西部國際金融中心1#樓超限高層結構設計簡介

張東聲，陳 可

(成都惟尚建筑設計有限公司,四川成都610041)

1 工程概況

西部國際金融中心項目位于成都市錦江區，其中1#樓為綜合辦公、酒店功能的超高層單塔建筑。1#樓地上56層，7～35層為辦公(19，36層為避難層)，37～39層為酒店大堂及餐飲，40～56層為酒店客房(52層為避難層)，36層以下建筑平面由下至上逐漸收進。其6層裙樓為商業和酒店配套用房。1#樓地下5層，為商場、停車場及設備用房。塔樓頂標高為234.90 m，裙樓頂標高為33.50 m，首層室內外高差為0.100 m。總建筑面積:地上約16×104m2。

工程設計使用年限為50 a，建筑抗震設防類別裙房屋面以下為重點設防類(乙類)[1],裙房屋面以上為標準設防類，建筑安全等級為一級，建筑基礎設計等級為甲級。地下室頂板作為上部結構的嵌固端。根據抗震規范[2]，抗震設防烈度為7度，設計基本地震值為0.10g，多遇地震下水平地震影響系數最大值為0.08，設計地震分組為第三組。根據地質勘查報告，場地類別為II類，特征周期為0.45s。安評報告中多遇地震下水平地震影響系數最大值為0.096，特征周期為0.45s。10 a一遇基本風壓為0.2 kN/m2，,50 a一遇基本風壓為0.3 kN/m2，100 a一遇基本風壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度類別為C類[3]。結構整體計算時風荷載體型系數按荷載規范[3]取1.4。

2 結構體系

1#樓結構采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系。其中鋼筋混凝土框架部分：負2層至18層主樓框架柱采用型鋼混凝土柱；18層以上采用鋼筋混凝土柱(其中18層～20層為鋼筋混凝土柱加芯柱作為過渡段)，框架梁為鋼筋混凝土梁。核心筒部分：采用鋼筋混凝土剪力墻筒體，分別在3層、7層、20層、37層四個位置逐步收進，如圖1所示。

結構受力體系分別由外框柱+核心筒+連梁組成，共同構成多道設防結構體系，提供結構必要的重力荷載承載能力和抗側剛度。重力荷載通過樓面水平構件傳遞給核心筒和外框柱，最終傳遞至基礎。水平荷載產生的剪力和傾覆彎矩由外框架與核心筒共同承擔。其中剪力主要由核心筒承擔，傾覆彎矩由外框架與核心筒共同承擔。

圖1 結構正立面圖

3 結構抗風計算分析

按工程主體結構高度234.9 m進行插值，得到在側向荷載作用下的層間位移角限值為1/530；100 a一遇風荷載作用下結構兩個方向的層間位移角計算結果分別1/2318和1/1343，均滿足高規[4]的位移角限值要求。

按照高規[4]要求，在10 a一遇的風荷載標準值作用下，結構頂點的順風向和橫風向振動最大加速度值不應超過0.15 m/s2。經驗算，本工程在10 a一遇的風荷載標準值作用下，X向順風向與橫風向結構頂點最大加速度為0.036 m/s2；Y向順風向與橫風向結構頂點最大加速度為和0.041 m/s2；均滿足高規[4]的要求。

4 結構小震反應譜分析

4.1 安評報告與規范對應的地震作用

安評報告給出的多遇地震影響系數曲線與抗震規范[2]對應的影響系數曲線進行對比，安評報告給出的影響系數在各周期點均小于于規范的對應值，特別在3.0 s以后下降幅度大于或遠大于規范反應譜。因此在結構小震彈性計算分析時采用規范給出的影響系數曲線，并取影響系數最大值0.09，根據規范對應比例推算出結構需滿足的最小剪重比應為1.35 %。結構中震、大震也以規范給出的影響系數曲線作為設計依據。

4.2 結構質量與周期

采用SATWE程序計算結構X、Y兩個方向的剛重比分別為2.43,2.29，均大于1.4，滿足整體穩定性要求；均小于2.7，需考慮重力二階效應。計算振型取72個，周期折減系數為0.9，考慮0.2V0調整。SATWE和ETABS兩種軟件的計算結果見表1，可知兩者計算的地震基底剪力、振動模態和周期基本一致。

表1 常遇地震作用下SATWE與ETABS計算結果對比

5 小震彈性時程分析

小震時彈性時程分析選用2組天然波和1組人工波，這3組時程波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所用的小震地震影響系數曲線相比，在對應于結構前3階振型的周期點上相差不大于20 %。根據安評報告，地震波主方向峰值加速度調整為40gal，次方向調整為34gal，不考慮豎向地震作用。地震波持續時間均超過30 s，大于結構基本周期的5倍，時間步長為0.02 s。時程分析所得各地震波作用下結構的底部剪力見表2，每條地震波計算所得結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65 %，多條地震波計算的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法結果的80 %。

表2 小震時程與反應譜基底剪力的對比

6 超限情況及主要抗震措施

6.1 超限情況

對照住房和城鄉建設部文件《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[5]，本工程有以下超限項目：(1)結構主體高度234.9 m超過規范B級高度的限制；(2)平面扭轉不規則，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2；(3)偏心布置，裙房與塔樓偏心率大于0.15；(4)39層大堂入口上空開洞面積大于30 %，屬樓板不連續并同時存在穿層柱；(5)部分核心筒剪力墻采用筒體收進(3層、7層、20層、37層)。

6.2 主要抗震措施

6.2.1 抗震等級

本工程所在地設防烈度為7度，建筑抗震設防類別裙房屋面以下為重點設防類，應按高于本地區設防烈度一度的要求加強抗震措施；對于筒體底部加強區延伸至裙房屋面上1層，抗震等級提高一級，按特一級；筒體豎向收進部位(20層、37層)上下各一層豎向構件抗震等級提高一級，按特一級。

6.2.2 分析措施

(1)結構分析時，計入雙向水平地震作用下的扭轉影響；采用地下室頂板嵌固和負1層樓面嵌固兩個模型進行結構計算，包絡設計。

(2)根據小震彈性時程分析計算得到的樓層地震剪力包絡值，調整振型分解反應譜法計算所得結構各樓層的地震剪力。

(3)對斜柱變斜率較大位置、筒體收進上下層、樓板不連續樓層，計入樓板實際平面內剛度。對變斜率較大位置框架梁按照壓彎構件進行分析設計。

6.2.3 性能目標

針對本工程結構類型及不規則情況，設計采用結構抗震性能設計方法進行補充分析和論證。本工程高度超過規范限值較多，設計根據結構可能出現的薄弱部位及需要加強的關鍵部位，依據《高規》針對性的選用C級性能目標及相應的抗震性能水準(部分關鍵構件予以一定的提高)。對應抗震性能設計目標的選擇見表3。

表3 結構抗震性能設計目標及震后性能狀態

7 基礎設計

本工程采用框架-核心筒結構，墻柱下軸力較大，底板下為中等風化巖層。綜合甲方的工期要求及經濟性分析，塔樓及裙房采取平板式筏形基礎。塔樓核心筒下部筏板厚度為3.8 m，埋深25.1 m；核心筒以外部分筏板厚度為3.0 m，埋深24.3 m；裙房筏板厚度為0.9 m，柱下筏板局部加厚為1.1～1.7 m。

8 斜柱不利作用驗算

由于斜柱斜率變化引起的水平推力，通過樓面梁傳向中筒剪力墻。斜率變化最大且柱軸力最大的部位由此產生的水平推力最大，因此選取斜率變化最大的下部樓層作為考察此水平力的樓層。為了考察此樓層與斜柱相連的樓面梁在豎向荷載、小震彈性及中震彈性作用下的軸力情況，采用ETABS進行不同工況作用下的樓面梁軸力分析，水平梁配筋按照壓彎構件計算配筋。同時通過比較對應墻肢的抗剪承載力，復核剪力墻完全能夠承擔此剪力，無需采取特別加強措施。

9 罕遇地震彈塑性時程分析

罕遇地震的地震影響曲線按抗震規范[2]選取，采用與罕遇地震影響系數曲線在統計意義上相符的1組人工波和2組天然波，用ABAQUS軟件對結構進行彈塑性時程分析。根據抗震規范[2]，地震波主方向峰值加速度調整為220gal，次方向調整為187gal。地震波持續時間均超過30 s，大于結構基本周期的5倍，時間步長為0.02 s。時程分析所得計算結果見表4。3條地震波算得的X，Y兩個方向最大層間位移角均未超過規范要求的1/100限值。

從時程分析過程來看，外框柱均未出現混凝土受壓損傷和鋼骨、鋼筋塑性應變，各層樓面梁僅個別位置出現輕微鋼筋塑性應變，外框架抗震性能良好。筒體未出現剪切破壞，連梁的塑性發展較明顯。整體來看，結構在罕遇地震作用下的彈塑性反應及破壞機制，符合結構抗震工程的概念和要求。

10 結束語

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒體系。針對工程超限情況，結構設計通過豎向及平面結構的合理化布局及全

表4 大震時程分析計算結果匯總

面的、細致的計算對比分析，確保對重力荷載、地震作用、風荷載的合理評估，對關鍵構件采取更為嚴格的抗震構造措施，關鍵抗側構件18層以下的框架柱采用型鋼混凝土等高延性構件，薄弱部位提高結構安全標準及耗能水平，確保整體延性的發揮。同時在整體結構及構件設計中全面融入抗震性能化設計的思想，對于外框架、核心筒剪力墻具有中震下抗震承載力不屈服，抗剪承載力保持彈性，大震下關鍵構件的抗震承載力不屈服，所有豎向構件的抗剪截面不屈服的抗震性能，滿足設定的抗震性能目標。

雖然本工程結構多項超限，但通過采取一系列有效的分析手段和設計加強措施，使結構體系達到安全合理的結構設計要求，目前本工程已經主體結構封頂。

[1] GB 50223-2008建筑工程抗震設防分類標準[S]

[2] GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S]

[3] GB 50009-2001建筑結構荷載規范.(2006年版)[S]

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S]

[5] 建質[2010]109號 超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S]