配套為鋼筋混凝土框架結構體系。共設3 層地下室，面積約5700.8m2。本文主要針對1#塔樓展開分析。

1.2 結構設計條件

設計使用年限為50 年，抗震設防類別為標準設防類（丙類），結構安全等級為二級。1#塔樓地上建筑平面尺寸約46.7m×24.7m，結構最大高寬比為5.61。該地區抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。本項目風荷載作用按《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）取值，50 年重現期基本風壓為0.50kN/m2，承載力設計時按基本風壓的1.1 倍采用；場地粗糙度類別為C 類；考慮順風向風振作用。

2 結構選型

2.1 結構體系

本工程結構的嵌固端為地下室頂板，主屋面結構高度為135.7m。結合建筑平面布置，結構采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，屬B 級高度高層建筑[1]。

2.2 結構布置

本工程標準層結構布置如圖1 所示。標準層典型框架柱截面尺寸為1300mm×1300mm、1200mm×1200mm，典型剪力墻墻厚為500mm、450mm、400mm，典型主梁截面為500mm×700mm，典型次梁截面為300mm×600mm，核心筒內樓板厚度為130mm，核心筒外樓板厚度為110mm。

圖1 標準層結構布置平面

3 結構超限判定

3.1 超限判定

本工程的主要超限（不規則）判別情況如下：

⑴7 度區A 級高度鋼筋混凝土框架-剪力墻高層建筑的最大適用高度為130m，屬于高度超限（B 級高度鋼筋混凝土框架-剪力墻高層建筑的最大適用高度為180m）。

⑵本工程考慮偶然偏心的最大扭轉位移比計算值1.30，超過規范限值1.20，屬于扭轉不規則。

⑶本工程28 層平面X 向豎向構件收進大于25%，屬于豎向不規則中的尺寸突變。

⑷本工程首層局部有穿層柱，屬于局部不規則項。

⑸本工程無特別不規則及嚴重不規則項。

3.2 抗震性能目標

為應對結構超限狀況，本工程采用性能化設計，性能目標按高規設定為C 級。各結構構件抗震設計性能目標見表1。

表1 抗震設計性能目標

4 多遇地震作用分析及結果

4.1 振型分解反應譜法

B 級高度高層建筑結構，應采用至少兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算。本工程選用YJK 結構設計軟件和ETABS 進行對比分析。模型主要假定如下：

⑴上部結構嵌固于首層樓板處。

⑵根據高規第4.3.4 條規定，應考慮扭轉耦聯振動的影響[1]。本工程計算時采用考慮扭轉耦聯振動影響的振型分解反應譜法。

⑶根據高規第4.3.3 規定，本工程考慮單向地震時偶然偏心的影響[1]。

⑷根據高規第5.1.13 條規定，抗震計算時考慮的振型數應使振型參與質量不小于總質量的90%[1]。

主要分析結果如表2 所示。兩種軟件分析主要結果（周期、總質量、基底剪力、傾覆彎矩等）接近，規律一致。表明結構模型真實、可靠，且各項結構整體指標均滿足規范要求。

表2 整體計算結果匯總

4.2 彈性時程分析法

根據高規第4.3.4 條要求，本工程需進行多遇地震作用下的彈性時程分析[1]。采用YJK 軟件，計算了2 條人工波和5 條天然波，7 條波的峰值加速度均按規范多遇地震的35㎝/s2進行調整，結構阻尼比0.05。7 條地震波彈性時程分析與反應譜分析基底剪力比較結果表明：7 條時程波的基底剪力與反應譜剪力比值平均值，X向為106%，Y 向為107%。所選地震波滿足高規4.3.5 條要求[1]。

5 設防地震作用下抗震性能驗算

為了評估整體結構在中震作用下的構件受力特性，本工程采用YJK 軟件對整體結構進行了中震作用下的等效彈性計算。表3 為設防地震作用下結構整體計算結果及與多遇地震作用結果的對比。

表3 設防地震作用下結構整體結果

中震下，本工程的抗震設防性能目標為性能水準3：豎向構件剪力墻和框架柱均為抗彎不屈服，抗剪彈性，水平構件為部分抗彎屈服，抗剪不屈服。經驗算，水平構件箍筋須按小震包絡中震結果才能滿足中震性能要求；所有豎向構件均可滿足中震性能水準3 要求，且大部分豎向構件小震配筋結果大于中震配筋結果，豎向構件設計須包絡小震及中震結果。

中震雙向水平地震作用下，僅首層核心筒部分墻肢出現拉力，其余樓層豎向構件均無拉應力。首層剪力墻拉應力驗算簡圖見圖2，①和②剪力墻拉應力大于ftk。施工圖設計時，需增設大直徑鋼筋以滿足混凝土名義拉應力要求。①墻肢拉力為502KN，邊緣構件配置鋼筋面積As=502×1000/360=1395mm2，配6 條20 即可；②墻肢拉力為696KN，邊緣構件配置鋼筋面As=696×1000/360=1933mm2，配6 條22 即可。在風荷載作用下，核心筒墻肢沒有出現拉力。

圖2 中震下墻肢偏拉驗算

6 罕遇地震作用下抗震性能驗算

6.1 整體層面驗算結果

為分析整體結構在地震作用下的受力特性，本工程采用PERFORM-3D 進行結構動力彈塑性計算，采用結構抗震性能設計軟件PBSD 進行結構在罕遇地震下的性能評估。為了較為真實考慮結構鋼筋的影響，整個彈塑性分析模型的配筋采用小震配筋進行輸入。選擇了1 條人工波AR51439_1 和2 條天然波FKS021411171、HKD0590 22317 分別按X 向、Y 向為主方向(主次方向地震波峰值比例為1:0.85)進行雙向彈塑性時程分析，共需要計算6 個不同情況的彈塑性動力時程分析工況。主方向地震波峰值加速度為220㎝s2。

表4 為結構大震彈性響應與大震彈塑性基地剪力的對比結果。

表4 大震彈塑性與大震彈性基底剪力對比結果統計

罕遇地震作用下，結構的最大層間位移角如表5 所示。本工程層間彈塑性位移角限值為1/100，結構X 向及Y 向層間位移角的包絡值分別為1/217、1/239，均滿足規范限值要求。

表5 最大層間位移角統計

6.2 罕遇地震下構件性能評估

結果顯示，大震作用下關鍵構件的正截面無損壞，大部分關鍵構件斜截面抗剪彈性，小部分關鍵構件抗剪不屈服，但均滿足受剪截面要求，如圖3 所示。由此可知，關鍵構件能滿足第4 性能水準的要求。

圖3 地震工況包絡值下關鍵構件斜截面性能狀態圖

結果顯示，大震作用下普通豎向構件的正截面無損壞，鋼筋混凝土柱均達到斜截面抗剪彈性的性能狀態，非底部加強區的剪力墻大部分斜截面抗剪彈性，小部分抗剪不屈服，但均滿足受剪截面要求，如圖4 所示。由此可知，大震作用下普通豎向構件均無損傷，能滿足第4性能水準的要求。

圖4 地震工況包絡值下非底部加強區墻斜截面性能狀態圖

結果顯示，大震作用下耗能構件出現輕度損壞，能滿足第4 性能水準的要求。圖5 為鋼筋混凝土框架梁的正截面性能狀態統計。

圖5 地震工況包絡值下鋼筋混凝土框架梁正截面性能狀態圖

綜上所述，結構整體抗震性能良好，與預期塑性化過程吻合；本工程能夠達到預定的大震下性能目標。

7 專項分析

7.1 穿層柱分析

塔樓局部首層、二層柱為2 層通高，高度11.200m，截面為1200mm×1200mm、1400mm×1400mm。為提高穿層柱的抗震性能，在中震性能設計下，單獨調整穿層柱為性能水準2。圖6 計算結果表明，中震下穿層柱均可滿足中震性能水準2 要求，且中震計算結果均小于小震計算結果。

圖6 中震下穿層柱配筋結果

7.2 樓板應力分析

本工程二層大開洞，二十八層豎向收進，應對以上不規則樓層及相鄰樓層的樓板進行中震彈性應力分析，樓板采用平面殼單元模擬。

以二十八層為例，樓板加厚至150mm，中震作用下樓板X 向地震下最大主應力如圖7 所示。從計算結果看，在中震作用下大部分區域樓板正應力小于混凝土抗拉強度標準值ftk（C35 混凝土為2.2N/mm2）。局部如核心筒邊存在應力集中的情況，但范圍很小。因此，可認為在中震作用下，樓板面內不會產生貫通性的裂縫，能有效傳遞水平力。施工圖階段，對應力集中的部位對板配筋進行加強。

圖7 二十八層樓板板頂X 向地震下最大主應力分析

8 針對超限情況采取的主要措施

8.1 計算加強措施

⑴采用兩個不同的軟件YJK 和ETABS 進行分析對比，互相驗證，確保結構整體計算指標準確可靠；計算結果表明兩種不同的彈性分析程序計算結果基本吻合。

⑵采用彈性時程分析法進行多遇地震下補充計算，輸入2 組人工波和5 組天然波，結構地震效應取多組時程曲線的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。

⑶根據抗震中不同構件的重要性將構件分為關鍵構件、普通構件和耗能構件，并按C 級性能目標分別對其在設防地震、罕遇地震作用下進行等效彈性計算，并根據計算結果進行包絡設計。

⑷進行罕遇地震作用下的動力彈塑性分析，驗證結構在罕遇地震作用下的抗倒塌能力和破壞機制。

⑸對不規則樓層的樓板應力、穿層柱進行專項分析。

8.2 構造加強措施

⑴豎向構件：底部加強區剪力墻水平筋最小配筋率提高至0.35%，并應滿足中震抗剪彈性、大震抗剪不屈服的性能目標。

⑵水平構件：二層、三層穿層柱相關區域樓板加厚至150mm，配筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.25%，相關樓面梁加強設置貫通面筋、全部設置抗扭腰筋。

二十八層體型收進，樓板厚度150mm，配筋雙層雙向拉通，配筋率不小于0.25%；二十七、二十九層樓板配筋雙層雙向拉通；二十六～二十九層外框柱抗震等級提高至特一級。

9 結論

綜上所述，本項目平面布置較規則，結構傳力途徑簡單明確。在設計中充分利用概念設計方法，從分析和研究結構整體性能入手，對不同構件采用相應的性能化目標。在抗震設計中，采用不同程序或同一程序的不同計算方法對結構進行了小震彈性反應譜、小震彈性動力時程、中大震作用下不同性能水準的等效彈性計算、大震彈塑性計算分析。

計算結果表明，各項指標表現良好，滿足規范要求。根據計算分析結果和概念設計方法，對關鍵構件從計算與構造兩方面采取措施進行適當加強，從而保證本超限結構設計做到安全、經濟、合理。

因此，可以認為本結構除能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，本工程結構可以滿足預先設定的性能目標和使用功能的要求，并滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。