重慶華宇城3 號(hào)塔樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

楊亞

（重慶鼎石建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，重慶 401121）

1 工程概況

華宇城3 號(hào)塔樓位于重慶市沙坪壩區(qū)，是一棟集商業(yè)、甲級(jí)寫字樓和五星級(jí)酒店為一體的超高層標(biāo)志性塔樓。 塔樓主樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地下3 層，地上41 層，自嵌固部位算起，結(jié)構(gòu)總高度為193.400m，屬于B 級(jí)高度的高層建筑[1]。

2 結(jié)構(gòu)超限情況及設(shè)計(jì)措施

根據(jù)《重慶市超限高層建筑工程界定規(guī)定》（2016 版）的限值要求[2]，該工程主體結(jié)構(gòu)超過限值150m，屬于高度超限的B 級(jí)高層建筑。 在具有偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，裙房相關(guān)樓層兩端抗側(cè)力構(gòu)件彈性水平位移（或?qū)娱g位移）的最大值與平均值的比值為1.35，超過限值1.2，結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。 X 向核心筒寬高比為1/17.3，小于規(guī)范限值1/12，同時(shí)Y 向核心筒寬度是X 向的2.4 倍， 造成兩個(gè)方向的第一平動(dòng)周期差別較大。 上部樓層在38 層收進(jìn)后與下部樓層的水平尺寸之比為0.70， 不滿足限值三（≥0.75）要求，但是按照等效整體收進(jìn)為0.79，滿足規(guī)范要求，故可以認(rèn)為豎向規(guī)則。 但在采取加強(qiáng)措施時(shí)，仍按豎向收進(jìn)采取加強(qiáng)措施。37 層采用斜撐托柱轉(zhuǎn)換，存在豎向構(gòu)件不連續(xù)的情況，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力與相鄰上一層的比值最小值為0.80，滿足限值三（≥0.80）要求，說明樓層承載力不存在突變。

結(jié)合超限預(yù)評(píng)審專家的意見以及文獻(xiàn)[3-4]的結(jié)論，針對(duì)上述超限情況采取以下設(shè)計(jì)措施：

（1） 控制核心筒外墻與外框柱之間的距離， 中心距不大于12m；

（2） 針對(duì)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則情況，將外圍框架梁的截面增大至600mm×1200 mm（X 向）、400mm×800 mm（Y 向），以增強(qiáng)周邊框架的整體剛度；

（3） 按照小震彈性和中震不屈服的原則，對(duì)底部加強(qiáng)部位的核心筒外圍剪力墻和外框柱進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)， 且剪力墻的水平、豎向配筋最小配筋率不小于0.3%；

（4） 在平面凸出的上下兩個(gè)區(qū)域，板鋼筋按滿跨雙層雙向配筋配置，配筋率不小于0.3%，鋼筋直徑不小于8mm，間距不大于150mm；其余角部區(qū)域板配筋按文獻(xiàn)[1]9.1.4 條配置，板鋼筋雙層雙向配筋范圍不小于外框架至核心筒外墻中距的1/3 和3m 的較大值；

（5） 核心筒電梯廳樓板加厚至120mm，且雙層雙向通長(zhǎng)配筋，配筋率不小于0.25%；

（6） 調(diào)整布置，使得樓蓋主梁不直接擱置在核心筒的連梁上面；

（7） 筒體角部附近盡量不開洞，控制筒角內(nèi)壁至洞口的距離不小于500mm 和開洞墻截面厚度的較大值。 核心筒外墻開洞宜上下對(duì)齊，盡量避免水平方向連續(xù)開洞，開洞形成的洞間墻肢的截面高度不小于1.2m；

（8） 在保證核心筒抗扭剛度的前提下，加強(qiáng)X 向剛度，同時(shí)適當(dāng)削弱Y 向剛度；

（9） 豎向體型收進(jìn)部位38 層的樓板厚度不小于150mm，相鄰上下層樓板厚度120mm，雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。 收進(jìn)部位上下2 層框架柱抗震等級(jí)提高一級(jí)。 收進(jìn)部位的框柱上下層之間（標(biāo)高159.150～169.350）箍筋全高加密，邊柱最小配筋率適當(dāng)提高至0.95%，角柱最小配筋率適當(dāng)提高至1.15%；（10） 37 層斜撐箍筋全長(zhǎng)加密，增大斜撐縱筋的配筋率及鋼筋直徑。 控制與之相連的框架梁的等效拉應(yīng)力值， 增加框架梁的縱筋的配筋率， 并按框支梁構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)。 與斜撐相連的剪力墻上下兩層水平分布筋及豎向分布筋的配筋率增大至0.6%。調(diào)整后，核心筒的典型平面如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

采用SATWE 和MIDAS BUILDING 軟件對(duì)塔樓進(jìn)行多遇地震作用下的反應(yīng)譜分析，結(jié)果表明：塔樓的第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期的比值均小于規(guī)范限值0.9，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小[5]。 最大層間位移角為1/1068，小于限值1/631。在具有偶然偏心的多遇地震作用下， 僅底部8 層X 向的位移比和層間位移比略超過了1.2的限值，最大值為1.35，而Y 向樓層的位移比和層間位移比均未超過1.2。 由此可見，該工程平面存在一定的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，但還沒達(dá)到特別不規(guī)則或者嚴(yán)重不規(guī)則的程度，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能影響有限。

選取5 組天然地震波和2 組人工波進(jìn)行多遇地震作用下的彈性分析、設(shè)防地震作用和罕遇地震作用下的彈塑性分析。 通過與文獻(xiàn)[6]6 度（0.05g）地震動(dòng)參數(shù)反應(yīng)譜分析結(jié)果的對(duì)比，單組地震波輸入所得的底部剪力峰值均在反應(yīng)譜法的65%～135%之間，7 組地震波結(jié)果的平均值與反應(yīng)譜法結(jié)果之差在20%以內(nèi)，可見，該7 組地震波計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求的與反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上相符的條件。 結(jié)構(gòu)選取所有地震波樓層剪力的平均值與CQC 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到各層地震力放大系數(shù)。 彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析考慮雙向地震影響，兩個(gè)方向最大峰值加速度按0.85 的比例調(diào)整，設(shè)防烈度地震下，主方向峰值加速度為50cm/s2，次方向峰值加速度取42.5cm/s2，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。罕遇地震下，主方向峰值加速度為125cm/s2，次方向峰值加速度取106cm/s2，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.07[7-8]。分析結(jié)果表明：在設(shè)防地震作用下，樓層的最大彈塑性層間位移角為X 向1/494、Y 向1/568，均小于限值1/212。 在罕遇地震作用下，塔樓X 向最大層間位移角為1/195（42 層），Y 向最大層間位移角為1/228（24 層），均未超過設(shè)定的彈塑性層間位移角限值1/111。 層間位移角曲線連續(xù)、無突變點(diǎn)，可見結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震和罕遇地震作用下的變形能夠滿足預(yù)定的性能目標(biāo)要求。

4 結(jié)構(gòu)方案形式比較

該塔樓未超B 級(jí)高度，未設(shè)置加強(qiáng)層。 由于該工程XY 方向體量差異較大，導(dǎo)致Y 向周期偏短，Ty/Tx 比值較大。 為減小兩方向周期差異，提高X 向剛度，減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，設(shè)計(jì)人員通過在原結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上設(shè)置加強(qiáng)層，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)體系的性能指標(biāo)，選取更適合該樓棟的結(jié)構(gòu)體系。 加強(qiáng)層擬設(shè)置在避難層24 層和35 層， 通過在塔樓核心筒與外框架柱之間設(shè)置桁架來提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。 加強(qiáng)層布置方案有設(shè)置伸臂桁架、 環(huán)桁架、伸臂桁架+環(huán)桁架三種（圖2）。

圖2 加強(qiáng)層布置方案

由表1 可以看出，原結(jié)構(gòu)通過調(diào)整X 向框架梁界面及剪力墻截面厚度能夠滿足要求， 設(shè)置加強(qiáng)層僅能小幅度降低結(jié)構(gòu)的整體周期和層間位移，并不能顯著提升結(jié)構(gòu)性能，反而增加了施工難度，不利于工程的整體經(jīng)濟(jì)效益，故該塔樓無需采用加強(qiáng)層。

表1 加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響

5 關(guān)鍵構(gòu)件性能分析

塔樓38 層樓板存在斜撐托柱轉(zhuǎn)換，因此37 層的斜撐及相連的框架梁定義為關(guān)鍵構(gòu)件。 設(shè)計(jì)人員利用MIDAS 軟件，提取中、大震作用下的最不利作用，對(duì)斜撐轉(zhuǎn)換區(qū)域進(jìn)行有限元精細(xì)化分析，模型采用實(shí)體單元。 斜撐的豎向變形如圖3 所示，最大豎向位移為3.168mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，保證了斜撐上方柱的豎向剛度。斜撐為全截面受壓，最大壓應(yīng)力16.5MPa，斜撐上節(jié)點(diǎn)區(qū)、下節(jié)點(diǎn)區(qū)最大壓應(yīng)力為13.9MPa，均小于C40 混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值限值。 框架梁受拉，其根部等效拉應(yīng)力為0.45MPa，小于C40 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

圖3 斜撐豎向變形

斜撐與框架梁在設(shè)防烈度地震和罕遇地震下的受力計(jì)算結(jié)果如表2 所示，斜撐與框架梁的承載力能夠滿足中震彈性、大震不屈服的性能水準(zhǔn)要求。

表2 關(guān)鍵構(gòu)件受力計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)語

重慶華宇城3 號(hào)塔樓是一棟超高、平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、豎向構(gòu)件不連續(xù)的超限高層建筑。 設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)超限分析，采取了相應(yīng)加強(qiáng)措施，保證了該建筑抗震性能滿足規(guī)范規(guī)定的性能目標(biāo)。 由分析結(jié)果可知：對(duì)于平面相對(duì)規(guī)則結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可通過優(yōu)選梁截面、優(yōu)化剪力墻界面的方式，達(dá)到改善結(jié)構(gòu)剛度，減小X、Y 方向周期差的目的，并非必須設(shè)置伸臂桁架和環(huán)桁架；斜撐轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行實(shí)體單元分析，可按彈性設(shè)計(jì)，著重控制混凝土的拉應(yīng)力。