廣州某超限高層結構設計探討

楊志強,劉洋,王素裹

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院 廣東廣州 510060；2.福州大學土木工程學院 福建福州 350116)

廣州某超限高層結構設計探討

楊志強1,劉洋1,王素裹2

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院 廣東廣州 510060；2.福州大學土木工程學院 福建福州 350116)

廣州某超高層建筑A、B塔地上為42層，主要高度153.9m，采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系。針對該超高層結構形式復雜，超限內容較多，體型不規則的結構特點，對結構進行了性能化設計，根據性能化設計目標進行了結構計算及關鍵構件的分析與設計，對今后類似的工程設計提供一定參考。

超高層建筑；性能目標； 結構計算

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1 工程概況

廣州某商業廣場項目位于廣州市番禺區萬博大道與漢溪大道交匯處?？偨ㄖ娣e345668m2，地上建筑面積242230m2，地下建筑面積105439m2。超高層寫字樓A、B塔地上為42層，地下3層，主要高度153.9m。建筑效果圖見(圖1)，剖面圖見(圖2)。

圖1 建筑效果圖圖2 建筑剖面圖

本工程結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級；抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，特征周期0.35s，抗震設防分類為丙類?；撅L壓強度驗算時按100年重現期的基本風壓值0.66kN/m2采用，位移驗算時按按50年重現期的基本風壓值0.60kN/m2采用，建筑物地面粗糙度為B類，風荷載體型系數取1.4。

2 結構體系

根據本工程塔樓和裙房連為一體的特點，確定采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構結構體系。核心筒外墻厚度從下到上由800mm減小到550mm；外框架柱截面由1600mmx1600mm減小到1200mmx1200mm；標準層采用鋼筋混凝土樓蓋體系，板厚h=110mm， 5層樓面(裙房開大洞)板厚為150mm，6層樓面(裙房頂)和屋面板，板厚h=150mm。塔樓結構標準層平面圖參見(圖3)。

圖3 塔標準層結構平面布置圖

3 工程場地安全性評價

根據廣東省工程防震研究院所作《工程場地地震安全性評價報告》有關結論如下：工程場地覆蓋層厚度3～20m，等效波速190.8～240.0 m/s，場地土類型中軟土～中硬土，場地類別為Ⅱ類；根據場地地震測試孔鉆探揭露，未發現有活動性斷裂通過；場地內不存在飽和砂土層和較厚的軟土層，不會發生砂土液化和軟土震陷現象，屬于抗震有利地段。地震參數如(表1、2、3)。

表1 工程場地63%、10%和2%的地震烈度及基巖加速度峰值

表2 工程場地水平的地面加速度峰值平均值

表3 設計地震動參數與規范值

4 結構超限情況和性能化抗震設計目標

4.1 結構超限情況

參照《建筑抗震設計規范》[1]、《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]和《廣東省超限高層建筑工程抗震設防審查細則》[3]有關規定，本工程結構主要超限情況見下(表4)：

表4 結構主要超限情況表

4.2 性能化抗震設計目標

針對本工程結構的特點和超限內容，按《高層建筑混凝土結構技術規程》本工程各構件性能化設計指標見(表5)：

表5 結構各關鍵部位性能目標及驗算結果匯總

5 主要計算分析結果

5.1 彈性整體計算

選用SATWE軟件和Midas-building軟件分別進行結構整體分析，主要計算結果詳見(表6)。兩個軟件風荷載及地震作用計算值有些差異，但差異不大，在合理的范圍之內。

表6 主要計算結果匯總

5.2 結構的彈性時程分析

采用SATWE程序對結構進行了常遇地震下的彈性時程分析。彈性時程分析采用的3條地震波； 分別為天然波TH1TG040、天然波TH4TG040、人工波DZ1AUser1，其記錄步長均為 0.02秒；其中USER1為廣東省工程防震研究院所作《場地地震安全性評價報告》提供的人工模擬的加速度時程曲線，TH1TG040、TH24TG040則為實測天然波的加速度時程曲線。三條地震波作用下結構彈性時程反應與規范反應譜法計算結果比較如(表7)所示。

表7 時程分析計算參數和結果摘要

彈性時程分析結論：

a.時程分析結果滿足平均底部剪力不小于振型分解反應譜法結果的80%，每條地震波底部剪力不小于反應譜法結果的65%的條件；

b.由上述計算結果對比可見，彈性時程分析的樓層反力和位移平均值小于規范反應譜結果，反應譜分析結果在彈性階段對結構起控制作用。

c．樓層位移曲線下部以彎曲型為主，上部以剪切型為主，位移曲線光滑無突變，反映結構側向剛度較為均勻。

d．各條時程地震波下的層間位移角曲線形狀均較相似。

5.3 中震彈性分析

根據“中震可修”的原則，允許結構次要部位開裂，即對應作為第一道防線的剪力墻連梁開裂、剛度折減至0.4，考慮在中震作用下框架梁的開裂，同時按規范規定中震(50年，10%概率)地震影響系數0.23輸入，計算同時需考慮結構的P-Δ效應，整體分析仍按基于彈性的振型分解反應譜法計算。分析中震計算結果最大位移(見圖4)：X向為1/405、Y向為1/ 510，計算剪力墻加強區邊緣構件按中震彈設計。

圖4 塔樓中震作用下位移曲線圖

5.4 靜力(PUSHOVER)彈塑性分析

本工程采用PPUSHOVER分析評價結構在大震作用下是否能滿足預先設定的目標性能。PUSHOVER分析中控制性參數選?。耗繕宋灰茷?.53m[為樓高(包括地下室及屋頂)的1/100]，側向荷載模式為倒三角模式，考慮P—△效應，考慮初始重力荷載，計算X與Y向地震作用。

圖5 X、Y向大震作用下能力譜-需求譜曲線

7 結論

綜上所述，本工程雖然為B級高層建筑適用高度，結構形式復雜，存在多項不規則，但在設計中采用性能設計方法，根據抗震原則及建筑特點，對整體結構體系及布置進行仔細的考慮并作優化，使之具有良好的結構性能。在抗震設計中，除保證結構在小震下完全處于彈性階段外，還補充了主要構件在中震下表現的性能要求，再采取多種計算程序進行了彈性、彈塑性的計算，計算結果表明，多項指標均表現得較為良好，基本滿足規范的有關要求，使可控制的不規則程度得到基本有效控制。同時又通過概念設計及各階段的計算程序分析結果，對關鍵和重要構件作了適當加強，在構造措施方面亦相應作了處理，以達到結構的抗震設防目標。

[1]GB50011-2010 建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ3-2010高層建筑混凝土結構設計規程[S].

[3]廣東省超限高層建筑工程抗震設防審查細則[S].

大震作用下X向與Y向能力譜-需求譜曲線見(圖5)。圖上可以看出，結構在X方向需求層間位移角為1/126，需求點對應的總荷載步號為63；Y方向需求層間位移角為1/204, 需求點對應的總荷載步號為32；均滿足罕遇地震下規范規定變形要求。

X、Y方向對應步號相對的結構桿端塑性狀態圖見(圖6)?？梢钥闯觯Y構在罕遇地震作用下，連梁大部分開裂，塑性鉸大部分都出現在水平構件，主要集中在底部加強層區域內；在性能點處，核心筒剪力墻四周出現裂縫，尤其是底部加強區內較為嚴重，應對底部剪力墻墻肢及全樓層核心筒四周采取加強措施。

(a)X向第63步 (b)Y向第32步

6 結構超限的主要措施

根據分析結果，采取以下加強措施：①對底部加強部位的鋼筋混凝土核心筒剪力墻，抗震等級取特一級，底部加強部位核心筒墻按中震彈性設計；②對B-4塔五層夾層樓板，采取加強板厚由120mm加強到150mm，局部200mm，每層每向配筋率不少于0.30%；③裙房頂層與塔樓相鄰跨區域樓板均加強板厚由120mm加強到150mm，每層每向配筋率不少于0.30%；④對核心筒區域采用加強構造措施，如核心筒四個角部采用約束構件直通到頂層、核心筒每個樓層設暗梁等，進而提高整個核心筒的延性。

The Discussion of the Structure Design of a Super-High Rise Building in Guangzhou

YANGZhiqiang1,LIUYang1,WANGSuguo2

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute Guangzhou, 510060;2.Civil Engineering College, Fuzhou University Fuzhou, 350116)

A super-high rise building in Guangzhou consists of 42 floors above the ground. The main height of the building is 153.9 meters. The structure of the building used the reinforced concrete frame-core tube system. A performance based structure design was adopted in order to solve the structural complexity involved in the design. A series of structural calculation, analysis and design were conducted based on the performance based design, to provide a reference for future similar project design.

Super-high rise building; Performance objectives; Structural calculation

楊志強(1982- )，男，工程師。

2015-03-21

TU973

A

1004-6135(2015)04-0059-05