某底部多層架空錯層的超限高層結構設計

摘要：本文以一棟逐漸收進、核心筒偏心布置、底部為多層架空錯層的鋼筋混凝土框架-核心筒高層結構為例，對結構含有扭轉不規則、樓板不連續、尺寸突變、構件間斷等多項不規則項的復雜超限高層建筑進行結構分析和設計。通過采用盈建科、邁達斯等多個程序，對不同情況下多個模型的結構分別進行了小震、中震和大震作用下的計算分析，并針對項目中的不規則項進行專項性能化分析及采取相應的加強措施。計算結果表明，該結構能夠滿足設定的性能目標。

關鍵詞：位移比；樓層側向剛度；錯層結

中圖分類號：TU311"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：2096-2118（2024）06-0056-06

Design of an Overlimit High-Rise Structure with Multi-Storey

Overhead Split-Level at the Bottom

WANG Xitang，ZHU Jinwang

（Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research Co.，Ltd.，Shenzhen Guangdong 518031，China）

Abstract：This article takes a reinforced concrete frame core tube high-rise structure that gradually retracts，with an eccentric arrangement of the core tube and a multi-layered overhead staggered bottom as an example to analyze and design a complex over limit high-rise building with multiple irregularities such as torsion irregularity，floor discontinuity，size mutation， and component discontinuity.By using multiple programs such as Yingjianke and Midas，the calculation and analysis of structures respectively under small，medium， and large earthquakes were carried out for multiple models in different situations.Special performance analysis was carried out for irregular items in the project，and corresponding strengthening measures were taken.The calculation results indicate that the structure can meet the set performance goals.

Keywords：displacement ratio；lateral stiffness of floor；split-level structure

1 工程概況

本項目位于深圳市，總建筑面積約為6萬m2。項目由一棟高層塔樓和地下室組成，塔樓高度99.1 m，地上22層，塔樓為逐漸退臺偏心布置、底部多層架空錯層的超限高層建筑，地下室2層，埋深約10.6 m。塔樓是一棟綜合性的建筑，4層設置為架空休閑功能，11～12層為體育館，形成了2個架空的空間。塔樓采用框架剪力墻結構，第4層、12層為托柱轉換層，底部1～4層設置大范圍架空。項目建筑效果見圖1。塔樓的典型平面見圖2。

2 設計參數

結構設計參數見表1[1-4]。

3 結構體系

結合建筑體型、功能等，考慮結構高度、地震烈度、經濟性等因素，結構型式以塔樓為主，采用框架-剪力墻結構。剪力墻均布置在樓電梯間部位，為滿足底層剪力墻傾覆力矩占比gt;50%，在裙樓樓梯間設置了剪力墻墻體，剪力墻墻厚取200 mm～600 mm（見圖3）。建筑平面布置近似矩形，裙樓尺寸約為79.70 m×77.70 m，塔樓尺寸約為29.90 m×56.00 m。剪力墻的底部加強區范圍：地下室頂板～2層樓頂。

框架柱按合理、適用、經濟柱網布置，同時兼顧建筑外立面造型要求。框架柱主要截面為1 200 mm×1 400 mm～800 mm×800 mm?？蛑е?～12層采用型鋼混凝土柱，其含鋼率在6層及以下為7.01%，第7層～12層含鋼率為4.5%～4.7%，往上采用鋼筋混凝土柱截面。轉換梁梁截面尺寸為：1 100 mm×2 400 mm；主梁截面尺寸主要為：600 mm×800 mm～400 mm×800 mm。本項目上部宿舍樓面采用裝配式樓板，室內樓面板厚130 mm，屋面板厚150 mm，裙房范圍板厚150 mm～160 mm，地下室頂板板厚為180 mm～250 mm。

4 結構超限判別及性能目標

4.1 超限判別

項目含有扭轉不規則、樓板不連續、尺寸突變、構件間斷等多項不規則項，應進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查。

4.2 性能目標

針對本項目的超限情況，根據《住房城鄉建設部關于印發lt;超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點gt;的通知》（建質[2015]67號）《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010（2016年版）及《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3—2010的相關規定，選擇抗震性能目標為C類。對應的各類構件、不同水準的抗震性能目標見表2。

5 整體計算分析

5.1 計算分析及軟件

1） 采用YJK（2.0.3版）和Midas Building（2019版）兩個軟件，對塔樓進行了小震彈性階段的對比分析，結構整體指標一致，符合規范關于承載力、變形、舒適度等各項要求。

2） 采用YJK軟件進行了彈性時程分析，比較了反應譜和時程分析結果的差異，上部樓層地震作用取二者較大值進行設計。

3） 采用YJK軟件進行反應譜法近似計算中震地震效應，驗證了各類構件的中震性能符合預期的性能目標。

4） 利用YJK軟件采用有限元進行了轉換層樓板、薄弱連接樓板的應力分析，根據分析結果驗證了樓板的性能可以滿足預期性能目標，并提出了針對性加強措施。

5） 利用SAUSAGE軟件進行大震彈塑性動力時程分析，結構在大震作用下的層間位移角符合規范要求，結構底部剪力在合理范圍內，各類抗側力構件的性能符合預期性能目標。

5.2 分析結果

5.2.1 小震作用與風荷載分析結果

小震彈性階段采用YJK（2.0.3版）和Midas Building（2019版）兩個軟件，對結構整體指標和主要結果進行對比分析。模型輸入參數見表3，兩個軟件的主要計算結果見表4[5]。

計算結果表明，采用兩個不同計算內核軟件分析得到的主要結果及趨勢基本吻合。結構周期比、剪重比、層間位移角、剛度比、剛重比等整體指標均符合規范要求。其中位移比在裙房范圍多層超過1.2限值要求，屬于不規則項。

5.2.2 中震作用分析結果

采用廣東省標準《高層建筑混凝土結構技術規程》DBJ 15—92—2013中的等效彈性方法，利用YJK軟件對結構進行設防烈度下的結構抗震性能目標驗算。結構分析的主要參數和假定見表5，其主要計算結果見表6。

通過對結構構件計算，對薄弱部位和關鍵部位采取針對性加強措施，各構件均滿足預設的性能設計目標，結構整體上滿足設防烈度地震下性能目標的要求。

5.2.3 大震作用下動力彈塑性分析結果

按《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010（2016年版）要求，選取兩條天然波和一條人工場地波進行大震動力彈塑性時程分析。對比YJK線彈性分析與設計模型以及SAUSAGE彈塑性計算模型的總體計算指標結果見表7。

根據計算結果，結構在大震下未出現明顯的塑性變形集中區和薄弱區。X向層間位移角最大值為1/215，Y向層間位移角最大值為1/160，小于預設的性能目標限值1/100，滿足要求。根據結構的損傷分布情況，針對薄弱構件進行加強。底層剪力墻補充等效彈性方法驗算剪力墻的抗剪截面及抗剪承載力驗算。結構整體上滿足大震下性能目標的要求。

6 專項分析及加強措施

6.1 托柱轉換構件

本項目第4層和第12層設置托柱轉換結構，轉換梁承載力計算時均考慮豎向地震作用影響[6]。為保證轉換梁的傳力清晰，應弱化上部框架的整體空腹桁架效應，做好施工模擬分析。在計算轉換構件配筋時，上部框架可采用點鉸的方式確保上部結構豎向荷載全部傳遞到轉換梁上。

6.2 塔樓與裙樓交界處樓板大開洞對結構的影響

本工程塔樓與裙樓交界處，塔樓主要豎向受力構件的轉換柱在底部2～4層架空通高，5層樓面梁為轉換梁構件。對轉換柱而言，相當于形成錯層的情況，現對該部位進行專項分析，步驟如下：①分別建立開洞與不開洞計算模型見圖4，比較開洞與不開洞的區別。②建立裙樓局部模型見圖5，計算裙房1～3層各層Y向地震（中震）作用下的樓層剪力。③將max［裙房各層地震（中震）作用剪力的20%，裙房框架部分地震（中震）剪力］作為X向水平集中荷載作用在轉換柱上，分析轉換柱的性能。

通過對開洞與不開洞兩種情況計算模型分析，得出以下結論：柱為型鋼柱，承載力相對較大，框架柱的配筋幾乎一樣，樓板開洞對框架柱配筋影響較小。兩種情況的位移角與位移比如圖6～圖7所示，結構周期見表8。4層以下，開洞比不開洞的情況位移角更大，4層以上，開洞比不開洞的情況位移角更小，但均遠小于規范1/800的限值。兩種情況的扭轉位移比大致相當。X平動方向影響較小，Y平動方向影響和扭轉影響稍大。分析可得，底部3層塔樓范圍內樓板大開洞對整體結構影響較小，不影響結構整體指標。

由裙樓局部模型計算可得2～4樓層裙樓各層的Y向地震（中震）作用水平力見表9。

裙樓局部模型計算1～3層Y向地震作用水平力，按照上述比例作為節點集中水平力施加在轉換柱上，作為轉換柱附加水平力的模型來分析轉換柱承載力，如圖8所示。

轉換柱在附加水平力的作用下，Y向水平位移約3.5 mm，對應的附加彎矩設計值Mx約100 kN·m，遠小于計算彎矩設計值Mx（2 100 kN·m）。中震彈性計算結果與整體模型小震、中震計算結果對比分析可得，換柱附加水平力局部模型中震彈性計算所得配筋結果大于整體模型小震約1.4倍，1～4層轉換柱配筋放大1.4倍或以上。

6.3 塔樓收進不規則項處理措施

本項目塔樓存在尺寸突變，體型收進處上層與相鄰下部區段最大層間位移角之比為1.14（X向）和1.20（Y向），Y向略大于規范建議值。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》10.6.5條，對體型收進部位上、下各2層周邊豎向結構構件的抗震等級提高一級。塔樓體型突變部位的樓板板厚取150 mm，雙層雙向配筋，配筋率≥0.25%。

6.4 其他專項分析

塔樓在第2～6層局部設置有24 m大跨度結構梁，5.7 m～8.5 m大懸挑梁。大跨度、大懸挑梁通過對其進行強度、舒適度、撓度、裂縫等計算分析。樓蓋豎向振動最大位置發生在懸挑板附近，其最大樓蓋豎向振動加速度為0.017 m/s2，遠小于住宅、辦公環境限值，樓蓋舒適度驗算滿足要求。梁撓度通過梁起拱（1 L/1 000～3 L/1 000），撓度滿足正常使用要求，施工圖階段對大跨大懸挑梁的起拱值應進行原位標注示意；部分大跨度、大懸挑梁的裂縫計算配筋超過承載力計算配筋結果，施工圖階段應根據承載力計算及裂縫計算配筋取包絡設計，裂縫寬度按照0.3 mm進行控制。

裙樓存在較多樓板大開洞、局部躍層柱等不規則項。通過對相應樓層的樓板進行樓板應力分析，對裙房屋面層的樓板、體型突變部位上下層的樓板、樓板大開洞周邊樓板進行適當加強。其樓板厚度均加厚至140 mm～160 mm，采用雙層雙向通長配筋，配筋率≥0.25%。對躍層柱進行屈曲分析，通過歐拉公式反算其計算長度系數，結構設計時躍層柱可以直接按規范取通高的樓層間高度進行構件承載力設計。

7 結語

由于建筑造型和使用功能需要，造成結構抗震上存在多個不規則項。從加強主體結構的設計理念出發，通過多程序的計算分析、多模型論證了結構的受力和抗震性能。

在小震地震作用以及風荷載作用下，YJK（2.0.3版）和Midas Building（2019版）兩種軟件分析的各項指標基本一致；結構構件處于彈性階段，承載能力和變形能力均滿足現行規范要求。

在中震地震作用下，轉換柱均處于抗彎、抗剪彈性狀態；剪力墻、框架柱均處于抗剪彈性、受彎不屈服狀態；轉換梁處于抗彎、抗剪彈性狀態；框架梁、連梁僅部分出現受彎屈服，但受剪不屈服；能夠滿足預定的抗震性能目標。

在大震地震作用下，結構層間彈塑性位移角及層間位移角均滿足規范限值要求，結構主要抗側力構件未發生嚴重破壞；可滿足預定的抗震性能目標。

對項目中的不規則項，進行了專項的性能化分析及采取了相應的加強措施，結構滿足抗震性能目標設定的各項抗震性能標準要求，是安全、可靠、合理且滿足規范要求的。

參 考 文 獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑抗震設計規范：GB 50011—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.高層建筑混凝土結構技術規程：JGJ 3—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范：GB 50010—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.鋼結構設計標準：GB 50017—2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[5]魏璉.深圳超限高層建筑工程設計及實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2016：29-46.

[6]徐培福，戴國瑩.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].土木工程學報，2005，38（1）：1-10.

編輯：楊 洋