江西某超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

蔣波，劉凱，許秋華，洪成，楊民濤

（1.江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，南昌 330099；2.南昌工程學(xué)院，南昌 330099；3.江西省土木建筑學(xué)會(huì)，南昌 330099）

1 工程概況

本工程項(xiàng)目地塊位于南昌市東湖區(qū)。項(xiàng)目用地面積34 748.35 m2，總建筑面積166 869.69 m2，其中地上建筑面積121 289.54 m2，地下45 580.15 m2。

項(xiàng)目用地西南側(cè)為主樓建筑1-A#樓，層數(shù)為54層，屋頂標(biāo)高為229.40 m，構(gòu)架層頂標(biāo)高246.20 m，幕墻頂標(biāo)高為249.99 m。用地西北側(cè)為1-B#樓，為16層的酒店，屋頂標(biāo)高為82.10 m，酒店主樓與裙房之間設(shè)抗震縫脫開(kāi)[1]。A塔和B塔在4層、15層及18層存在3層連體，跨度約35 m。效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

本工程綜合場(chǎng)地類別為Ⅱ類，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)合理使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，50年一遇基本風(fēng)壓為W0=0.45 kPa，不考慮雪荷載。

2 主體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目A、B塔為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，塔樓內(nèi)部在電梯井道和設(shè)備用房及衛(wèi)生間設(shè)置剪力墻構(gòu)件，結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系由核心筒或剪力墻與外框柱組成，共同構(gòu)成多道設(shè)防結(jié)構(gòu)體系，提供結(jié)構(gòu)必要的重力荷載承載能力和抗側(cè)剛度。重力荷載通過(guò)樓面水平構(gòu)件傳遞給剪力墻和外框柱，最終傳遞至基礎(chǔ)。水平荷載產(chǎn)生剪力和傾覆彎矩由剪力墻與外框架共同承擔(dān)。其中剪力主要由剪力墻承擔(dān)，傾覆彎矩由外框架與剪力墻共同承擔(dān)。

A塔與B塔之間在4層、15層和18層之間設(shè)置了3層連體，通過(guò)分析論證，本項(xiàng)目選用剛性連接的鋼桁架+型鋼混凝土框架。底部3層鋼結(jié)構(gòu)桁架托換上部一個(gè)2層中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)，連體兩端弦桿伸入塔樓內(nèi)部并與核心筒連接。為滿足兩棟塔樓水平剪力傳達(dá)的要求，連體桁架部分（3～15層）樓板加厚為180 mm，連體層頂板（16層）加厚為200 mm，連體框架部分及相鄰層（3～5層、14～17層）樓板厚度加厚為150 mm。連體平面圖如圖2所示。

圖2 建筑連體層平面圖

3 結(jié)構(gòu)超限情況

高度超限：超B級(jí)，A塔樓高度229.4 m（B級(jí)高度210 m）；扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；最大扭轉(zhuǎn)位移比：X-偶然偏心方向1.27（B塔3F）大于1.2，Y+偶然偏心方向1.19（B塔16F）；X-偶然偏心方向1.12（A塔1F），Y+偶然偏心方向1.10（A塔4F）均小于1.2；樓板不連續(xù)：A塔2F開(kāi)洞面積37.7%＞30%；B塔2F、3F開(kāi)洞面積34.26%＞30%；局部不規(guī)則：局部穿層柱；復(fù)雜連接：4層、15層和18層連體(樓層號(hào)以A塔算起)。

4 多遇地震下彈性計(jì)算分析

本工程彈性分析選用北京筑信達(dá)術(shù)有限公司的ETABS軟件（細(xì)分墻元模型）進(jìn)行計(jì)算，考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響。軟件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 ETABS軟件整體計(jì)算結(jié)果

對(duì)于本工程主體為混凝土結(jié)構(gòu)，連體為鋼結(jié)構(gòu)的體系，地震作用的阻尼采用材料阻尼計(jì)算（混凝土取5%，鋼材取2%，應(yīng)變能加權(quán)平均法），結(jié)構(gòu)的阻尼比為5%。風(fēng)荷載計(jì)算用阻尼比取5%。

計(jì)算整體參數(shù)時(shí)，風(fēng)荷載按規(guī)范風(fēng)荷載考慮進(jìn)行設(shè)計(jì)，豎向荷載工況計(jì)算時(shí)考慮施工模擬加載。由于整體結(jié)構(gòu)剛重比大于2.7，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）5.4.1條不考慮二階效應(yīng)的影響[2]。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合規(guī)范規(guī)定的要求及結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)理論，可以得出如下結(jié)論：

1）考慮偶然偏心的規(guī)定水平力作用下X、Y方向塔樓5層以上的最大扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.2，僅局部樓層大于1.2，小于1.4，對(duì)應(yīng)樓層位移角為1/2419，一項(xiàng)不規(guī)則。

2）塔樓在正交方向和最不利地震方向作用下底部局部樓層剪重比不滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016年版）（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）5.2.5條規(guī)定的最小剪重比的限值要求[3]，不滿足的層數(shù)最多為6層，按《高規(guī)》要求放大這些樓層的地震力[4]。

3）剛重比小于2.7大于1.4，根據(jù)《高規(guī)》要求需要考慮P-Δ效應(yīng)對(duì)水平力作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的不利的影響，滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

4）單塔計(jì)算時(shí)，除A塔和B塔，其他各項(xiàng)總體指標(biāo)滿足規(guī)范要求，單塔不存在軟弱層和薄弱層。

5 周期和振型

通過(guò)YJK計(jì)算考慮42階振型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得出各階振型的自振周期及空間振動(dòng)形態(tài)，從中可以反映結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力特性，前6階周期振型詳見(jiàn)表2。

表2 連體模型前6階振型自振周期

1）第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期比值小于0.85，扭轉(zhuǎn)振型與第一平動(dòng)振型耦連較弱。

2）由于連體的作用，結(jié)構(gòu)的振型較為復(fù)雜，多個(gè)塔振型存在相互作用的現(xiàn)象，為了滿足反應(yīng)譜計(jì)算的要求，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)取了較多的振型數(shù)。

6 連體模型位移、位移角和扭轉(zhuǎn)位移比

圖3～圖7結(jié)果表明：

圖3 風(fēng)荷載作用下連體模型A塔層間位移角

圖7 連體模型考慮偶然偏心規(guī)定水平力作用下扭轉(zhuǎn)位移比曲線

1）計(jì)算結(jié)果顯示，地震作用及風(fēng)荷載作用下層間位移角均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的位移角為地震作用控制。

2）考慮偶然偏心的規(guī)定水平力作用下，X、Y方向塔樓裙樓以上的最大扭轉(zhuǎn)位移比均小于1.4，僅裙房層大于1.4，小于1.5，對(duì)應(yīng)樓層位移角為1/2419，按照高規(guī)的規(guī)定裙房區(qū)屬于一項(xiàng)不規(guī)則。

圖4 風(fēng)荷載作用下連體模型B塔層間位移角

圖5 地震荷載作用下連體模型A塔層間位移角

圖6 地震荷載作用下連體模型B塔層間位移角

7 連體模型剪重比

圖8和圖9計(jì)算結(jié)果表明：按照《高規(guī)》要求在地震作用下樓層剪力應(yīng)滿足剪重比的要求，對(duì)于抗震設(shè)防烈度為7度區(qū)周期大于3.5 s且小于5 s的結(jié)構(gòu)，最小剪重比為1.2%～1.6%的插值；根據(jù)小震安評(píng)反應(yīng)譜αmax等比例放大后，結(jié)構(gòu)任一樓層剪重比應(yīng)按1.44%～1.92%之間按周期插值決定。若不滿足最小剪重比要求，樓層剪力應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)基本周期位于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的區(qū)段按《抗規(guī)》5.2.5條文說(shuō)明進(jìn)行調(diào)整。計(jì)算結(jié)果表明，本工程滿足《抗規(guī)》[3]5.2.5條規(guī)定的最小剪重比85%的要求。

圖8 連體模型A塔X、Y向剪重比曲線圖

圖9 連體模型B塔X、Y向剪重比曲線圖

8 時(shí)程分析曲線

A、B塔地震動(dòng)時(shí)程計(jì)算樓層層間位移角見(jiàn)圖10和圖11。計(jì)算結(jié)果表明，A、B塔層間位移角均小于《高規(guī)》最大位移角限值1/1000的要求。

圖10 A、B塔地震動(dòng)時(shí)程計(jì)算樓層層間位移角

圖11 A、B塔地震動(dòng)時(shí)程計(jì)算樓層層間位移

9 結(jié)語(yǔ)

本工程屬于結(jié)構(gòu)超限項(xiàng)目，由于采用了外圍密柱框架+核心筒的結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果均在規(guī)范控制指標(biāo)的范圍內(nèi)，計(jì)算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。時(shí)程分析結(jié)果滿足7組地震波之平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%的條件，所選地震波滿足規(guī)范要求；設(shè)計(jì)時(shí)將對(duì)上部結(jié)構(gòu)樓層按規(guī)范反應(yīng)譜得出的地震力進(jìn)行適當(dāng)放大；各條樓層位移曲線形狀相似，較光滑無(wú)明顯突變，X向移曲線表現(xiàn)為彎曲形、Y向位移曲線表現(xiàn)為彎曲形；各條層間位移角曲線形狀相似，大部分樓層范圍的曲線較為光滑，僅在在連體處和高塔體型收進(jìn)處位移角存在突變。