西咸新區某超限高層寫字樓結構整體設計

王洪臣 張 濤 岳焱超

(1.中國建筑西北設計研究院，陜西 西安 710018； 2.西安交通大學，陜西 西安 710054)

1 工程概況

該寫字樓位于西咸新區能源金貿區內，地下室為地下車庫及配套機房，地上為辦公。本建筑為一類高層，總面積58 080 m2，標準層尺寸約44.1 m×44.1 m，結構高寬比3∶1。外圍框架柱距為6.2 m，外圍柱與核心筒之間距離為12.4 m，建筑總高度136.1 m，地上30層，地下2層，其中1層，2層高6 m，標準層層高4.2 m，在11層，22層設置2個避難層。在第23層～25層向東、南方向懸挑9 m，同時西、北側凹進，形成體塊交錯的標志性形象。建筑效果圖如圖1所示。

2 上部結構設計

2.1 結構體系

本工程采用全鋼結構，結構體系采用鋼框架—支撐體系，框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，以滿足框架柱長細比及軸壓比的要求。外圍框架由鋼管混凝土柱與H型鋼梁組成，核心筒位于建筑

的中央位置，在核心筒四個角布置豎向支撐，形成鋼支撐框架。外圍框架梁柱之間、外圍框架梁與內部核心筒之間均采用剛接，形成鋼框架—支撐雙重抗側力結構體系。核心筒為主要的抗側力體系，承擔主要的地震剪力，框架及懸挑桁架作為次要的抗側力體系，承擔部分地震作用。支撐均采用人字形中心支撐支撐。框架抗震等級為一級，支撐抗震等級也為一級。

23層～25層外挑部分采用四榀三層高的平面懸挑桁架來實現；25層～30層，結構整體自核心筒外挑12.4 m，結構采取三層懸挑桁架作為轉換層，以支托自身重量及上部樓層的所有豎向荷載。

結構標準層平面圖及結構示意圖如圖2，圖3所示。

2.2 結構構件布置

2.2.1核心筒支撐框架

結構核心筒四角采用支撐框架，布置均勻、對稱，框架支撐自基礎頂面上下貫穿整個結構，且沿豎向連續，無間斷。核心筒平面為方形，尺寸為18.6 m×18.6 m，高寬比約為7.3。核心筒自下而上均采用人字形中心支撐，考慮自核心筒直接外挑樓層的傳力要求，核心筒局部采用十字形交叉支撐。核心筒內所有框架柱均采用矩形鋼管混凝土框架柱，鋼材采用Q345系列，根據GB 50936—2014鋼管混凝土結構技術規范框架柱軸壓比限值為0.7。框架柱矩形鋼管尺寸由底部900×900逐步減小為700×700，厚度由底部40 mm逐步減小為20 mm，鋼管內填充混凝土強度等級自下而上從C60逐步減小為C40。核心筒外圍框架梁采用工字型鋼，規格為700×400×16×35，支撐中采用H型鋼，規格為600×300×30×30。

2.2.2外圍框架

外圍框架由矩形鋼管混凝土柱和鋼梁組成，框架柱的矩形鋼管尺寸由底部900×900逐步減小為700×700，厚度由底部40 mm逐步減小為20 mm，鋼管內填充混凝土強度等級自下而上從C60逐步減小為C40。鋼梁采用工字鋼，外圍框架平面內梁柱均為剛接，外圍框架柱與內部核心筒框架柱之間也采用剛接。

2.2.3懸挑桁架

23層～25層外挑部分，采用四榀與核心筒支撐框架相連、3層高度的平面桁架來實現，外懸挑部分采用斜拉桿，懸挑9 m。由于建筑角部空間及其功能的要求，軸與⑧軸角部處無法設置斜桿桁架，所以在本工程的結構設計時，采用在四榀桁架的平面外縱向設置三層高副桁架進行外挑的作法，最大外懸挑跨度達到21 m。

25層以上，整體自核心筒框架支撐外懸挑12.4 m，采取三層轉換桁架，以支托向外懸挑的柱子，在26層～28層核心筒角部，軸與?軸相交處設置十字交叉中心支撐，以便均勻的傳遞豎向壓力于下部豎向構件(見圖4)。

2.2.4樓板

采用高層建筑常用的組合樓板形式，擬選擇鋼筋桁架樓承板組合梁板體系，樓面梁采用工字鋼梁，一般樓層跨度約為12 m，次梁間距約3 m。次梁鋼材采用Q345B，樓板混凝土強度等級采用C40，一般樓層板厚為110 mm，懸挑層樓板局部加厚為150 mm。

在計算整體抗震指標時，按照剛性樓板的假定考慮。計算應力及配筋時，大懸挑部分樓層，由于外挑桁架的存在，剛性樓板假定會導致計算結果不準確，故在整體計算時，懸挑桁架層樓板均按照彈性樓板考慮。同時，對于懸挑樓層的樓板進行了舒適度的驗算，樓蓋豎向振動加速度不應大于《高鋼規》3.5.7條的限值要求。

3 結構超限類別判定

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》建質[2015]67號文件附件1中所述內容[1]，對本工程的超限情況作如下判定：

高度是否超限判別：根據附件1中的表1(超限高層建筑工程高度超限判別)及《鋼管混凝土結構技術規范》[2]，本工程地上結構總高度約136 m，未超過規范8度區鋼框架—支撐結構最大高度180 m的規定，故建筑高度不超限。

不規則性是否超限判別：根據附件1中的表2～表4的內容，逐條對照檢查，結構存在的超限情況如下：

1)偏心布置；

2)尺寸突變；

3)豎向構件不連續。

根據《審查要點》，本工程屬于需進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查的項目。

4 結構彈性分析

4.1 計算方法

對于體型復雜、結構布置復雜的高層建筑,應至少采用兩個不同力學模型的結構分析軟件進行整體計算分析，本文采用兩種空間結構計算軟件(YJK和Midas Gen)進行結構分析計算。

4.2 結構周期

YJK和Midas Gen兩種軟件計算周期見表1，由表1中數據可以看出，YJK和Midas Gen兩種軟件計算的結構周期及周期比等數據結果基本一致。結構扭轉為主的第一自振周期T3與平動為主的第一平動周期T1之比均小于0.85，且前兩個周期的扭轉成分均小于10%，滿足規范要求。

4.3 整體結構振型

根據YJK和Midas Gen的分析，結構兩個水平X,Y方向及豎向地震的振型質量參與系數均大于90%，滿足規范要求。計算結果見表2，YJK計算得到的結構前6階振型如圖5所示。

4.4 結構層間位移角

多遇地震作用下，X向、Y向地震作用下全樓最大層間位移角所在的層均位于地上10層，X向為1/453(1/478)；Y向為1/451(1/473)。

注：括號內數值為Midas Gen計算結果。

結構兩個方向的樓層層間最大位移均小于1/300，滿足規范要求[3]。YJK和Midas Gen兩種軟件地上部分的計算結果及對比見圖6。

表1 結構的周期及周期比

表2 振型質量參與系數 %

4.5 樓層側向剛度比

按照《高鋼規》3.3.10條[4]，對于框架—支撐結構，樓層與相鄰上層的側向剛度比應按照式3.3.10-2計算，考慮層高修正的樓層側向剛度比宜滿足規范的要求。其中Ratx2,Raty2為X,Y方向本樓層側移剛度與上一層相應樓層側移剛度90%,110%或者150%比值。110%指當本層層高大于相鄰上層層高1.5倍時、150%指嵌固層。

由計算結果可知，除22層接近規范限值外，其余樓層均滿足規范關于層間剛度比的要求，由于0.97略小于1.0的限值，故在設計中對樓層水平地震力進行了放大1.15倍處理,結果見圖7。

4.6 剛重比及基礎抗傾覆驗算

根據JGJ 99—2015第6.1.7條的規定[4]，結構的整體穩定性應滿足式6.1.7-2的要求，其中，EJ為結構的彈性等效側向剛度，近似按照倒三角形分布荷載作用下結構頂點位移相等的原則，將結構的側向剛度折算成豎向懸臂受彎構件的等效側向剛度。YJK計算的X,Y方向的剛重比分別為3.42和3.41，滿足《高鋼規》6.1.7的整體穩定驗算要求。

根據GB 50011—2010第4.2.4條[3]及JGJ 99—2015第3.4.6條[4]的要求，根據YJK計算數據主樓基礎底面零應力區驗算見表3，計算結果顯示，在未考慮基礎自重的有利影響下，基底均未出現零應力區。結構具有足夠的抗傾覆安全度，整體抗傾覆驗算滿足設計的要求。

表3 整體抗傾覆驗算結果

4.7 最大扭轉位移比

YJK和Midas Gen在考慮偶然偏心影響的規定水平地震作用下，計算樓層豎向構件最大水平位移和樓層平均位移值的比值(扭轉位移比)。其數值均小于1.2，滿足規范的要求。

4.8 總結

通過以上重要指標的對比、分析，YJK與Midas Gen兩種軟件的計算結果基本一致，這說明計算結果合理有效，計算模型符合結構的實際工作狀況。結構周期和自重適中，剛度比符合規范要求，位移小于規范的限值要求，構件截面取值合理，結構體系選擇適當。

5 結語

本工程位于高烈度區，且為Ⅲ類場地土，地震作用明顯，抗震要求高，在確定結構方案時，從經濟性方面比較過混合結構，但混凝土墻斷面太大，且從試算結果來看，抗震性能不理想。根據日本和美國規范，在高烈度區采用混合結構有非常嚴格的限制，所以本工程最終采用全鋼結構體系。綜合各階段的計算分析，結構整體滿足規范相應要求，說明采用鋼框架—支撐結構體系方案完全可行。

[1] 建質[2015]67號,超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[Z].2015.

[2] GB 50936—2014,鋼管混凝土結構技術規范[S].

[3] GB 50011—2010,建筑抗震設計規范[S].

[4] JGJ 99—2015,高層民用建筑鋼結構技術規程[S].