某高烈度區(qū)內(nèi)筒超大高寬比的超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁立 李邈 劉璇

某高烈度區(qū)內(nèi)筒超大高寬比的超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁立 李邈*劉璇

（四川中泰聯(lián)合設(shè)計(jì)股份有限公司，成都 610000）

昆明璀璨棲悅商務(wù)中心1#樓房屋高度148.550 m，屬超B級高度的超限結(jié)構(gòu)。由于其內(nèi)筒高寬比達(dá)21，采用盈建科和ETABS兩種軟件進(jìn)行了彈性計(jì)算，對結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了比較分析，最終選用抗震性能更好的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。按照設(shè)定的性能目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性計(jì)算、中震驗(yàn)算，并采用Sausage軟件進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，根據(jù)分析結(jié)果，采取了有針對性的加強(qiáng)措施。

高烈度區(qū)， 超限結(jié)構(gòu)， 大內(nèi)筒高寬比， 框架-剪力墻， 性能設(shè)計(jì)， 加強(qiáng)措施

1 工程概況

昆明璀璨棲悅商務(wù)中心位于云南省昆明市官渡區(qū)，地上主要由2棟高層及配套商業(yè)組成。本子項(xiàng)為1號樓，地上35層，地下2層，平面尺寸約為48.7 m×25.5 m的矩形，建筑高寬比為5.8，內(nèi)筒高寬比為21，房屋高度為148.550 m，為超B級高度超限高層建筑。建筑首層層高為5.4 m，2～33層為辦公，層高為4.5 m，其中11層、22層為避難層，層高分別為3.6 m和4.2 m，其建筑的效果圖如圖1所示，建筑標(biāo)準(zhǔn)層如圖2所示。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，建筑場地類別為Ⅲ類，地震分組為第三組。50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，位移計(jì)算按照基本風(fēng)壓0.3 kN/m2采用，承載力計(jì)算按照基本風(fēng)壓的1.1倍采用。

圖1　建筑效果圖

圖2　建筑標(biāo)準(zhǔn)層

2 結(jié)構(gòu)方案選型

建筑平面呈簡單規(guī)則矩形，建筑高寬比為5.8，依據(jù)使用功能，結(jié)構(gòu)類型初步定為框架-核心筒。由于向內(nèi)筒高寬比達(dá)21，所以加強(qiáng)向側(cè)向剛度是本項(xiàng)目關(guān)鍵，當(dāng)不能滿足要求時(shí)，可借用避難層（11層、22層）設(shè)置加強(qiáng)層以增強(qiáng)向剛度。以伸臂桁架和腰桁架的是否設(shè)置為設(shè)計(jì)變量（加強(qiáng)層布置如圖3所示），結(jié)構(gòu)周期、層間位移角及頂點(diǎn)位移指標(biāo)如表1所示。

圖3　加強(qiáng)層布置圖

表1　 模型主要參數(shù)對比

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，由于內(nèi)筒高寬比過大，即使在避難層設(shè)置加強(qiáng)層的情況下，側(cè)向剛度仍然難以滿足規(guī)范要求；且中震下底部部分墻肢全截面的平均名義拉應(yīng)力為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的8～10倍，因此判斷框架-核心筒這種結(jié)構(gòu)類型不適合本項(xiàng)目，最終根據(jù)建筑的使用功能，本工程采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖4所示。

圖4　標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖

3 基礎(chǔ)選型

3.1　地質(zhì)條件

根據(jù)地勘報(bào)告，擬建場地所處區(qū)域?qū)儆诘嶂懈咴ッ鲾嘞莺e盆地，場地整體較為平坦開闊，地貌類型屬于河流沖積地貌，擬建場地高程介于1 890.2～1 892.5 m，相對高差約2.3 m。各圖層分布及物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2　 土層分布及主要力學(xué)指標(biāo)

3.2　基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程為超高層建筑，荷載大，主樓基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，樁端持力層為⑦1黏土，為摩擦樁?？箟簶恫捎眯诔煽坠嘧?，樁徑為800 mm，樁身混凝土強(qiáng)度等級C45，單樁豎向抗壓承載力特征值為6 000 kN；有效樁長60 m，筏板厚度2.3 m（核心筒區(qū)域2.9 m），布樁方式為核心筒筏板下均勻布置、柱下為多樁承臺布置，基礎(chǔ)布置圖如圖5所示。

圖5　基礎(chǔ)布置圖

4 結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）［1］（簡稱《高規(guī)》）和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)【2015】67號）（簡稱超限審查要點(diǎn)）有關(guān)規(guī)定，本工程房屋高度為148.55 m，超過B級高度限值100 m，超過規(guī)范限值23.8%。為保證結(jié)構(gòu)有足夠的抗扭剛度，應(yīng)控制結(jié)構(gòu)在偶然偏心下最大位移比均不大于1.2。根據(jù)結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果，第一、二自振周期均為平動(dòng)周期，第一扭轉(zhuǎn)振型與第一平動(dòng)振型周期比為0.76，滿足《高規(guī)》對周期比的要求［2］，說明結(jié)構(gòu)體型較好，具有很大的抗扭剛度。通過計(jì)算分析，本結(jié)構(gòu)無明顯軟弱層和薄弱層。

為實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高結(jié)構(gòu)的抗震安全度，本工程對抗側(cè)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，按照《高規(guī)》性能目標(biāo)設(shè)定為D級，關(guān)鍵構(gòu)件抗剪性能提為性能C，各水準(zhǔn)地震作用下的性能水準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能目標(biāo)如表3所示。

表3　 結(jié)構(gòu)及構(gòu)件抗震性能水準(zhǔn)

5 多遇地震彈性計(jì)算分析

采用盈建科軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震及風(fēng)荷載下的整體計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4，由表4可知，多遇地震作用和風(fēng)荷載作用下層間位移角均滿足規(guī)范關(guān)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)1/800的要求［2］，為地震作用控制。在規(guī)定的水平力作用下，結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值，方向?yàn)?1.7%，方向?yàn)?6.8%，故判斷為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

表4　 多遇地震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計(jì)算結(jié)果對比

5.1　振型分解反應(yīng)譜計(jì)算

采用盈建科和ETABS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性整體分析對比，計(jì)算時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法（CQC法），計(jì)算結(jié)果見表5。由表5可知，兩種軟件的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范各項(xiàng)指標(biāo)的要求，在結(jié)構(gòu)自振周期、層間位移角和基底剪力等方面兩種軟件計(jì)算結(jié)果接近，表明計(jì)算結(jié)果合理、可靠。

從結(jié)構(gòu)自振周期可以看出，結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗扭剛度，在偶然偏心地震作用下，最大扭轉(zhuǎn)位移比均控制在1.2以內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)布置較為均勻合理，能較好地控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

表5　 CQC法計(jì)算結(jié)果比較

5.2　多道防線分析

本結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻組成的雙重抗側(cè)力體系。根據(jù)《高規(guī)》8.1.4條，框架部分需進(jìn)行多道防線內(nèi)力調(diào)整，調(diào)整框架柱的地震剪力后，框架柱端彎矩及與之相連的框架梁端彎矩、剪力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，表6為CQC法計(jì)算典型計(jì)算剪力大小及相應(yīng)位置。

表6　 0.2V0與1.5Vf，max計(jì)算結(jié)果

根據(jù)樓層地震剪力與0.20、1.5f，max曲線（圖6、圖7）：方向框架剪力在27層以上時(shí)小于0.20，方向框架剪力全樓小于0.20，且0.20＜1.5f，max（向差別較大，向差別較小）。若按《高規(guī)》要求，則向框架剪力僅27層以上調(diào)整，向框架剪力全樓調(diào)整，調(diào)整后的框架剪力均為0.20，此方式的調(diào)整對向樓層調(diào)整較少且未體現(xiàn)對關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)。由于樓層剪力曲線呈平滑的階梯形，且23層以上向樓層剪力已經(jīng)小于1.5f，max，考慮到經(jīng)濟(jì)性因素以及實(shí)際樓層剪力分布，本工程框架部分地震剪力調(diào)整分三段進(jìn)行調(diào)整，此方式既體現(xiàn)“二道防線”的規(guī)范內(nèi)核并對關(guān)鍵部位進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)，如圖6、圖7所示。

第一段：1～11層為關(guān)鍵部位應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)，故框架地震剪力按0.20和1.5f，max的較大值調(diào)整。

第二段：12～22層為過渡層，框架地震剪力按0.20和1.5f，max的平均值調(diào)整。

第三段：23～33層的框架柱軸壓比較小，延性較好，按規(guī)范執(zhí)行，即框架地震剪力按0.20和1.5f，max的較小值調(diào)整。

根據(jù)強(qiáng)柱弱梁以及大震彈塑性時(shí)程分析的結(jié)果，框架梁均按0.20、1.5f，max較小值調(diào)整。

圖6　X方向樓層地震剪力與0.2V0、1.5Vf，max曲線

圖7　Y方向樓層地震剪力與0.2V0、1.5Vf，max曲線

Fig 7Comparison of storey shear force indirection with 0.20and 1.5f，max

5.3　彈性時(shí)程計(jì)算

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（簡稱《抗規(guī)》）第5.1.2條規(guī)定，本工程選用1條人工波（user1）和2條天然波（user2、user3），采用盈建科軟件進(jìn)行彈性時(shí)程分析。多條地震波的平均地震影響系數(shù)曲線與CQC法所作用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對應(yīng)結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%。每條地震波計(jì)算所得基底剪力均大于CQC法計(jì)算結(jié)果的65%，3條地震波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力平均值也大于CQC法計(jì)算結(jié)果的80%［3］，詳見表7，因此，所選地震波滿足《抗規(guī)》要求。25層及以上樓層時(shí)程分析法計(jì)算所得地震剪力大于CQC法的計(jì)算剪力，故按時(shí)程最大值與CQC進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

表7　 基底剪力計(jì)算結(jié)果

6 設(shè)防地震計(jì)算分析

設(shè)防地震計(jì)算采用等效彈性反應(yīng)譜法，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)詳表8。

表8　 設(shè)防地震等效反應(yīng)譜參數(shù)

注：本表中相應(yīng)參數(shù)均參考《高規(guī)》3.11.3條條文說明。

7 性能目標(biāo)具體實(shí)現(xiàn)

按照設(shè)定的抗震性能目標(biāo)要求，設(shè)防地震下豎向構(gòu)件應(yīng)滿足以下要求，詳見表9。

（1） 底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件取中震抗剪彈性、抗彎不屈服與小震結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)配筋。

（2） 一般部位豎向構(gòu)件取中震抗剪不屈服與小震結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)配筋。

7.1　豎向構(gòu)件拉力驗(yàn)算

考察豎向構(gòu)件在中震作用下的受拉情況，提取結(jié)構(gòu)底部剪力墻及框架柱在中震雙向水平地震作用下恒載、活載及地震工況下的軸向力，根據(jù)組合值NK=NE+（ND+0.5NL）正負(fù)進(jìn)行判定，設(shè)其拉為正、壓為負(fù)，驗(yàn)算結(jié)果如圖8所示（限于篇幅，本文僅列出受拉值較大的墻肢，墻肢編號詳圖4）［3］：

圖8　中震作用下墻肢名義應(yīng)力

由圖8可知，Q1～Q4底層最大拉應(yīng)力為5.45 MPa>tk，則考慮墻肢拉力全面由型鋼承擔(dān)，根據(jù)公式a=/ak計(jì)算型鋼面積，并在相應(yīng)部位設(shè)置型鋼分擔(dān)拉力，保證墻肢混凝土拉應(yīng)力小于2.85 MPa。

8 罕遇地震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析

本工程采用PKPM-SAUSAGE軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震下的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析并評估其抗震性能。選取2組天然地震波記錄和1組人工波記錄按主方向：次方向=1∶0.85雙向輸入，地震波峰值加速度取400 cm/s2。

結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下層間位移角及頂點(diǎn)位移最大值見表10。由表10可知，結(jié)構(gòu)最大層間位移角滿足規(guī)范關(guān)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性變性能力不大于1/100的要求。計(jì)算得到的彈塑性位移曲線比較光滑，彈塑性層間位移角曲線總體光滑，無明顯突變，結(jié)構(gòu)無薄弱層。

表10　 大震作用下最大層間位移角

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力與小震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力對比見表11。由表11可知，罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力大概是小震的2.7～3.8倍，結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入彈塑性。

表11　 大震與小震基底剪力比值

注：為大震時(shí)程分析下的基底剪力；0為小震時(shí)程分析下的剪力。

圖9　墻肢混凝土受壓損傷

PKPM-SAUSAGE計(jì)算結(jié)果顯示，通過在核心筒剪力墻合理開洞形成連梁，連梁在大震下?lián)p傷耗能效果明顯，從而保護(hù)了主承重墻肢。剪力墻單元受拉損傷主要集中結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)，但鋼筋均未達(dá)到其屈服應(yīng)變；剪力墻單元受壓損傷主要集中在結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)，混凝土最大壓應(yīng)變可達(dá)0.002；框架柱均為彈性狀態(tài)，說明核心筒進(jìn)入塑性后外框架可以起到抗震第二道防線的作用。本結(jié)構(gòu)抗震性能良好，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用的震后性能狀況達(dá)到主承重剪力墻、框架柱輕微損壞，能滿足預(yù)期的性能目標(biāo)。

9 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

本工程為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，平面及豎向均較規(guī)則，結(jié)構(gòu)高度148.55 m，超出B級適用高度限值23.8%。因此，本結(jié)構(gòu)除按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還針對超限項(xiàng)目采取以下加強(qiáng)措施：

（1） 根據(jù)結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)滿足框架-核心筒體系的構(gòu)造措施；為保證結(jié)構(gòu)框架二道防線的實(shí)現(xiàn)，對框架柱的剪力進(jìn)行分段調(diào)整，相較于規(guī)范要求，有所加強(qiáng)。

（2） 嚴(yán)格控制框架柱軸壓比小于0.65（規(guī)范限值0.7），底部剪力墻軸壓比小于0.45（規(guī)范限值0.5）；提高底部加強(qiáng)區(qū)范圍框架柱抗震等級至特一級。

（3） 嚴(yán)格控制豎向構(gòu)件承載力變化位置，且在每次變化位置，設(shè)置過渡層或加強(qiáng)其配筋，避免剛度突變。

（4） 對中震下存在小偏拉的墻體，在滿足特一級構(gòu)造的基礎(chǔ)上，增加邊緣構(gòu)件縱筋配筋率，約束邊緣構(gòu)件縱向最小構(gòu)造配筋率為1.6%，構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱向配筋率為1.4%。

（5） 底部加強(qiáng)區(qū)豎向構(gòu)件即按中震抗剪彈性、抗彎不屈服及大震抗剪不屈服的性能目標(biāo)進(jìn)行分析驗(yàn)算，并將中震抗剪彈性、抗彎不屈服，大震抗剪不屈服與小震結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)。

（6） 核心筒外圍連梁均采用交叉暗撐。

10 結(jié) 語

本工程屬高度超限建筑，平面及豎向較為規(guī)則，根據(jù)建筑使用功能，通過結(jié)構(gòu)方案比選，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。采用了YJK、ETABS等多個(gè)軟件對其進(jìn)行了豎向荷載、風(fēng)荷載、地震作用下的彈性計(jì)算，并采用了SAUSAGE對其進(jìn)行了罕遇地震作用下的彈塑性動(dòng)力分析。根據(jù)上述分析結(jié)果，針對超限采取了一些針對性加強(qiáng)措施。分析結(jié)果表明：該結(jié)果抗震性能良好，能夠滿足既定的抗震性能目標(biāo)。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ-3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ-3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2011.（in Chinese）

［2］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2016年版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.2016 Edition.Beijing：China Architecture and Building Press，2010．（in Chinese）

［3］璀璨棲悅商務(wù)中心（KCGD2018-20-A1號地塊）1#樓抗震設(shè)計(jì)可行性論證報(bào)告 ［R］.成都：四川中泰聯(lián)合設(shè)計(jì)股份有限公司，2020.

Feasibility study report of The tower 1 of Cuican Qiyue Business Center（Block KCGD2018-20-A1） for seismic design［R］.Chengdu：Sichuan Zhongtai United Design Co，2020.（in Chinese）

Design of Super High-Rise Structure with a Super High Aspect Ratio of Tube in a High Intensity Areas

LIANGLi LIMiao*LIUXuan

（Sichuan Zhongtai United Design Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China）

The tower 1 of Cuican Qiyue Business Center，148.550 m， is a super class B high-rise building in Kunming city. Considering aspect ratio of the core-tube exceeds 21，much beyond the code limit value， elastic analysis of the structure is calculated by YJK and ETABS. By comparing the calculation results of seismic capacity， frame-shear-wall with better seismic performance was selected.According to design performance goals， the structure was performed elastic analysis under frequent and medium earthquakes and dynamic elastoplastic analysis under rare earthquakes using Sausage.Based on the results of above analysis， targeted strengthening measures are taken to ensure seismic performance of the structure.

high intensity area， ultra-limit high-rise building， super height-width ratio of core wall， frame shear wall， performance-based seismic design， strengthening measures

2021-01-29

梁 立，學(xué)士，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。E-mail： liangli@ccddesign.com.cn；

聯(lián)系作者：李 邈，碩士，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。E-mail：303362060@qq.com。