福建海峽銀行辦公大樓結構超限設計

翁錦華　莊晨

(福州市建筑設計院　福建福州　350011)

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福建海峽銀行辦公大樓結構超限設計

翁錦華莊晨

(福州市建筑設計院福建福州350011)

分析介紹了福建海峽銀行辦公大樓結構設計特點及結構體系，超限類型及核心筒剪力墻、躍層柱抗震性能目標，超限設計時多遇地震下多個計算程序核對及彈性動力時程分析、設防地震下關鍵結構構件的性能目標計算、罕遇地震下的推覆計算，以及結構設計采用的空心樓板、型鋼混凝土柱、預應力梁等。

結構超限設計；抗震性能目標；空心樓板；型鋼混凝土柱

1　工程概況

本工程為商業辦公樓，總建筑面積65 974m2。地上26層，一層至五層為裙房，六層至二十六層為辦公樓, 總建筑高度約115m，地下設二層地下室,建筑功能為停車及相關設備配套用房，地下室為全埋式，埋深約11.5m，人防單元設在地下二層；裙房與塔樓之間不設縫(圖1)。

2　設計參數

本工程建筑設計使用年限50年，建筑結構安全等級二級，地基基礎設計等級甲級，建筑抗震設防標準為丙類；框架-核心筒結構中，剪力墻的抗震等級二級，框架的抗震等級為二級，地下一層結構抗震等級為二級，地下二層抗震等級為三級；人防抗力級別為常六級、核六級；地下室防水等級為一級；建筑防火分類等級為一類，耐火等級為一級。

根據《福建海峽銀行辦公大樓工程場地地震安全性評價報告》，工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第二組；場地類別Ⅲ類考慮，結構阻尼比5%。反應譜特征周期0.55s，多遇水平地震影響系數最大值0.086(規范值為0.08)。

根據《建筑結構荷載規范》GB50009-2001(2006年版)，工程基本風壓按50年重現期0.70kN/m2采用,承載力設計時基本風壓取值為0.77kN/m2，地面粗糙度為B類，風載體型系數1.3。

3　結構體系

本工程高度115m，采用框架-核心筒結構體系(圖2)，主樓框架-核心筒的框架柱下部采用型鋼混凝土柱，本工程地面以上部分柱最大截面1 200mm×1 200mm，最小800mm×800mm；裙房采用普通鋼筋混凝土柱，地面以上部分最大截面600mm×800mm。主樓地面以上部分核心筒最外圈的剪力墻厚度為600mm，裙房端部開間地面以上部分剪力墻厚度為300mm；結構大部分均為普通鋼筋混凝土梁，主要梁截面300mm×800mm、500mm×800mm，局部跨度>10.0m及主樓框架-核心筒部分的外圈框架梁截面500mm×1 000mm，次梁截面300mm×600mm；裙房報告廳廳部分因功能需要出現17.5m跨度，該部分梁采用預應力混凝土梁，主樓懸挑跨度>4.0m的挑梁采用預應力混凝土梁。

4　超限類型及抗震性能目標

本工程存在以下幾方面的不規則情況：由于裙房與塔樓之間不設縫，出現塔樓偏置，單塔與大底盤的質心偏心距大于底盤相應邊長20%；另外，經結構計算表明，結構扭轉不規則，Y向局部樓層考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2、小于1.40；此外，樓板不連續，二層至四層開洞寬度大于有效寬度的50%，尺寸突變，裙房以上縮進大于25%，裙房一層至四層局部有穿層柱出現。故本工程為超限高程建筑。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[1](JGJ3-2010)3.11.1條，本工程對關鍵部位結構構件進行性能設計，在指定地震地面運動下的結構抗震性能水準詳見表1。

表1　關鍵構件抗震性能水準表

5　超限設計主要措施、分析方法

為了確保超限設計抗震性能目標的實現，本結構采用以下主要措施及分析方法。

5.1計算程序

根據規范要求，為保證力學分析的可靠性，采用MIDAS BUILDING (2011)及PKPM的SATWE兩個軟件進行多遇地震下的靜力計算分析(多遇地震作用下地震反應譜參數根據《地震安全性評價報告》輸入)，并驗證結構各部位在多遇地震作用下的性能目標。MIDAS及SATWE均為三維空間分析軟件，采用殼單元模擬剪力墻，膜單元模擬樓板，適合于結構體型復雜的工程，兩個軟件的力學模型能夠很好模擬本工程的實際情況。

比較兩個程序多遇地震下的靜力計算結果，取得基本一致后，進一步采用SATWE軟件進行設防地震的計算分析,采用MIDAS BUILDING軟件進行靜力彈塑性計算分析。

5.2裙房與塔樓不設縫處理

由于建筑需要，裙房與塔樓之間不設縫，因此塔樓與大底盤之間質心間距超出底盤尺寸的20%，且整體結構的扭轉位移比超過1.20，結構采取了以下幾個措施保證結構的抗震性能：裙房端部開間樓梯間位置設置剪力墻，以減少扭轉位移比；裙房屋面層樓板厚度適當增加；裙房屋面層上下各一層均采用抗震構造措施加強；采用塔樓帶裙房和不帶裙房兩種模型的多遇地震的計算，復核各結構構件的配筋，保證結構在裙房破壞的情況下仍能正常使用。

5.3樓板大開洞問題的解決

本結構在二層至四層由于建筑功能需要，樓板開洞面積較大，為考慮開洞對結構的影響，在計算中采用彈性板進行計算，同時通過增加相鄰層及本層洞邊的樓板厚度，并雙層雙向配筋減少開洞對整體抗震性能的削弱。

5.4關鍵構件性能設計要求

由于樓板開洞，結構局部在地面至四層樓面之間出現躍層柱，在計算中對該部分柱人工定義柱的計算長度，采取中震彈性的性能設計，保證其在設防地震下仍為彈性；核心筒剪力墻底部加強區按中震不屈服復核。

5.5計算分析輸入

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[1](JGJ3-2010)4.3.4條規定，本結構采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，結合本場地實際情況及結構的特點，選用兩條天然波(T632，T633)及一條人工波(R631)(三條波均由《地震安全性評價報告》提出，且選取的地震波均需滿足規范要求)，輸入SATWE進行多遇地震下的彈性動力時程分析，按照安評報告取場地地面最大加速度為37cm/s2。計算結果取時程分析法計算結果的包絡值與振型分解反應譜法計算結果的較大值。

采用SATWE 進行設防地震作用下的結構承載力復核，并驗證結構各部位在設防地震下的性能目標，設防地震作用下地震反應譜參數根據《高層建筑混凝土結構技術規程》輸入。

進行結構在罕遇地震下的推覆計算，罕遇地震作用下地震反應譜參數根據《高層建筑混凝土結構技術規程》輸入。

5.6抗震構造措施

核心筒底部加強區剪力墻水平和豎向分布鋼筋的配筋率不小于0.30%；底部加強區以上部位剪力墻軸壓比大于0.3時，設置約束邊緣構件。

6　多遇地震作用下的結構計算

6.1結構整體計算結果

地震影響系數最大值采用安評報告提供的數值αmax=0.086，Tg=0.55s，計算結果見表2。

表2　多遇地震結構整體計算結果

6.2樓層地震剪力的分配

規定水平力下底層各剪力墻承擔的地震剪力及框架承擔的地震剪力見表3。

表3　框架和剪力墻承擔剪力、傾覆力矩情況

剪力墻承擔的地震剪力約占樓層總剪力的80%～85%左右。框架承擔的地震剪力占樓層總剪力大于10%。根據《高規》[1]9.1.11條，取結構底部總剪力的20%和框架部分地震剪力最大值的1.5倍二者的較小值對框架部分承擔的地震剪力進行調整。

6.3豎向構件驗算

結構一層柱最大軸壓比為0.85，剪力墻最大軸壓比為0.45，計算結果表明，在多遇地震作用下，框架柱、剪力墻均能保持彈性狀態。

本工程還對去掉裙房后的塔樓部分進行多遇地震下的計算，復核這種情況下的結構構件配筋，保證結構在裙房破壞的情況下，主體塔樓仍能正常使用。

6.4彈性時程分析

工程按照安評報告，選取兩條天然波(T632，T634)和一條人工波(R631)，取場地地面最大加速度為37cm/s2，輸入SATWE進行多遇地震下的彈性動力時程分析，得出以下結論：

(1)在地震力作用下，結構的最大層間位移角為1/1 826(X向，15層)、1/1 319(Y向，15層),均滿足規范的要求；

(2)各時程工況底部總剪力見表4，從表中可見每條地震波底部剪力均不小于CQC法結果的65%，平均底部剪力均不小于CQC法結果的80%，說明地震波選擇可行。

表4　各時程工況底部總剪力　kN

工程時程分析補充計算結果滿足規范的各項要求，且時程結果總體上小于規范反應譜結果，按照《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]4.3.5條，取時程法計算結果的包絡值和反應譜法計算結果的較大值作為結構設計的依據。

6.5多遇地震分析小結

通過多遇地震下的計算，結果表明：

(1)兩個計算程序結果基本一致，表明計算模型能很好的模擬工程的實際情況；

(2)結構的整體穩定性驗算及重力二階效應均滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]5.4的規定;

(3)大多數樓層的水平地震剪力滿足《高層建筑混凝土結構技術規程 》[1]4.3.12 條規定，不滿足部分已作調整;

(4)風荷載及地震作用下的樓層層間位移滿足規范有關的規定限值；

(5)風荷載及地震作用下各構件強度均滿足規范有關的設計規定；

(6)剪力墻、柱的軸壓比滿足規范有關的規定限值；

(7)結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1之比小于0.85，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]4.3.5條規定；

(8)結構扭轉規則性驗算顯示扭轉比小于1.4，滿足《建筑抗震設計規范》[2]及《高層建筑混凝土結構技術規程》[1]的規定。

總體而言，結構在風及多遇地震作用下，能保持良好的抗側性能和抗扭性能，主要指標均滿足抗震設計第一階段的結構性能目標要求。

7　設防地震作用下的結構承載力復核

7.1本工程在設防地震作用下結構的抗震性能目標(表1)

設防地震作用下的地震計算參數按規范取值，地震影響系數最大值αmax=0.23，場地特征周期Tg=0.55s。

7.2計算條件及假定

7.2.1核心筒中震不屈服，在結構分析程序進行設防地震作用下結構承載力計算時，采用如下計算條件：

(1)地震影響系數最大值取規范提供的0.23；

(2)荷載分項系數取1.0，保留組合系數；

(3)結構計算不考慮構件抗震等級；

(4)材料強度取標準值；

(5)風荷載不參與計算。

計算結果核心筒剪力墻的配筋均未出現超筋，核心筒底層剪力墻的最大軸壓比為0.44。

7.2.2躍層柱中震彈性，在結構分析程序進行設防地震作用下結構承載力計算時，采用如下計算條件：

(1)地震影響系數最大值取規范提供的0.23；

(2)荷載分項系數按規范取值；

(3)結構計算不考慮構件抗震等級；

(4)材料強度取設計值；

(5)風荷載不參與計算。

計算結果中震彈性時躍層柱最大軸壓比為0.78。

7.3從中震計算的配筋及軸壓比結果可以看出

(1)核心筒墻體在底部6層所需配筋增加較多，但抗彎和抗剪均不屈服，也都滿足最小抗剪截面要求；七層以上核心筒墻體均為構造配筋，剪力墻不屈服，可以滿足預定抗震性能目標；

(2)底部加強區核心筒墻體按中震不屈服分析底部不出現受拉區；

(3)局部躍層混凝土柱均未發生彎曲和剪切破壞，滿足中震彈性要求。

因此本工程可以實現設防地震下關鍵結構構件的性能目標。

8　罕遇地震下的推覆計算及結論

為確保結構的安全性，實現“大震不倒”的抗震目標，工程還補充進行了罕遇地震下的彈塑性變形驗算。計算采用的軟件為MIDAS BUILDING，罕遇地震作用下的地震計算參數按規范取值，地震影響系數最大值αmax=0.50，場地特征周期Tg=0.55s，計算采用靜力彈塑性計算方法，得到X、Y向靜力彈塑性工況下罕遇地震下的能力譜和需求譜曲線，罕遇地震下的結構層間彈塑性位移角X向最大為1/267，在結構14層，Y向最大為1/261，在結構11層，最大層間彈塑性位移角結果均小于規范規定的1/100的要求；結構在罕遇地震下的變形可以實現“大震不倒”的抗震設防目標。

9　結構設計特點

9.1空心樓板的應用

本結構采用梁板結構體系，由于上部結構樓板開間及進深較大，通過多方比較及與甲方溝通，上部標準層大板(進深10.5m)采用蜂巢芯空心板，其中250mm厚蜂巢芯板等效厚度相當于138.8mm，使用了16 585m2，300mm厚蜂巢芯板等效厚度相當于156.4mm，使用了4 481m2，裙房由于大開洞未采用空心板，屋面不采用空心板；地面層未采用空心板以避免裂縫產生的不利影響，地下二層頂板采用竹芯空心板，其中人防區域采用320mm厚竹芯空心板，板頂厚度100mm，等效厚度相當于216mm滿足人防要求，非人防區域采用270mm厚竹芯空心板等效厚度相當于166mm，竹芯空心板共使用了5 584m2。

空心樓板實質是密肋梁設計，本工程采用空心樓板設計，結構總重減少約76 740kN，可減少本工程直徑1 200mm沖孔灌注樁約13根，以本工程沖孔灌注樁樁長50m計算，按定額節約樁基造價近百萬元，另外，重量減輕，地震作用減小，主梁、柱斷面、配筋也更為經濟；缺點是板造價增加、澆搗混凝土施工時須注意抗浮固定。

空心樓板的適用范圍為荷載大、大板、層高有要求等情況；計算板配筋時，采用實際厚度，計算主梁、柱及基礎時，采用等效板厚，其經濟性才能得以體現。

9.2型鋼混凝土柱的應用

框架-核心筒結構中，框架的抗震等級為二級，柱軸壓比要求小于0.85，本工程采用型鋼混凝土柱，根據《型鋼混凝土組合結構技術規程》[3](JGJ138-2001)，柱軸壓比要求小于0.80，但公式變為N/(fc*Ac+fa*Aa)；采用普通鋼筋混凝土柱時，斷面要1 500mm×1 500mm，改用型鋼混凝土柱，斷面最大只要1 200mm×1 200mm，對建筑的空間利用及效果十分有利。工程型鋼混凝土柱只用到11層(計算至第十層)，型鋼柱與梁連接采用鋼牛腿，主梁鋼筋每排控制6根，中間2根焊在鋼牛腿上，邊上2+2根穿過鋼柱，所穿鋼筋孔洞均為工廠預留，不在工地現場切割，設計時牛腿的標高須注意與焊接鋼筋相吻合。

9.3預應力混凝土懸挑梁及預應力大跨度梁

預應力梁設計主要是為了減小斷面、控制裂縫、撓度，保證建筑凈高使用，工程裙房報告廳部分因功能需要出現17.5m跨度，采用預應力混凝土梁，該部分預應力梁設計時，因剛度要求，其下柱斷面平面內尺寸較大，設計時須注意其對裙房報告廳平面的影響；本工程主樓上部多層平面局部挑梁跨度達6m，工程對跨度>4.0m的挑梁均采用預應力混凝土梁，考慮豎向地震作用；由于本工程十一層以下采用型鋼混凝土柱，與型鋼混凝土柱相交的預應力混凝土挑梁采用雙梁布置，以避開型鋼混凝土柱中的型鋼，更好地傳遞彎矩。

9.4外墻內斜與外斜的處理

本工程立面造型特殊，外部墻面為翹曲型，許多外墻向外傾斜以及向內傾斜，向外傾斜最大7.37°，4.5m單層層高內就傾斜540mm左右，設計有以下3種處理方式：

(1)砌斜磚墻，但斜度太大的有安全隱患。

(2)采用現澆鋼筋混凝土板120mm～150mm，滿足建筑要求，防水好，但自重大、難施工，且影響結構的剛度。

(3)采用預制復合輕質水泥纖維墻板，自重輕， 密度1kN/m2～2kN/m2左右，預制復合輕質水泥纖維墻板抗沖擊、抗壓、抗彎、隔聲、耐火、傳熱均能滿足設計要求，缺點是造價略高，施工時須注意接縫處防水問題、裂縫問題的處理以杜絕后患。

本工程大量斜墻部分斜度較小的采用砌斜磚墻，其余最后采用了預制復合輕質水泥纖維墻板，加快了施工進度。

9.5金庫設計

根據《銀行業務庫安全防范要求》[4](GA858-2010)要求，庫房的墻、頂板、底板應為六面鋼筋混凝土整體現澆結構，庫房墻體宜選用C50以上的商品混凝土， 墻體厚度應大于等于240mm。若將金庫墻與主體結構連接，輸入主體結構中計算，由于剛度的突變，上下層梁柱剪力墻多處會出現計算異常，本工程在金庫設計時，將金庫墻與主體結構柱墻脫離、與上一層梁板不連接，金庫底板利用主體結構樓板、金庫頂板單獨設置，不利用主體結構頂板，將墻體當作荷載輸入，避免了計算異常，滿足了結構設計及金庫設計的要求。

10　結論

超限高層福建海峽銀行辦公大樓結構設計采用框架-核心筒結構體系，結構大量使用了空心樓板、型鋼混凝土柱、預應力混凝土梁，通過對結構的性能化設計，證明結構在風及多遇地震作用下，能保持良好的抗側性能和抗扭性能；在設防地震下局部關鍵結構構件的性能目標能滿足中震彈性要求、中震不屈服要求；結構在罕遇地震下的變形能滿足 “大震不倒”的抗震設防目標。

[1]JGJ3-2010 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.

[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]JGJ138-2001 型鋼混凝土組合結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[4]GA858-2010銀行業務庫安全防范要求[S].北京：中國標準出版社，2010.

Structural Design Out-of-codes of Fujian Haixia Bank Office Tower

WENG JinhuaZHUANG Chen

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

This article introduce the structural design characteristics and structure system of Fujian Haixia Bank Office Tower ,it also discuss the out-of-codes type 、seismic performance objectives of the core shear walls and the cross-column、checking with multiple software and the elastic time processing analysis under frequent earthquake、performance-based seismic design of the key components、push-over analysis under rare earthquake. Besides, this article introduce the hollow floor、the steel reinforced concrete column and the prestressed concrete beam.

Structural design out-of-codes;Seismic performance objectives;Hollow floor;Steel reinforced concrete column

翁錦華(1966.08-)男，教授級高工。E-mail:1633166909@qq.com

2016-08-05

TU3

A

1004-6135(2016)09-0047-06