成都某超高層辦公樓結構設計可行性分析

蔣 媛 劉開強

成都某超高層辦公樓結構設計可行性分析

蔣 媛1劉開強2

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川成都 610072;2.漢嘉設計集團股份有限公司 四川成都 610041)

成都某超高層辦公樓主體結構高度為154.900 m，采用框架－核心筒結構體系。介紹了工程的結構體系及布置、抗震設防性能目標。通過不同程序進行計算，對結構整體計算結果、罕遇地震作用下的動力彈塑性分析結果進行分析。結果表明，工程各項計算指標比較理想，均滿足規范要求。針對結構的超限情況提出了相應的超限對策及加強措施。

超高層結構 框架－核心筒結構 抗震性能設計 動力彈塑性分析

1 工程概況

本工程為成都地區某辦公樓，主樓為框架－核心筒結構，地上39層，1層層高5.90 m，標準層層高3.70 m;地下室4層，地下1層、2層、3層、4層層高分別為4.55 m，3.90 m，3.90 m，6.00 m;結構層面總高度為 154.900 m，屋頂造型幕墻頂高度為173.90 m。主樓按嵌固在地下室頂板上設計，頂板厚度180 mm，地下室埋深為19.00 m。結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級。抗震結構安全等級為標準設防類，抗震設防烈度為7度0.10g，場地類別為II類，設計地震分組為第三組，多遇地震下水平地震影響系數最大值為0.08;基本風壓取50年重現期的風壓0.30 kN/m2，承載力設計時為基本風壓的1.1倍，地面粗糙度類別為C類，風荷載體型系數取1.4。

2 結構布置

主樓標準層平面為不規則橢圓，標準層平面布置見圖1。核心筒剪力墻厚度沿高度由600 mm漸變為300 mm，混凝土強度由C60漸變為C30;框架柱沿高度由1 300 mm×1 500 mm漸變為800 mm× 800 mm，混凝土強度由C70漸變為C40;各樓面梁、板的混凝土強度等級均為C30。

圖1 標準層結構布置示意圖Fig.1 The layout diagram of typical floor

3 結構超限情況及抗震性能目標

主樓結構高度為154.900 m，超過《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3－2010)［1］(簡稱高規)中7度設防時A級高度框架－核心筒結構高度限值130 m，故本工程為B級高度超限高層。同時根據《高規》和《建筑抗震設計規范》(GB 5011－2010)［2］(簡稱抗規)，本工程還存在考慮偶然偏心的扭轉位移比為1.3，大于1.2，小于1.4，屬于扭轉不規則。根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》［3］和《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準》［4］，本工程為具有一項不規則的B級高度高層建筑結構。

根據上述超限情況及《全國民用建筑工程設計技術措施》(混凝土結構)［5］附錄D中D.0.1－D.0.6條，綜合考慮抗震設防類別、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各項因素，本工程結構抗震性能目標定位為D等級，結構或構件抗震性能目標見表1。

表1 結構或構件抗震性能目標Table 1 The performance－based seismic objectives of structure and structural member

4 結構分析及計算結果

4.1 風荷載和多遇地震作用下的彈性分析及結構抗震性能評價

根據《高規》和《抗規》要求，本項目采用兩個不同力學模型結構分析軟件(YJK－A，MIDAS)進行多遇地震作用下的結構整體計算。結構嵌固部位設在地下室頂板，整體計算時輸入地下室以考慮其對上部塔樓的影響。風荷載和多遇地震作用下的結構計算結果見表2。

表2 多遇地震作用下的結構計算結果Table 2 The calculation results of the structure under frequent earthquake

結果表明，工程各項整體指標均能滿足《高規》和《抗規》的要求。柱的軸壓比和各構件的強度及變形也均能滿足要求，完全能達到多遇地震作用下“完好，變形遠小于彈性位移限值”的第一階段的抗震性能目標。

根據《高規》相關規定，本工程為復雜高層結構，需進行多遇地震作用下的彈性時程分析。通過YJK－A軟件，選取5條實際地震波(User1，User2，User3，TH1TG045，TH4TG045)和 2條人工波(RH3TG045，RH4TG045)共7條加速度時程曲線進行計算，輸入地震波最大加速度值X向和Y向分別為:35 cm/s2和29.7535 cm/s2。7條波的平均譜與《抗規》規范譜的對比詳見圖2，在主要周期振型點上，平均譜與規范譜相差不大于20%，滿足《高規》在統計意義上相符的規定。

通過 YJK－A軟件，采用振型分解反應譜(CQC)法和時程分析法對結構進行小震作用下的彈性時程分析，計算結果見表3。

結果表明，在多遇地震作用下，CQC法的計算結果大于7條波時程分析結果的平均值。在進行施工圖設計時，按CQC法的計算結果進行配筋設計。

圖2 規范譜與地震波譜對比圖Fig.2 Contrast figure of CODE SPECTRUM and seismic wave spectrum

表3 多遇地震作用下彈性時程計算結果Table 3 The calculation results of the Elastic time history analysis under frequent earthquake

4.2 設防烈度地震作用分析及結構抗震性能評價

根據《高規》，綜合考慮抗震設防烈度、結構體型規則性、超限程度等因素，本工程采用相對簡化的等效彈性方法進行設防烈度地震作用下的性能分析。分析采用的分析軟件為YJK－A，地震影響系數取0.23，內力調整系數取為1(即強柱弱梁、強剪弱彎等均不調整)，不計算風荷載，連梁剛度折減系數0.4，阻尼比0.06，周期折減系數1.0，中梁剛度系數不放大。設防烈度地震作用下的最大層間位移角計算結果見表4［3］。

表4 設防烈度地震作用下的最大層間位移角Table 4 The maximal inter－story displacement angle by intermediate earthquake

設防烈度地震驗算結果表明其最大層間位移角滿足所設定的性能目標要求。通過對塔樓在設防烈度地震作用下不屈計算結果進行分析，底部加強區部位的剪力墻和塔樓框架柱縱向鋼筋和箍筋均未出現超筋現象。部分框架梁和連梁縱向鋼筋或箍筋出現超筋情況，但滿足截面抗剪要求。因此，底部加強區部位的剪力墻和塔樓框架柱抗彎、抗剪均不屈，部分框架梁和連梁屈服，但滿足截面抗剪要求。抗震構件滿足表1中所設定的性能目標要求。

4.3 預估的罕遇地震動力彈塑性分析及結構抗震性能評價

本工程采用PUSH＆EPDA軟件進行彈塑性時程分析。主要計算參數:地震影響系數取0.50，內力調整系數取為1(即強柱弱梁、強剪弱彎等均不調整)，不計算風荷載，連梁剛度折減系數0.3，阻尼比0.07，周期折減系數1.0，中梁剛度系數不放大，特征周期0.50，其余分項系數均保留。在罕遇地震作用下，沿X，Y及斜交抗側力構件方向采用與多遇地震時程分析相同的7條地震波進行抗倒塌驗算。

圖3 0°方向最大層間位移角(單位:rad)Fig.3 The maximum inter story dis－placement angle of 0 DEG

圖4 90°方向最大層間位移角(單位:rad)Fig.4 The maximum inter story displacement angle of 90 DEG

通過對塔樓在罕遇地震作用下不屈計算結果進行分析，底部加強區部位的剪力墻和塔樓框架柱縱向鋼筋和箍筋均未出現超筋現象。部分框架梁和連梁縱向鋼筋或箍筋出現超筋情況，且出現比較嚴重破壞。罕遇地震作用下，底部加強區部位的剪力墻和框架柱抗彎、抗剪均不屈。部分框架梁和連梁較嚴重破壞。從圖3－圖5可以看出，在罕遇地震作用下的最大彈塑性層間位移角均小于1/115的規范規定限值，層間位移角無較大的突變，結構抗側力剛度比較均勻，無明顯薄弱層。結構整體及各構件的抗震性能滿足性能目標D的要求，結構能夠滿足“罕遇地震作用下不倒”的要求。

5 抗震加強措施

抗震的主要加強措施有:(1)嚴格控制核心筒剪力墻和塔樓框架柱的軸壓比、剪壓比，提高豎向構件的承載力和延性。(2)核心筒內部板加厚(150 mm)，配筋率不小于0.25%，增強結構的整體性。(3)塔樓框架柱箍筋直徑不小于12，間距不大于100 mm;底部加強部位的框架柱設置芯柱，提高框架柱的承載力和延性。(4)按設防烈度地震、預估的罕遇地震作用下底部加強區部分的剪力墻和塔樓框架柱抗彎、抗剪均不屈進行設計。

圖5 34°方向最大層間位移角(單位:rad)Fig.5 The maximum inter story dis－placement angle of 34 DEG

6 結論

(1)本工程為具有扭轉不規則一項的B級高度(房屋高度為154.900 m)超限高層建筑，通過對底部加強部位剪力墻、框架柱等關鍵構件及連接薄弱部位采取相應、有效的加強措施后，結構計算結果滿足規范要求。

(2)在多遇地震作用下，YJK－A和MIDAS模型計算結果在數值上雖存在一定的差異，但基本規律一致。

(3)設防烈度地震作用下，結構薄弱層的彈塑性位移角為1/449，滿足設定的性能目標要求。

(4)在預估的罕遇地震作用下，彈塑性動力時程分析結果顯示結構薄弱層的彈塑性位移角小于規范允許的限值，滿足大震不倒的要求。

本工程通過對多遇地震、設防烈度地震和預估的罕遇地震作用下結構的性能分析，計算結果中的各項指標均滿足現行規范和規程的要求，并在合理范圍內，結構方案可行。

［1］ 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，2011.

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

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點［S］.2010.

［4］ DB 51/T 5058－2008，四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準［S］.成都:四川省建設廳，2008.

［5］ 住房和城鄉建設部工程質量安全監管司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施:結構(混凝土結構)，2009版［M］.北京:中國計劃出版社，2012.

［6］ 董志峰，柳超，陳勇，等.沈陽樂天世界超高層住宅樓抗震設計［J］.建筑結構，2014，44(19): 57－60.

Structure Design and Analysis of Feasibility for a Super High－rise Office in Chengdu

JIANG Yuan1，LIU Kai－qiang2

(1.Chengdu Hydroelectric Investigation＆Design Institute，Power Construction Corporation of China，Chengdu 610072，Sichuan，China;2.Hanjia Design Group Co.，Ltd.，Chengdu 610041，Sichuan，China)

Frame－core wall structure system was adopted in a super high－rise office in Chengdu，the height of which is 154.900 m.The structural system，structural arrangement，the seismic fortification and performance objectives of the super high－rise building were presented.The overall calculation results and Dynamic elastics－plastic analysis results under rare earthquake were analyzed through different programs.Results indicate that the technical parameters of the building all well satisfy the requirements of the specifications.In addition，the counter plans and strengthening measures were put for out－of－code situations.The overall structure can meet the requirements of the specifications on performance－based design.

Super high－rise structure;Frame－core wall structure;Performance－based seismic;Dynamic elastics－plastic analysis

TU318+.1

A

1671－8755(2015)03－0052－05

2015－03－24

蔣媛(1986—)，女，工學碩士，工程師，一級注冊結構工程師，注冊土木工程師(巖土)，主要從事建筑結構、巖土工程設計。E－mail:358524391@qq.com