某國際中心超限高層結構設計

錢鈞瓏

(廈門市建設工程施工圖審查所 福建廈門 361004)

1 工程概述

某國際中心位于廈門市思明區觀音山商務營運中心地塊，混凝土框架-核心筒結構。因東側門廳一～四層挑空造成結構平面、豎向有多項不規則，屬超限高層結構。

該工程地上23層，建筑功能為高層辦公樓，底層高6.0m，二層以上各層高均為4m，主屋面高度94m。地下室3層，層高由下而上分別為3.80m、3.50m、3.9m,其功能為地下車庫；其中，地下三層為平戰結合的核六級、常六級甲類防空地下室(平時為車庫)。

抗震設防類別丙類，抗震設防烈度7度，設計地震分組第二組，設計基本地震加速度值0.15 g，場地特征周期0.40 s，建筑場地類別Ⅱ類。

設計采用SATWE、PMSAP程序進行小震反應譜彈性計算對比分析，并采取相應的抗震構造加強措施，使結構具有較好的抗震性能，以滿足現行規范各項抗震設防設計要求。主樓平面形狀近似為矩形，核心筒位于樓層平面中部，一～四層穿層柱采用型鋼混凝土框架柱。主樓采用旋挖樁復合樁基，其余采用筏板基礎。

該項目2011年5月通過抗震設防專項審查，之后進行施工圖設計；2012年3月開工，2016年竣工。大樓建成實景如圖1所示，主要建筑平面如圖2～圖4所示。

圖1 大樓建成實景

圖2 一層平面圖

圖3 二～四層平面圖

圖4 標準層平面圖

2 基礎設計

2.1 工程地質概況

項目地處廈門本島東部，場地原始地貌屬剝蝕殘丘地貌，現狀較為平整，地形整體起伏變化不大。場地基巖由花崗巖構成，無人為采空區、地面沉降和巖溶等不良地質作用。擬建場地土層自上而下依次為：①人工填土、②粉質粘土、③殘積砂質粘性土、④-1全風化花崗巖、④-2砂礫狀強風化花崗巖、④-3碎塊狀強風化花崗巖、④-4中風化花崗巖，各土層的物理力學綜合指標如表1所示。

表1 天然地基巖、土工程特性指標值一覽表

注：表內帶“*”者為變形模量。

該工程±0.000相當于黃海高程16.00m。地下水位埋深為2.80m～6.30m，抗浮設計水位按設計地面標高以下1 m考慮。場地僅在表層分布有松散軟弱的人工填土①層，且層厚較薄；場地內無可液化、可震陷的地層，建筑抗震屬可進行建設的一般地段。

2.2 基礎設計

地下室底板位于第③層殘積砂質粘性土層，經深度和寬度修正后的地基承載力特征值為300kPa。

主樓范圍內，上部荷載標準值扣除地下水浮力后約為450kN/m2。地基承載力不滿足上部荷載要求，故主樓范圍基礎采用旋挖樁復合樁基，樁徑800mm～1200mm。樁端持力層為④-1全風化花崗巖、④-2強風化花崗巖，樁端進入持力層5m，樁長約20m，單樁豎向抗壓承載力特征值為5000kN。

地下室范圍，地基承載力可滿足上部荷載要求，采用600mm厚平板式筏形基礎。

底板標高處的地下水浮力為130kN/m2。抗浮采用直徑800mm的旋挖灌注樁，樁長約20m，單樁豎向抗拔承載力特征值為1600kN。

為消除主樓和地下室之間沉降差，在主樓和地下室之間設置沉降后澆帶，后澆帶在主樓結構封頂且沉降穩定后封閉。

3 結構體系

該工程無裙房，主樓采用框架-核心筒結構體系，主樓平面尺寸為43.5m×25.2m，高寬比為3.73。核心筒尺寸為21.1m×9.4m，外圍框架柱距為7.7m～8.7m。主要結構平面如圖5～圖7所示。

地下室樓蓋采用鋼筋混凝土梁板結構，頂板和地下一層樓板板厚均為180mm；地下二層樓板除人防區采用250mm厚外，其余均為120mm。

圖5 二～四層結構平面布置圖

圖6 五層結構平面布置圖

由于地下一層東側局部外露，上部結構的嵌固部位設于地下二層頂板處，地下二層側向剛度大于上部結構底層的2倍。

上部結構核心筒抗震等級為二級，框架抗震等級為二級；地下二層以上地下室剪力墻抗震等級為二級，框架抗震等級為二級；地下二層以下地下室剪力墻抗震等級為三級，框架抗震等級為三級。

圖7 標準層結構平面布置圖

底層核心筒外墻墻厚500mm，二層以上逐步減少至250mm，內墻為250mm、200mm。門廳一～四層挑空，8根穿層柱采用型鋼混凝土柱框架柱，柱截面為1200mm×1200mm。其余框柱采用鋼筋混凝土柱，底層柱截面為1200mm×1200mm，二層以上逐步減少至700mm×700mm。

樓蓋結構采用鋼筋砼梁板體系。框架梁截面為400mm×900mm、550mm×700mm；二～四層樓板厚度均為150mm，標準層和屋面板厚度為120mm。

該工程建筑高度不高，除核心筒長向偏置外，結構平面布置較為對稱、規則；但東側門廳一～四層挑空，二～四層無樓板，也無框架梁與框柱連接，形成8根18m高穿層柱(結構柱高19.1m)，門廳穿層柱實景如圖8所示。門廳挑空造成結構平面、豎向有多項不規則，屬超限高層結構。

圖8 門廳穿層框柱實景

4 超限結構設計

4.1 超限情況認定

依據現行《建筑抗震設計規范》GB50011-2010[1]、《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010[2]、超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》建質[2010]109號[3]等規定，該工程屬超限高層結構。主要存在以下4種超限情況。

4.1.1扭轉不規則

在具有偶然偏心的規定水平力作用下，樓層兩端抗側力彈性水平位移(層間位移)的最大值大于該樓層平均值的1.2倍。

4.1.2樓板不連續

二～四層東側樓板挑空，開洞面積均大于相應樓層樓面面積的30%。

4.1.3偏心布置

二～四層東側樓板挑空，相鄰層上下質心偏差較大，大于相應邊長的15%。

4.1.4其他不規則

二～四層東側樓板挑空，挑空處無樓板，也無框架梁與框柱連接，形成穿層柱。

4.2 針對超限情況的抗震措施

主樓抗側力體系由鋼筋混凝土核心筒、框架組成，門廳挑空造成結構平面、豎向有多項不規則。針對該工程超限情況，結構設計采取以下抗震措施：

4.2.1穿層柱采用型鋼混凝土框架柱

為增加二～四層樓板開大洞處穿層框架柱的剛度、延性，穿層柱采用型鋼混凝土框架柱，并結合建筑裝修要求盡量加大柱斷面，以減少扭轉效應的影響，改善結構的抗震性能。穿層柱按中震彈性進行強度設計并采取針對性的抗震措施，即抗震等級按一級控制，且軸壓比控制不大于0.7。除進行強度計算外，穿層柱還進行穩定性驗算。

勁性鋼筋混凝土結構具有鋼結構和混凝土結構的雙重優點，與鋼結構相比，可節省造價，增加構件、建筑物的剛度；與砼結構相比，可減少截面和重量，增大構件延性，增大構件強度，提高建筑物的抗震性能。型鋼混凝土框架柱充分發揮了鋼(受拉)和混凝土(受壓)兩種不同材料的特點，通過二者的協同作用，提高鋼筋混凝土結構的承載能力。穿層柱采用型鋼混凝土框架柱，內設雙向“工”字形鋼，截面采用WH-600×200×20×25。按照《型鋼混凝土組合結構技術規程》JGJ 138-2001規定，含鋼量大致控制在4%左右；其次，柱箍筋在滿足配箍率的情況下優先考慮較小直徑的箍筋，并全長加密。

框架梁和型鋼混凝土框架柱之間的連接，一般需將梁鋼筋穿過型鋼，以實現梁柱剛結。該工程在滿足框架柱剛度、延性的要求下設置翼緣較小的型鋼，大部分梁鋼筋可從型鋼兩側通過，僅少量的鋼筋需穿過型鋼，施工較為方便。

4.2.2增加核心筒及重要構件的延性

(1)為減少二～四層樓板開大洞對建筑物抗震性能的影響，底部加強區高度提高到五層，剪力墻抗震等級按一級控制。底部加強區剪力墻及非穿層柱按中震抗剪彈性、抗彎不屈服復核。控制底部加強區框架柱和剪力墻的軸壓比，使其比規范要求從嚴0.05。筒體角部約束邊緣構件全高設置，并適當提高樓板局部缺失樓層核心筒剪力墻的配筋率。

(2)核心筒墻體中洞口的分布對墻體的抗震能力有極大的影響，設計中力求墻體中的洞口對稱和規則；其次，在連梁中適當布置斜向鋼筋，以提高連梁的抗剪能力，提高墻體的抗震性能。

(3)針對筒體兩側樓板開洞問題，除筒體兩側剪力墻進行穩定性驗算外，還將樓梯梯板嵌入相鄰剪力墻內，以減少剪力墻無支約束長度。

(4)在筒體外墻與框架梁交接處加設暗柱，對于墻厚較小者則加設扶壁柱，以加強核心筒與外圍框架的連接，使二者協同工作，增強墻體的穩定性。

4.2.3減少扭轉效應

考慮到核心筒長向偏置，為增加核心筒體的延性，加大筒體剛度，除采用較厚的核心筒外墻外，還通過調整墻體厚度，使結構的剛度中心和荷載中心、結構平面中心盡量重合。

此外，調整抗側力構件布置使之均勻對稱，減少質心與剛心之間的偏心，以減少結構的扭轉效應。

4.2.4控制剛度比

通過加大地下室結構剛度，使樓層側向剛度大于相鄰上部結構樓層側向剛度的2倍，并通過相應構造措施，確保地下室二層頂板滿足上部結構嵌固要求。

由于首層結構層高為7.1 m，第二層高為4m，相鄰層側向剛度差異較大,在滿足建筑功能的前提下，加大首層核心筒外墻的的截面尺寸，控制底層和二層的側向剛度比滿足規范要求。

4.2.5加強薄弱部位的樓板剛度

(1)針對二～四層樓板局部開大洞，除樓板板厚加厚至150 mm外，結構計算考慮樓板彈性變形，主體計算采用彈性板模式。

(2)加大二～四層梁、板配筋，控制二～四層樓板配筋率不小于0.3%，并嚴格控制梁、樓板裂縫。

(3)二～四層樓板在門廳處挑空，五層為樓板完整的第一層，故參照二～四層采取梁板加強措施。

5 結構分析的主要結果匯總及比較

5.1 主要計算參數及計算假定

該工程結構整體計算采用SATWE程序，并采用PMSAP程序做進一步的比較分析。

結構抗震計算采用振型分解反應譜法計算，計算考慮雙向水平地震作用下的扭轉影響。結構阻尼比在多遇地震作用下的彈性分析時取0.05，水平地震影響系數最大值為0.12，罕遇地震影響系數最大值為0.72。地震作用分別考慮雙向地震作用和質量偶然偏心的不利影響，取二者最不利者作為結構設計的依據。對于部分樓層樓板開洞的情況，采取彈性樓板的假定，以考慮樓板剛度變化對水平力分配的影響。

采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜法計算結構響應時，各振型貢獻按CQC組合，選用較多的振型以充分考慮高階振型的影響，建筑物質量參與系數超過90%。主體結構除采用振型分解反應譜法計算分析外，還采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。底部剪力、樓層剪力和層間位移取兩種方法計算結果的大值進行相關構件設計。

5.2 SATWE與PMSAP程序計算結果比較

5.2.1結構動力特性

動力反應譜分析運用《建筑抗震設計規范》GB 50011-2001的反應譜進行，并考慮多方向的水平地震作用效應。

前6階模態的振動周期計算結果列于表2～表3。第一階和第二階模態分別為X、Y向平動，扭轉模態為第三階，扭轉周期與平動周期的比值小于0.9。

表2 SATWE結構動力特性(空間振型)

表3 PMSAP結構動力特性(空間振型)

5.2.2結構位移響應

反應譜法及風荷載作用下的結構最大響應位移計算結果列于表4～表7。層間位移角及位移比均滿足規范要求，地震作用下的剪重比在正常范圍內，且滿足最小地震作用的要求。

表4 地震作用下結構表現(SATWE)

表5 地震作用下結構表現(PMSAP)

表6 風荷載作用下結構表現(SATWE)

表7 風荷載作用下結構表現(PMSAP)

5.2.3計算結果分析

對SATWE和PMSAP兩個不同力學模型軟件的分析結果進行比對，可知結構的自振周期、層間位移、層間剪力、剪重比等指標相差不大，說明SATWE程序計算結果可靠，可用于施工圖設計。

5.3 結構柱墻內力分析

5.3.1地震傾覆彎矩

一～六層框架柱、墻承擔的地震傾覆彎矩占比如表8所示。由計算結果可知，框架柱承擔的地震傾覆彎矩適當。

表8 一～六層框架柱地震傾覆彎矩百分比

5.3.2地震剪力

《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010第6.2.13條第1款規定，側向剛度沿豎向分布基本均勻的框架-抗震墻結構和框架-核心筒，任一層框架部分的地震剪力，不應小于結構底部總地震剪力的20%和按框架-抗震墻結構、框架-核心筒分析的框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍二者的較小值。表9為一～六層框架柱、墻承擔的地震傾覆彎矩占比，表10為一～六層0.2Q0調整系數。

表9 一～六層框架柱地震剪力百分比

該工程主體計算時，各層框架部分的地震剪力均按上述規定進行調整。由表10可知，底部總地震剪力的20%小于框架部分各樓層地震剪力中最大值1.5倍。因此，任一層框架部分的地震剪力按不小于底部總地震剪力的20%調整控制。

《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010第6.7.1條第2款的規定，按框架-核心筒計算分析的框架部分各層地震剪力的最大值不宜小于結構底部地震總剪力的10%。任一層框架部分承擔的地震剪力不應小于結構底部地震總剪力的15%。

表10 一～六層0.2Q0調整系數

由表9可知，二～六層框架地震剪力不滿足上述規定，但框架部分的地震剪力按《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010第6.2.13條第1款規定進行調整后，可滿足GB 50011-2010第6.7.1條第2款的規定。

其次，核心筒墻體承擔的地震剪力按標準值增大1.1倍考慮，框架部分承擔的彎矩、剪力也相應調整，可滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010第9.1.11條的規定。

6 結論

某國際中心除核心筒長向偏置外，結構平面布置較為對稱、規則；但東側門廳一～四層挑空，二～四層無樓板，也無框架梁與框架柱連接，形成8根18 m高穿層柱。門廳挑空造成結構平面、豎向有多項不規則，主要抗震薄弱部位集中在底部四層，屬超限高層結構。

主體結構采用SATWE、PMSAP程序進行小震反應譜彈性計算對比分析，并采取相應的抗震構造加強措施，基本保證了結構具有較好的抗震性能，結構設計滿足現行規范各項抗震設防設計要求。該項目針對超限結構采取的抗震分析方法、計算手段及構造加強措施，可供類似超限高層結構設計參考。

參考文獻

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

[2] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社, 2010.

[3] 建質[2010]109號 超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].北京:住房和城鄉建設部, 2010.