蚌埠綠地中央廣場超高層結構設計

李俊鋒 （上海中森建筑與工程設計顧問有限公司，上海 200120）

1 工程概況

蚌埠綠地中央廣場項目，地處安徽省蚌埠市區東部，東接龍子湖風景名勝區，向西與主城區相望。項目由兩棟超高層辦公樓以及各自的三層商業裙房和整體地下車庫組成，總建筑面積約17×104m2。雙塔塔樓地上40層，其中3層以下為商業，層高4.8m，3層以上為辦公，辦公層高4.0m，地下1層層高7.3m。結構總高度為179.50m，建成后為蚌埠第一高樓（見圖1）。

建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級。設計基準期為50年，抗震設防烈度7度（0.10g），設計地震分組為第一組，建筑場地類別為II類，特征周期0.40s。重現周期50年基本風壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為B類，風荷載體型系數取1.4。

2 結構設計

2.1 結構體系

塔樓采用框架-核心筒結構體系，框架抗震等級為一級，筒體抗震等級為一級。結構平面如圖2所示，結構平面尺寸40m×40m，核心筒平面尺寸18m×19m；主體結構高寬比為4.1，核心筒的寬度與筒體總高的比值為1∶9，塔樓核心筒的邊長與建筑外框相應邊長的比值，X向為0.44、Y向為0.46,為以核心筒作為主要抗側力體系提供了非常有利的先天條件。

核心筒采用鋼筋混凝土結構，核心筒外圍采用較厚的墻體，由底部的700mm逐漸減薄至頂部的400mm，確保了連續均勻的剛度變化和合適的壓應力水平。外框架由位于建筑物外圍的20個框架柱及與其相連的框架梁構成。為增加框架柱的延性、減小柱截面，框架柱在7層以下采用型鋼混凝土柱，型鋼截面為大型焊接組合截面，含鋼率控制在4%左右。混凝土框架梁截面尺寸為450mm×700mm，與核心筒剛接。各標準層樓蓋采用現澆鋼筋混凝土梁板體系，核心筒內板厚取150mm，核心筒外板厚取110mm，以確保各層樓板有足夠的剛度，起到“橫隔”作用，協調外圍框架柱與核心筒在水平荷載下的變形。

圖1 建筑效果圖

圖2 標準層結構平面圖

2.2 基礎設計

本工程采用樁筏基礎，以⑦層中風化混合花崗巖作為樁端持力層，樁型采用φ900鉆孔灌注樁，樁長31m，單樁豎向承載力特征值為6300kN。主樓區域均采用3m厚筏板，以滿足筏板抗沖切和抗剪的要求；主樓筏板底標高為-10.30m，整個結構埋深10m，滿足規范不小于H/18的要求。基礎計算最大沉降量為13mm。

性能化設計目標匯總 表1

圖3 SATWE和ETABS計算模型

2.3 嵌固端選取

本工程塔樓、裙房的嵌固端均設置在地下室頂板，嵌固端以上塔樓、裙房設防震縫分開，使其形成完全獨立的結構單元。為滿足規范對嵌固端的要求，在塔樓地下室相關范圍內增設剪力墻以提高其抗側剛度，并將首層樓板加厚至200mm。

3 結構超限情況和抗震性能化設計

3.1 結構超限情況

該結構存在下列不規則情況：

①主體結構高度163.5m，總高179.50m，超過7度區A級框筒高度限值130m，為B級高層；

②扭轉不規則——位移比大于1.2，小于1.4；

③樓板不連續——二層結構平面樓板缺失50%；

④其他不規則——穿層柱、斜柱。

根據相關規定，本工程屬超限高層。

3.2 結構性能化設計

根據本建筑的工程特性，綜合考慮抗震設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等多方面因素，根據《高規》3.11節結構抗震性能設計的有關內容，確定本工程抗震性能化目標為D級，即在多遇地震、設防地震及罕遇地震作用下分別達到1、4、5三個水準的性能要求。各主要構件的性能要求見表1。

結合本工程超限情況以及性能化設計的目標，進行了以下相應的計算分析。采用兩個符合結構力學模型的程序（SATWE，ETABS），使用振型分解反應譜法對結構進行多遇地震下的彈性計算。應用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。采用SATWE進行中震不屈服計算，對底部加強區的剪力墻進行中震不屈服設計。采用PUSH&EPDA對結構進行大震彈塑性分析。

4 結構計算與分析

4.1 結構小震分析

分別采用SATWE和ETABS兩個軟件對結構進行多遇地震下的彈性分析，分析模型見圖3。

彈性計算分析的總體結果見表2。SATWE和ETABS兩種程序的質量、周期、剛度、變形等計算結果基本一致，說明計算結果是合理的，程序模型能正確模擬結構的真實情況。總體而言，結構平面和豎向布置規則、振型清晰，在風及多遇地震作用下，能保持了良好的抗側性能和抗扭轉能力，結構各項指標完全滿足多遇地震時的規范要求和結構性能目標。

超高層主要結果及分析匯總表 表2

4.2 結構中震分析

為實現中震作用下結構的性能目標，對結構相關構件分別進行彈性和不屈服設計。

對結構進行中震彈性設計，按計算結果對底部加強區核心筒和框架柱進行抗剪設計，以及對底部穿層柱進行截面設計。

對結構進行中震不屈服設計，阻尼比取值0.06，連梁剛度折減系數取0.4，按計算結果對底部加強區核心筒和框架柱進行抗彎設計，并確保加強區上部豎向構件截面抗剪不屈服。SATWE計算的最大層間位移角X、Y向分別為1/384和1/383，均小于1/247的限值，滿足中震下結構變形要求。

4.3 結構大震分析

4.3.1 大震靜力彈塑性分析（PUSH）

采用中國建筑科學院開發的PUSH對結構進行靜力彈塑性分析，推覆結果表明，在對應的大震工況下，X向和Y向的彈塑性層間位移角分別為1/203和1/191，均小于1/100，滿足“大震不倒”要求。考察結構加載過程，達到大震性能點時，結構底部加強區框架柱未出現塑性鉸，底部墻肢出現破壞點，但未產生貫通水平裂縫，表明墻體截面滿足抗剪要求。外框架承擔傾覆力矩比值增大，表明隨著筒體損傷，筒體剛度減小，部分地震力轉移到框架承載，外框架起到二道防線的作用。

4.3.2 大震動力彈塑性時程分析

采用EPDA程序對結構進行動力彈塑性分析。時程分析按建筑場地類別和設計地震分組選用兩條實際地震記錄曲線和一條人工波，三條波的平均地震影響系數曲線在主要周期點上的差值均控制在20%以內，所選地震波的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。

模型兩個方向輸入地震波，主方向地震波加速度峰值為220cm/s2，次方向地震波加速度峰值為187 cm/s2，兩條天然波的計算持時時間是50s，人工波的計算持時時間是30s。

彈性時程分析計算顯示，結果與振型分解反應譜法計算結果基本一致，每條時程曲線計算的底部剪力不小于振型分解反應譜法計算值的65%，不大于振型分解譜法計算值的135%，多條時程曲線計算的基底剪力平均值大于振型分解反應譜法計算值的80%，滿足規范要求。

4.3.3 主要分析結果

4.3.3.1 層間位移角

表3為動力彈塑性最大層間位移角，結構在三條地震波作用下，層間位移角均小于1/100，滿足規范“大震不倒”的要求。

最大層間位移角 表3

4.3.3.2 基底剪力

表4為結構各階段基底剪力。其中小震輸入地震波的峰值為40cm/s2，大震輸入地震波的峰值是220 cm/s2。結構在罕遇地震作用下的基低剪力為多遇地震作用下基底剪力的2.85~3.82倍。由此表明，由于結構在罕遇地震作用下混凝土構件發生損傷乃至破壞，出現塑性變形，結構側向剛度隨之減弱，阻尼比增大，散耗地震能量，使得大震下結構地震響應顯著降低。

基底剪力 表4

4.3.3.3 結構塑性鉸整體分布分析

輸入USER23地震波時，結構的彈塑性層間位移角最大，因此對USER23地震波作用下結構的塑性鉸分布進行分析。塑性鉸分布狀況如下：連梁先出現塑性鉸，剪力墻底部出現受拉和局部受壓損傷，大部分連梁出現塑性鉸，外框架柱沒有發生塑性鉸，大部分框架梁出現塑性鉸。

4.3.4 結論

通過對結構進行靜力彈塑性分析和動力彈塑性時程分析，可以得出如下結論及建議：

結構整體及主要構件在大震下的表現能夠滿足《抗震規范》性能5的抗震性能目標。結構層間彈塑性位移角小于1/100，滿足大震不倒的要求。

核心筒剪力墻的連梁先出現鉸，大部分核心筒剪力墻連梁形成彎矩屈服鉸進入塑性狀態，大部分框架梁形成彎矩屈服鉸進入塑性狀態。剪力墻底部出現受拉和局部受壓損傷，但并未成片屈服，結合建筑使用功能，核心筒底部外圍剪力墻適當加強。框架柱未出現塑性鉸，整體結構具有較好耗能體系和整體性。

5 關鍵構建設計

①針對入口大堂挑空形成的二層樓板不連續，對二層、三層樓板進行適當加強，板厚取150mm，并進行樓板彈性分析，根據應力分析結果對樓板進行設計，并且雙層雙向配筋，每層每個方向配筋率不小于0.25%。

②為改善混凝土核心筒的延性，采取了下述的措施：

a.對筒體開洞形成的5~8倍墻厚范圍的墻肢，嚴格按照規范要求布置邊緣構件；對小于5倍的墻肢，按框架柱的要求進行設計；

b.對連梁耗能構件，一般剪壓比控制在0.2以下，對跨高比小于2.5的連梁除配普通箍筋外，為了提高墻體的抗剪和抗震能力，考慮在連梁中布置斜向鋼筋；

c.為提高延性，核心筒角部全高范圍內均設置約束邊緣構件，并且在1~7層角部約束邊緣構件中設置構造型鋼，含鋼率不小于4%。

6 結 論

①采用鋼筋混凝土框架-核心筒的結構體系能滿足7度區180m超高層結構對承載力變形及穩定性的要求。

②結構平面立面布置規則，彈性計算分析結果表明，該結構整體動力特性規則，側向剛度均勻，在地震和風荷載作用下結構有良好的響應。

③對于以高度超限為主的超高層結構，確定合適的性能設計目標，并通過必要的中震和大震計算分析加以實現，是此類超限結構設計的重要手段。

[1]GB50011－2010,建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[2]JGJ3-2010,高層建筑混凝土技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[3]徐培福,戴國瑩.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].土木工程學報,2005(1).