杭州余政儲出5 號樓結構設計

李 松

LI Song

(浙江西城工程設計有限公司，浙江 杭州310023)

1 工程概況

余政儲出［2012］63 號地塊位于浙江省杭州市余杭區，緊鄰地鐵1 號線臨平站，南鄰臨東路，西臨迎賓路，東鄰八號路，交通便利，自然條件良好。其5#樓屋面結構高度162.2 m，建筑平面為矩形，結構布置比較規則對稱。該樓建筑造型輕盈挺拔，建筑效果圖及剖面圖見圖1、圖2。該樓地面以上38 層(含屋頂機房層)，主要用于銀行、餐飲、辦公等商業功能，地面以下2 層，主要為停車場、管理用房及各類機電設備用房。該樓設計使用年限為50年，安全等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類。

2 結構體系

杭州余政儲出5#樓高度較高，采用框-筒結構。核心筒剪力墻采用現澆鋼筋混凝土，具有剛度大，耐火性能好，初始造價和后期維護的費用都較低的特點。筒體一直延伸至塔樓頂部，外包尺寸為28.8 m×12.6 m。框架由混凝土柱和混凝土梁組成，外框架梁截面為400 mm ×850 mm，內部框架梁截面500 mm × 900 mm，次梁截面為300 mm ×700 mm，結構布置圖見圖3、圖4。樓板基本無開洞，樓板削弱較少，能夠協同框架與剪力墻的整體受力，門廳位置有較大洞口，存在樓板局部缺失。

圖1 建筑效果圖

圖2 剖面圖

3 主要設計參數

3.1 基本荷載取值

結構自重程序自動計算，樓面活荷載按規范［1］取值:門廳、走廊2.5 kN/m2，獨立衛生間2.5 kN/m2，公共衛 生 間8. 0 kN/m2，樓 梯3.5 kN/m2，避 難 層7.0 kN/m2，設備房5.0 kN/m2。

3.2 風荷載、雪荷載及地震作用

采用50年一遇基本風壓0.45 kN/m2，房屋高度大于60 m 時，承載力設計時風荷載效應放大系數為1. 1，地面粗糙度按C 類考慮。基本雪壓取0.45 kN/m2。根據建筑抗震設計規范［2］，杭州市抗震設防烈度為6 度，設計基本地震加速度值為0.05 g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45 s。多遇地震作用下結構阻尼比取0.05。

4 結構難點及抗震性能設計

本工程為框架-核心筒結構的超限建筑，如何發揮結構核心筒與框架的空間協同能力及保證剪力墻的延性成為設計難點。通過分析研究制定了結構抗震性能目標:小震下結構處于彈性狀態，控制結構的抗震承載力并使層間位移滿足抗規要求;中震下底部加強區部位豎向構件按中震不屈服設計;大震下主體結構部件處于彈塑性狀態，控制最大層間位移角。

5 計算模型與計算分析

利用PKPM 和Midas 兩種軟件進行彈性分析并作比較，另附以PKPM 彈性時程分析進行補充分析，且兩種軟件分析所建立的模型，在設計參數、構建材料尺寸，荷載取值等方面保持一致性。用PKPM 分析時，梁柱按桿單元、剪力墻按墻單元、樓板按板單元進行計算;用Midas 分析時，梁柱按梁單元、剪力墻和樓板按板單元進行計算。

表1 周期和振型

圖3 3～9 層結構布置

圖4 其他標準層結構布置

5.1 彈性分析

經驗算，本工程地下1 層側向剛度大于首層側向剛度的2 倍，地下室頂板具備了作為嵌固層的必要條件，同時地下室頂板構造滿足建筑抗震設計規范相關構造要求，據此，取地下室頂板作為上部結構的嵌固端。本工程采用考慮扭轉耦聯振型反應譜法，分別計算X、Y 兩個方向的地震水平作用。將SATWE 與Midas 的計算結果進行比較，所得的周期比、傾覆力矩、最大位移等見表1～3。

表2 基底剪力和傾覆彎矩

表3 頂點位移與最大位移角

由表1～3 可知，結構的最大層間位移角滿足抗規要求，周期比小于0.85，考慮偶然偏心作用，X 向豎向構件位移比均小于1.2，計算得出結構的剛重比均大于2.7，可不考慮二階效應［3］。地震作用下X 向的層間位移角見圖5。

圖5 X 向的層間位移角

5.2 彈性時程分析

采用彈性時程分析法進行多遇地震補充驗算時，當取三組加速度時程曲線輸入時，計算結果宜取時程法包絡值和振型分解法的較大值。選取2 組天然波和1 組人工合成的加速度時程波進行彈性時程分析，每組時程波均按3 個方向輸入，加速度有效峰值為18 cm/s2，三向輸入比例為:水平主向：水平次向：豎向=1.00：0.85：0.65。計算所得到結構底部剪力及其與規范反應譜作用下底部剪力比見表4。

表4 彈性時程分析法基底剪力

由表4 可知，各時程波基底剪力滿足不小于反應譜剪力65%的要求，其平均值也滿足不小于反應譜80%的要求。

6 罕遇地震作用下結構彈塑性動力分析

罕遇地震作用下的結構彈塑性動力分析采用Computer and Structures，Inc 的三維非線性結構分析軟件Perform 3D，得到結構反應的時間歷程，判斷抗側力體系的損傷程度和達到的性能水平，考察結構頂點位移、層間位移角、基底剪力等整體性能，并考察應力和變形的集中情況以及結構的屈服機制、薄弱環節及可能破壞類型，提出可供設計參考的加強措施來保證結構在罕遇地震作用下具有較好的承載能力和延性，保證結構滿足罕遇地震作用下的抗震性能目標［4］。

6.1 構件物理模型

在Perform-3D 中建立空間三維非線性分析模型中，墻單元截面采用含鋼筋纖維和混凝土纖維的纖維截面及非彈性剪切纖維來模擬，連梁采用跨中設置剪切鉸的纖維截面桿單元模擬，框架梁柱采用纖維截面桿件單元模擬，在保證構造措施的前提下，不考慮鋼筋的滑移，鋼筋和混凝土之間完好粘接且變形協調。

表5 地震波主要特性參數

6.2 計算結果及分析

本工程選取三組地震波來進行彈塑性時程分析，其主要特性參數見表5，水平地震影響系數最大值為0.28，特征周期0.45 s，各地震作用有效持續時間為結構基本周期的4.8～7.4 倍。得到的層間位移角最大值包絡曲線見圖6。當DZ2 以Y 方向為主方向輸入時，在結構32 層處的層間位移角最大，三條地震波輸入都出現最大層間位移角的樓層為30層附近，結構的層間位移角均小于規范規定彈塑性層間位移角限制1/100。

圖6 層間位移角最大值包絡曲線

通過觀察結構的整體塑性發展過程可知:初始階段，結構整體無任何損傷，整體處于彈性狀態;隨著地震波幅值增大，少量連梁和框架開始進入塑性狀態，框架柱和剪力墻依然保持彈性;接近地震波最大峰值時，底部剪力墻和上部局部墻肢混凝土開裂，框架梁開始進入塑性狀態;達到峰值后的一段時間，上部剪力墻逐步進入塑性狀態，但框架柱依然保持彈性狀態;地震將結束時，剪力墻進一步開裂，部分連梁受剪屈服，部分框架梁受彎屈服，框架柱仍然保持彈性，直至地震波結束，整體塑性不再繼續發展，結構宏觀損壞程度為“中度損壞”。

7 工程技術措施

為保證結構具有足夠的強度和延性，加強外部框架與內筒的聯系及協同受力能力，對結構重要部位采取如下加強措施。

(1)剪力墻底部加強部位抗震構造措施提高至一級。底部加強區框柱軸壓比控制在0.75 以內，設計時將底部加強區墻身水平和豎向分布筋最小配筋率提高到0.4%，其他部位剪力墻最小配筋率提高到0.3%;對于個別剪切屈服應變等級超過5 級的，其邊緣構件縱筋配筋率為約束邊緣構件時不小于1.5%，為構造邊緣構件時改為約束邊緣構件。

(2)設置約束邊緣構件上兩層為過渡層，適當加強過渡層配筋。

(3)按照規范、計算和構造要求，適當提高連梁配箍率及腰筋，對高跨比較大的連梁，適當設置斜向交叉暗撐。

(4)對樓板應力較大部位選取合適的樓板厚度，并采用雙層雙向配筋，局部應力較大位置根據計算結果加大配筋，并控制鋼筋應力。

8 結 語

本工程在小震作用下采用PKPM 和Midas 分析得出的各項指標均滿足抗規要求。由于結構為超高層，為保證結構抗震能力、延性以及有良好的空間工作性能，采取了一些加強措施，使得結構在大震作用下無明顯的薄弱層，以此滿足“大震不倒”的抗震設防目標。

［1]中國建筑科學研究院. GB 50009—2012 建筑結構荷載規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［2]中國建筑科學研究院.GB 50011—2010 建筑結構抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3]中國建筑科學研究院.JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［4]趙靜濤，鄒慕燕，趙宇鵬.超限框支高層抗震墻建筑結構設計［J］.土木建筑工程信息技術，2011(6):79 -85.