某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析研究

某項目總建筑面積約為9.76萬m2，由一個32層塔樓及一個3層裙房組成，其中塔樓結(jié)構(gòu)總高度146.0m，裙房結(jié)構(gòu)總高度22.7m，是集餐飲、辦公、酒店等功能為一體的商業(yè)綜合體。本文主要對塔樓的設(shè)計要點進(jìn)行分析，塔樓與裙房地上部分設(shè)縫脫開，為超A 級但未超B 級的超限高層，平面尺寸長寬均約44.2m，1-3層為大堂及餐飲層，3層夾層-20層為辦公層，標(biāo)準(zhǔn)層高為4.3m，22-32層為酒店層，標(biāo)準(zhǔn)層高為3.8m，其中，10層、21層均為避難層，層高4.2m。建筑效果圖及剖面圖見圖1～圖2。此外，該建筑包含樓板不連續(xù)、剛度突變、局部躍層柱等三項不規(guī)則項，并具有泳池高位轉(zhuǎn)換、型鋼柱墻等結(jié)構(gòu)特點。本文通過對此項目結(jié)構(gòu)特點的分析計算，結(jié)合性能化設(shè)計目標(biāo)，闡明結(jié)構(gòu)解決方案及加強措施，為其他類似項目提供借鑒。

1.設(shè)計準(zhǔn)則

項目設(shè)計使用年限為50年，安全等級為2級，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g,設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為II 類，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，地上剪力墻及框架抗震等級為二級，地下一層相關(guān)范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級為一級，地下二層框架及剪力墻抗震等級為二級。

該項目地下室為全埋地下室，嵌固端取為地下室頂板，地下一層與一層側(cè)移剛度的比值（剪切剛度）X 向為1.75、Y 向為1.70，采取強化地下室墻外填土質(zhì)量，確保地下室周圍填土對地下室外墻的約束，可滿足嵌固端的剛度比要求。剪力墻底部加強部位高度取地下室頂板至墻體總高度的1/10處，故塔樓底部加強區(qū)為地下室頂板-3層夾層樓面，建筑標(biāo)高為±0.000m～18.5m。

2.結(jié)構(gòu)體系

圖1 建筑效果圖

圖2 剖面圖

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層布置圖

該項目采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，剪力墻墻厚600mm～400mm，墻柱混凝土強度等級C60～C40，該工程上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋，采用主次梁結(jié)構(gòu)形式，樓板典型厚度為150mm、120mm，核心筒內(nèi)樓板采用現(xiàn)澆混凝土板，厚度不小于150mm，梁板混凝土強度等級均為C30。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置如圖3所示。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及加強措施分析

3.1 結(jié)構(gòu)超限分析

（1）結(jié)構(gòu)超限判定

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（建質(zhì)[2015]67號）及相關(guān)國家規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)超限判定，該工程塔樓結(jié)構(gòu)高度為146.0m，屬于B 級高度高層建筑，含樓板不連續(xù)、剛度突變、局部躍層柱等三項不規(guī)則的超限工程。

（2）抗震性能目標(biāo)

該工程屬于B 級高度的建筑，不存在嚴(yán)重不規(guī)則情況，按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，該項目整體抗震性能目標(biāo)基本參照D 級要求確定，其中，關(guān)鍵構(gòu)件性能指標(biāo)參照C 級要求，具體詳見表1。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能設(shè)計主要參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》提供的設(shè)計方法，且同時滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求。其中，關(guān)鍵構(gòu)件包括：底部加強部位及薄弱層（23層）的剪力墻、框架柱、躍層柱；普通豎向構(gòu)件包括一般部位的剪力墻、框架柱；耗能構(gòu)件包括框架梁、剪力墻連梁等構(gòu)件。

（3）超限計算分析

該項目多遇地震計算分析時采用了YJK 軟件和Midas Building 軟件。對兩個軟件獨立計算的結(jié)果進(jìn)行對比分析，兩個模型的計算結(jié)果吻合較好，驗證了采用YJK 計算的正確性。

中震分析的結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果均滿足性能目標(biāo)的要求，位移角限值也滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中性能4關(guān)于位移角限值的要求。各層框架柱、剪力墻、躍層柱、耗能構(gòu)件等具有足夠的抗剪承載力儲備，框架柱和剪力墻均能滿足中震下性能目標(biāo)的要求。

主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用過程中，大量連梁進(jìn)入塑性狀態(tài)，小部分框架梁出現(xiàn)塑性鉸；柱子均未出現(xiàn)塑性鉸；核心筒整體破壞程度輕微，剪力墻均未進(jìn)入塑性狀態(tài)，主樓結(jié)構(gòu)在給定的地震波的罕遇地震作用下整體受力性能良好，能夠滿足罕遇地震下的抗震性能目標(biāo)。

3.2 大開洞樓板應(yīng)力分析

塔樓樓面有大面積開洞，為驗證大開洞樓層樓板在地震作用下的有效傳力，對其樓板進(jìn)行了有限元分析，典型開洞樓面應(yīng)力分析結(jié)果如圖4～6所示（以X 向拉應(yīng)力為例）。

在小震、中震及大震作用下各層主要樓板的拉應(yīng)力均處于可控制范圍，各層樓板剛度適中，足夠傳遞水平力，不會出現(xiàn)水平力作用下樓板開裂而引起樓板剛度的大幅削弱。大洞口周邊樓板在大震下可以滿足不屈服的性能指標(biāo)。在樓板開洞角部和核心筒周邊及核心筒內(nèi)部的電梯廳，出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)采用樓板加厚及雙層雙向配筋等措施適當(dāng)加強。

3.3 躍層柱屈曲性能分析

該工程在1層、6層、22層存在部分躍層柱。為保證躍層柱的結(jié)構(gòu)安全，利用YJK1.9.3.1軟件對躍層柱進(jìn)行屈曲分析，根據(jù)屈曲承載力結(jié)合歐拉公式反算相應(yīng)柱的計算長度，并在設(shè)計程序復(fù)核驗算柱設(shè)計承載力。

屈曲分析模型采用整體有限元模型，對躍層柱頂端施加10000kN 節(jié)點荷載，采用幾何非線性整體分析躍層柱的穩(wěn)定承載力Pcr，以此穩(wěn)定承載力作為依據(jù)，根據(jù)歐拉公式反算構(gòu)件的計算長度見表2。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件實現(xiàn)抗震性能要求的承載力參考指標(biāo)

圖4 X 向小震最大拉應(yīng)力云圖

圖5 X 向中震最大拉應(yīng)力云圖

圖6 X 向大震最大拉應(yīng)力云圖

表2 躍層柱穩(wěn)定承載力結(jié)果及計算長度表

分析結(jié)論：底部越層柱的極限失穩(wěn)承載力遠(yuǎn)大于柱子承受的軸壓力，計算長度系數(shù)均小于1。

3.4 抗震構(gòu)造加強措施

（1）控制中震不屈服工況下，墻肢拉應(yīng)力水平，適當(dāng)提高加強區(qū)核心筒及層高變化較大處墻體的配筋率；

（2）加強頂部2～3層及屋面機房的豎向構(gòu)件的延性，適當(dāng)提高配筋量；

（3）控制核心筒截面的剪應(yīng)力水平和軸壓比，軸壓比小于0.5；

（4）加強底部、加強部位核心筒外筒剪力墻及約束構(gòu)件的配筋率，適當(dāng)增大底部外筒連梁配筋；

（5）適當(dāng)加強連接內(nèi)筒和外框的框架梁配筋；

（6）核心筒內(nèi)板厚不小于為150mm，雙層雙向配筋；

（7）對于樓板有大開洞的情況，相應(yīng)樓層樓板厚度不小于150mm，雙層雙向配筋，根據(jù)開洞情況適當(dāng)提高最小配筋率要求，并參照樓板應(yīng)力分析結(jié)果，適當(dāng)加大洞口周邊樓板的配筋；

（8）結(jié)合動力彈塑性時程分析的結(jié)果，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)反應(yīng)譜計算分析結(jié)果，對薄弱部位適當(dāng)提高核心筒外側(cè)墻體及周邊框架柱的配筋率；

（9）躍層柱模型計算時復(fù)核計算長度系數(shù)，適當(dāng)加大躍層柱配筋率，增設(shè)芯柱，設(shè)計時提高躍層柱抗震性能目標(biāo)至中震受剪、受彎彈性；

（10）對1～3-F 層扶梯柱適當(dāng)加大配筋率，增設(shè)芯柱，設(shè)計時提高扶梯柱抗震性能目標(biāo)至中震受剪、受彎彈性。

4.結(jié)論

通過分析某超限高層的設(shè)計方法及分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：一是明確了結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計準(zhǔn)則，完成了結(jié)構(gòu)超限判定，確定了結(jié)構(gòu)性能化目標(biāo)；二是介紹了該項目在小震、中震及罕遇地震作用下的計算結(jié)論，并按照結(jié)構(gòu)特點完成了樓板大開洞及躍層柱的計算分析；三是總結(jié)了上部結(jié)構(gòu)計算要點，并提出相應(yīng)措施，為類似項目提供借鑒與參考。