深圳某超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)及難點(diǎn)分析

賀逸云，郭文嬌，李忠彬

（深圳市歐博工程設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司 深圳 518053）

1 項(xiàng)目概況

深圳某項(xiàng)目建設(shè)用地面積1.6 萬(wàn)m2，總建筑面積10.6萬(wàn)m2。

地下部分包括一層地下室和一層半地下室，半地下一層有局部商業(yè)，其余均為地下車庫(kù)和設(shè)備房；地上部分包括1 棟建筑高度181.5 m（39 層）的辦公塔樓和2 棟建筑高度16.15 m（3 層）的商業(yè)多層，項(xiàng)目效果如圖1所示，剖面如圖2所示。

圖1 項(xiàng)目效果Fig.1 Architectural Rendering of the Project

圖2 塔樓典型剖面Fig.2 Typical Section View of the Building （m）

1 棟塔樓1～3 層裙房為大堂及商業(yè)空間，層高分別為5.35 m、5.4 m、5.4 m。辦公標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5 m，10、18、29層設(shè)3個(gè)避難層，避難層層高6.0 m。

2 結(jié)構(gòu)概況

塔樓采用鋼管混凝土框架柱+鋼筋混凝土框架梁+鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)作為豎向承重體系及抗側(cè)力體系。

塔樓核心筒在中區(qū)、高區(qū)兩次收進(jìn)；1層?xùn)|側(cè)設(shè)有3 層通高大堂，4 層西側(cè)設(shè)有兩層通高架空綠化休閑，形成2～3 層通高躍層柱；31 層、33 層、35 層、37 層均因下層大堂2 層通高存在局部透空樓面，形成樓板開(kāi)洞或不連續(xù)，39 層核心筒外全部透空。裙房透空樓層3 層結(jié)構(gòu)平面如圖3?所示，高區(qū)透空樓層33 層結(jié)構(gòu)平面如圖3?所示。

圖3 結(jié)構(gòu)平面Fig.3 Structural Plan

項(xiàng)目采用深圳50年一遇的基本風(fēng)壓［1］w0=0.7 kN/m2，強(qiáng)度計(jì)算按1.1w0取值［2］。地面的粗糙度類別為B 類，體型系數(shù)取1.4。負(fù)一層與一層的剪切剛度比大于2，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算嵌固端取地下室頂板［3］。

本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50 年，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)：GB 50223—2008》［4］，項(xiàng)目整體劃分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震特征周期為0.35 s。

本項(xiàng)目塔樓框架抗震等級(jí)為一級(jí)，核心筒剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)；裙房大部分位于塔樓相關(guān)范圍內(nèi)，框架結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)統(tǒng)一為一級(jí)。半地下一層抗震等級(jí)同一層，地下一層抗震構(gòu)造措施等級(jí)降低一級(jí)［2-3］。

由于建筑功能的需求，本項(xiàng)目形體不規(guī)則，1棟塔樓置于裙房底盤(pán)一側(cè)，核心筒兩次收進(jìn)形成豎向結(jié)構(gòu)的突變，高區(qū)局部樓層存在外框局部不閉合。

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［5］可判定，1棟塔樓具有扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和偏心布置、樓板不連續(xù)、穿層柱等3項(xiàng)一般不規(guī)則項(xiàng)，另有塔樓偏置一項(xiàng)顯著不規(guī)則項(xiàng)。主要構(gòu)件截面如表1所示。

表1 主要構(gòu)件截面Tab.1 Section of Main Components

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［2］確定性能目標(biāo)及相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)為C級(jí)，具體構(gòu)件抗震性能目標(biāo)如表2所示。

表2 抗震性能目標(biāo)Tab.2 Seismic Performance Objectives

根據(jù)場(chǎng)地巖土勘察報(bào)告，1 棟基礎(chǔ)形式采用旋挖鉆孔灌注樁，以中風(fēng)化混合花崗巖作為基礎(chǔ)持力層，塔樓投影內(nèi)中風(fēng)化巖層頂高程為-30.99～（-15.96）m，樁長(zhǎng)預(yù)估13～40 m［6］。

3 塔樓偏置及裙房透空影響分析及措施

3.1 塔樓偏置情況及措施

由圖2、圖3?可知，本項(xiàng)目塔樓偏置于裙房一側(cè)。塔樓質(zhì)心偏置見(jiàn)圖3?，其中藍(lán)色圓點(diǎn)為裙房質(zhì)心，綠色圓點(diǎn)為塔樓質(zhì)心。塔樓與裙房質(zhì)心距離X向?yàn)?8.165 m，Y向?yàn)?.851 m，X向偏心率為22.5%，大于《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［5］附件1規(guī)定的20%限值，屬于塔樓偏置項(xiàng)超限。

考慮裙房與塔樓間的收進(jìn)，突變部位樓板采取一定加強(qiáng)，裙房屋面層（即4層樓面）和塔樓第一層（即5層樓面）樓板厚度均取150 mm，最小配筋率取0.25%。

由于塔樓核心筒剛度較大，且偏置于一端，會(huì)造成遠(yuǎn)離塔樓的裙房端部扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。結(jié)合文獻(xiàn)［3］，在考慮扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)圖3?虛線框內(nèi)的邊跨框架的地震力乘以1.15倍的放大系數(shù)，進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)［7］。

3.2 裙房透空及扭轉(zhuǎn)位移比

由于大堂層高需求，裙房存在兩次透空，塔樓投影范圍外裙房的相反一側(cè)，塔樓投影內(nèi)有大范圍樓面收進(jìn)，如圖3所示。由于核心筒剛度大，而質(zhì)量又分布于裙房一側(cè)，裙房透空層有較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比結(jié)果如圖4 所示，3 層以上樓層均小于1.4，滿足文獻(xiàn)［2］要求。1～3層裙房結(jié)構(gòu)偏心率大，有較大扭轉(zhuǎn)，Y+偶然偏向規(guī)定水平力作用下的扭轉(zhuǎn)位移比分別為1.49、1.42、1.43。復(fù)核1～3 層最大層間位移角，分別為1/5 182、1/2 925、1/2 196，遠(yuǎn)小于限值40%，滿足要求。

圖4 扭轉(zhuǎn)位移比Fig.4 Torsional Displacement ratio

3.3 樓板應(yīng)力分析

對(duì)于平面不規(guī)則的建筑，應(yīng)特別注意翼緣連接處樓板的平面應(yīng)力問(wèn)題［8］，變形可能導(dǎo)致樓板連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，該處的應(yīng)力集中不可忽視。

雙向多遇地震作用下，3層樓板應(yīng)力如圖5所示。在核心筒剪力墻轉(zhuǎn)角區(qū)域、連梁側(cè)、樓板洞口邊局部位置樓板正應(yīng)力相對(duì)較大，這些位置需采取一定構(gòu)造加強(qiáng)。

對(duì)架空裙房樓層的核心筒，均采用現(xiàn)澆混凝土樓板，厚度不小于150 mm，最小配筋率取0.25%。

4 核心筒收進(jìn)影響分析

4.1 核心筒收進(jìn)情況

由于建筑功能需求，塔樓核心筒東側(cè)在中區(qū)和高區(qū)分別進(jìn)行了兩次收進(jìn)，收進(jìn)情況如圖6所示。

4.2 樓層框架剪力與傾覆力矩分配比例

地震作用下塔樓外框與核心筒之間的剪力分配曲線如圖7 所示，墻肢收進(jìn)后的樓層剪力分配傾向于框架柱，在墻肢收進(jìn)處框架柱剪力增大，但并未形成特別大的突變。

圖7 塔樓外框柱與核心筒剪力分配曲線Fig.7 Shear Distribution Curve of Columns & Core wall

4.3 收進(jìn)樓層構(gòu)件內(nèi)力及設(shè)計(jì)

核心筒墻肢收進(jìn)，樓層和構(gòu)件的剪力形成突變，同時(shí)由于墻肢收進(jìn)，連梁兩側(cè)軸壓比差異導(dǎo)致連梁受彎、受剪內(nèi)力較大［9-10］。根據(jù)收進(jìn)層的構(gòu)件受力的不利影響，選取剪力墻收進(jìn)處上下兩層的墻肢及連梁進(jìn)行復(fù)核，典型構(gòu)件及編號(hào)詳見(jiàn)圖6。墻肢抗剪設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表3，X向連梁采用交叉配筋提高抗剪性能，連梁抗剪設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表4，均可滿足多遇地震設(shè)計(jì)要求。

表3 收進(jìn)處墻肢抗剪設(shè)計(jì)Tab.3 Shear Design of Core Wall for Step-back

表4 收進(jìn)處連梁抗剪設(shè)計(jì)Tab.4 Shear Design of Wall Beams for Core Wall Step-back

另，收進(jìn)相關(guān)范圍樓板配筋采取一定構(gòu)造加強(qiáng)，雙層雙向配筋，最小配筋率為0.2%。

5 外框梁不閉合分析及措施

因建筑功能需要，高區(qū)辦公大堂透空導(dǎo)致高區(qū)33、35、37層外框無(wú)法閉合，如圖3?所示，可能存在無(wú)法有效傳遞水平地震剪力情況。因而補(bǔ)充外框閉合模型與基準(zhǔn)模型對(duì)比分析，主要對(duì)比結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性指標(biāo)、樓層框架剪力分配比例、樓層框架傾覆力矩分配比例、透空區(qū)域水平構(gòu)件內(nèi)力變化等。

5.1 周期與振型

由表5 所示結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性指標(biāo)對(duì)比可知，外框閉合模型與基準(zhǔn)模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性基本一致。

表5 周期對(duì)比Tab.5 Comparison of Period

5.2 樓層框架剪力與傾覆力矩分配比例

基準(zhǔn)模型與外框閉合模型框架剪力與傾覆力矩分配比例及樓層位移角如圖8、圖9所示。對(duì)比可知，外框閉合模型與基準(zhǔn)模型框架剪力與傾覆力矩分配比例及樓層位移角基本一致，局部外框閉合對(duì)框架部分的抗側(cè)剛度影響非常小，即基準(zhǔn)模型中框架部分可有效通過(guò)中空層的上下相鄰層水平構(gòu)件進(jìn)行水平地震剪力傳遞。

圖8 框架剪力分配比例對(duì)比Fig.8 Comparison of Shear Distribution Ratio of Frame

圖9 框架傾覆彎矩分配比例Fig.9 Comparison of Overturning Moment Distribution Ratio of Frame

5.3 中空區(qū)域構(gòu)件內(nèi)力

對(duì)于外框閉合模型與基準(zhǔn)模型中空區(qū)域構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比，圖10～圖13僅舉例+X向地震設(shè)計(jì)工況作用下33 層上下相鄰樓層中空區(qū)域水平構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比及豎向構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比，洋紅色為外框閉合模型內(nèi)力數(shù)值，黑色為基準(zhǔn)模型內(nèi)力數(shù)值。

圖10 框架梁剪力比較Fig.10 Comparison of Shear Force of Frame Beam

圖11 框架梁彎矩比較Fig.11 Comparison of Moment of Frame Beam

圖12 框架柱剪力對(duì)比（32F～34F）Fig.12 Comparison of Shear Force of Column（32F～34F）

圖13 框架柱彎矩對(duì)比（32F～34F）Fig.13 Comparison of Moment of Column（32F～34F）

對(duì)比外框閉合模型與基準(zhǔn)模型中空區(qū)域水平構(gòu)件內(nèi)力對(duì)比可知，基準(zhǔn)模型與外框閉合模型的32F 與34F（相鄰樓層）的大部分內(nèi)力基本一致，僅框梁斷開(kāi)處兩側(cè)框架柱彎矩和剪力均較基準(zhǔn)模型有較大差別?；鶞?zhǔn)模型中框架部分可有效通過(guò)中空層的上下相鄰層構(gòu)件進(jìn)行水平地震剪力傳遞。

綜上所述，高區(qū)辦公中庭隔層中空導(dǎo)致外框雖無(wú)法閉合，但仍能通過(guò)其相鄰?fù)饪蜷]合樓層水平構(gòu)件有效傳遞水平地震剪力。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了某超B 級(jí)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于體型不規(guī)則的問(wèn)題，包括偏心率超20%的塔樓偏置、裙房透空以及核心筒剪力墻兩次收進(jìn)進(jìn)行分析與復(fù)核，并對(duì)框架核心筒結(jié)構(gòu)高區(qū)局部外框梁不閉合的問(wèn)題進(jìn)行分析。主要結(jié)論及采取措施如下：

⑴針對(duì)塔樓偏置造成的豎向不規(guī)則及裙房透空造成的水平不規(guī)則，對(duì)透空樓層的核心筒區(qū)域、裙房屋面層及塔樓第一層樓板均采取構(gòu)造加強(qiáng)，樓板厚度不小于150 mm，最小配筋率取0.25%［11］。同時(shí)考慮裙房端部的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)邊跨框架的地震力乘以1.15倍放大系數(shù)進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。

⑵對(duì)核心筒兩次收進(jìn)進(jìn)行復(fù)核，對(duì)收進(jìn)處剪力墻及連梁的抗剪能力進(jìn)行一定地構(gòu)造加強(qiáng)，同時(shí)收進(jìn)相關(guān)范圍樓板配筋采取一定構(gòu)造加強(qiáng)，雙層雙向配筋，最小配筋率采用0.2%。

⑶對(duì)高區(qū)隔層通高空中大堂造成的外框梁不閉合對(duì)比分析，其相鄰?fù)饪蜷]合樓層水平構(gòu)件可有效傳遞水平地震剪力，滿足性能目標(biāo)要求。