鋼-砼混合框筒結構超高層建筑結構設計關鍵技術

許進福

(廈門佰地建筑設計有限公司 福建廈門 361004)

1 工程概況

某項目位于廈門同安新城核心區，為甲級超高層寫字樓，地上49層，地下3層，建筑總高度250m，占地面積0.2hm2，總建筑面積9.8萬m2。標準層的層高為4.2m，并分別在12層、22層、34層及45層共設有4個建筑避難層，層高均為5.5m。建筑底部設有14m通高大堂，核心筒內每隔4.5m均有現澆砼板，核心筒外均無鋼管柱與核心筒之間的拉結梁，僅在標高9m處沿外框架柱間設一道封閉的環梁；49層設有25m挑高的空中會所。建成后，將成為廈門同安區的地標性建筑。

該工程主樓結構采用現澆鋼管混凝土柱、鋼框架-鋼筋混凝土筒體混合結構體系。內部核心筒壁厚為1400mm～700mm，自下而上逐漸變薄，混凝土標號C60～C50，核心筒內部對應框架梁位置布置有鋼骨柱；內外筒之間除了鋼結構梁外，在第34層、第45層利用避難層布置兩道加強層，加強層內布置伸臂桁架。外筒平面接近方形，X、Y向落地尺寸約43.6m，外筒高寬比為5.7；內筒落地平面尺寸20.2(X向)×23.10(Y向)，內筒高寬比為12.0(X向)、10.5(Y向)。結構布置平面、建筑效果圖及剖面如圖1～圖4所示。

圖1 低(中高區)結構平面布置圖

圖2 34層、45層加強層伸臂桁架布置圖

圖3 建筑效果圖 圖4 建筑剖面圖

擬建場地原始地貌單元屬沖海積階地，場地整體較平坦、開闊。中風化花崗巖埋深為現有地面往下28m～40m，厚度約5m～8m，下為微風化花崗巖，基巖埋深較淺。

建筑抗震設防類別為重點設防類，建筑結構安全等級為二級，設計使用年限50年。所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組：第三組；場地類別：Ⅱ類；特征周期根據規范為Tg=0.45s，建筑結構的阻尼比4%。 50年一遇的基本風壓：0.7kN/m2，風荷載體型系數1.4，地面粗糙度類別：A類。結構抗震等級：框架為一級、核心筒為特一級。

2 伸臂加強層位置的選擇

該工程高寬比基本能滿足規范要求，但是由于地處廈門海邊，風荷載大，風荷載作用下不做伸臂加強層，剛度比不能滿足規范要求。伸臂鋼桁架連續布置，穿過核心筒剪力墻，與外框架柱連接成整體，外框柱的拉壓作用及鋼臂的連接，進一步有效地提高整個結構的抗側剛度及控制整體結構位移。參照《實用高層建筑結構設計》[1]第599頁15.4.2-(1)，伸臂層的位置首選0.6H高度處及頂層，由于頂層建筑功能需要，設有25m挑高的空中會所，故頂層不宜設置?，F根據建筑避難層位置，對伸臂層位置及數量分析比較，如表1～表2所示，結合規范要求及經濟性，最佳方案即伸臂加強層設置在34層、45層。

表1 4種加強層方案周期對比

表2 4種加強層方案層間位移角對比

3 超限情況

根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[2]附件1中的表2～表4，該工程存在的主要超限情況如下：

(1)地上高度242.850m，超過規范7度區框架核心筒混合結構最大高度190m的規定，存在高度超限的情況(圖5)。

圖5 加強層位置變化方案對比：(SATWE)

(2)存在的不規則項，如表3所示。

表3 該工程不規則情況表

4 基于性能的抗震設計

4.1 抗震性能目標

選用性能目標時，需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因素。該工程結構高度超過B級高度較多且存在不規則性，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[3](以下簡稱《高規》)3.11.1條及《建筑抗震設計規范》[4]附錄M，最低性能目標選用C級，具體抗震性能目標如表4所示。

4.2 多遇地震下結構計算分析

依據表4，首先采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜法進行多遇地震下結構計算分析(考慮偶然偏心和雙向地震)。采用SATWE、ETABS和MIDAS 3種程序分別計算，兩種程序計算出的主要指標比如層間位移角、周期比、剪重比等大致相同，同時均滿足規范要求，位移比除首層、34層超過1.2外，其余均小于1.2。主要計算結果對比如表5所示。

表4 抗震性能目標

表5 主要計算結果對比(多遇地震)

圖6 樓層側向剛度比曲線圖

根據《高規》第 3.5.2 條第2款，對框架核心筒結構考慮層高修正的樓層側向剛度比γ2不宜小于0.9，由圖6可知，除加強層上下層外，結構整體剛度均勻，無薄弱層，滿足規范要求。加強層的設置帶來了結構剛度、內力突變，并形成薄弱層，結構的損壞機理難以呈現“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的延性屈服機制，故本項目針對伸臂層及其帶來的問題，進行詳細的抗震性能分析(詳中、大震的計算分析)，確保結構安全。

圖7 樓層承載力之比

根據《高規》3.5.3條規定，B級高度高層建筑的抗側力結構的層間受剪承載力不應小于相鄰上一層受剪承載力的75%。該工程采用SATWE軟件計算，由圖7可知，第2層抗剪承載力比第3層(X向0.62，Y向0.60)，首層抗剪承載力比第4層(X向0.64，Y向0.65)，不滿足規范要求，其余均能滿足規范要求。針對結構底部抗剪承載力超限,采取如下措施：

(1)在首層～4層樓層處、型鋼柱間增設型鋼梁拉結；

(2)鋼管柱壁厚加大至50mm；

(3) 柱內力放大1.2倍；

(4)外框9.000標高設鋼梁；

(5)底部三層剪力墻水平筋配筋加強。

其中，為了提高底部的抗剪承載力，該工程采用了3種方案對比：

方案一：外圍在標高9m處設環梁，底部三層剪力墻的墻身水平筋配筋加強(底部三層剪力墻水平筋實配系數為3.0，第4 層1.15)；

方案二：外圍在標高9m處設環梁，加大底部三層柱的截面；

方案三：不設環梁，加大底部三層柱截面。

設η為底部3層抗剪承載力最小值比第4層，各方案計算如表6所示，結合建筑功能使用等因素，由表6可知，選擇方案一最佳。

表6 提高底部抗剪承載力的3個方案對比

按照現行規范要求，應對結構進行小震作用下的結構彈性時程分析，采用SATWE進行計算。根據《高規》第4.3.4～5條的要求采用彈性時程分析法進行多遇地震作用下的計算，地面加速度最大值取55cm/s2。設計選擇了7組地震波(其中5組天然地震波，2組人工波)，其時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。各條地震波計算的底部剪力最小值和底部剪力平均值均滿足《高規》第4.3.5.1條的要求。將地震波剪力平均值與反應譜進行比較，得到放大系數約1.1，按放大系數重新代入小震模型對反應譜分析結果進行調整。

4.3 中震下結構計算分析

中震計算地震影響系數取0.34，中震計算時，連梁剛度折減系數取0.5，中梁剛度放大系數取1.5，阻尼比取5%。中震彈性設計應采用作用分項系數、材料分項系數和抗震承載力調整系數，構件的承載力計算時材料強度采用設計值，不考慮構件抗震等級，對加強層及其上下層剪力墻、鋼管柱以及底層14m高，頂層25m高鋼管柱等關鍵構件內力放大1.2倍。中震不屈服設計不采用作用分項系數、材料分項系數和抗震承載力調整系數，構件的承載力計算時材料強度采用標準值。 采用SATWE進行計算。

4.3.1結構構件中震彈性設計

結果表明：鋼管混凝土柱、伸臂層及其上下層墻均處于彈性狀態；剪力墻剪壓比滿足規范要求，抗剪截面處于彈性狀態。首層的計算指標如圖8所示。

圖8 首層計算指標

4.3.2結構構件中震不屈服設計

由圖9～圖10可知，伸臂桁架滿足中震不屈服要求；施工圖設計時，剪力墻配筋應滿足抗壓彎/拉彎不屈服要求。

圖9 34層伸臂桁架中震不屈服驗算應力比

圖10 45層伸臂桁架中震不屈服驗算應力比

4.3.3中震下墻肢全截面受拉驗算

墻軸力取標準值核心筒底部墻肢拉力的計算采用的荷載工況為：1.0恒載+0.5活載+1.0雙向地震(中震),計算時不考慮內力放大系數。計算考慮墻肢中型鋼的作用，墻肢中的型鋼根據鋼和混凝土的剛度比，折算為一定厚度的混凝土。最大拉應力出現在底部的核心筒角部墻肢，可以滿足《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》要求。

4.4 罕遇地震下結構彈塑性分析

采用MIDAS GEN對結構進行靜力彈塑性和動力彈塑性時程分析；計算模型中結構主體范圍內采用剛性樓板假定，為考慮加強層樓板對桁架影響,對加強層上下層樓板采用了實際樓板剛度；考慮1.0恒載+0.5活載作為結構初始荷載，并考慮重力二階效應；用模態加載方法進行靜力彈塑性分析；動力彈塑性分析采用直接積分法；動力彈塑性分析地震波采用雙向地震輸入，主次方向地面加速度峰值比值為1∶0.85。

4.4.1靜力彈塑性分析

根據結構的能力譜曲線與7度(0.15g)罕遇地震需求譜相交點，確定結構性能點。在性能點對應的地震作用下，結構X向層間位移角最大值為1/137(33F)，結構Y向層間位移角最大值為1/129(25F)。

4.4.2動力彈塑性分析

采用5條天然波和2條人工波進行彈塑性時程分析:大震彈塑性/小震作用下基底剪力之比為3.7～4.7；如表7，最大層間位移角均可滿足規范要求。

表7 大震彈塑性作用下最大層間位移角

在7條波中，選取一條天然波T022，研究結構在天然波T022的作用下結構構件及整體的變形性能，計算其頂點位移時程曲線，具體如圖11～圖12所示。

圖11 T022波X向頂點位移時程曲線

圖12 T022波Y向頂點位移時程曲線

結構在地震波作用開始階段，彈性及彈塑性頂點位移基本一致，時程曲線基本重合，一段時間后，結構出現損傷，耗能構件屈服，結構剛度退化，結構阻尼增大，周期變長，彈塑性位移時程曲線滯后于彈性時程曲線。

4.4.3結構構件抗震性能設計

大震下靜力彈塑性推覆分析和動力彈塑性時程分析結構的破壞形態基本一致，動力彈塑性時程分析更能反映結構延性和耗能能力，更真實地模擬地震作用。在7條波中，選取一條對結構損傷較大(基底剪力及層間位移角均較大)的天然波T024，研究結構在天然波T024的作用下，結構構件及整體的變形性能，并找出結構的薄弱部位。

(1)框架鋼梁抗震性能分析：在結構中高層區域框架鋼梁的延性比(總變形/屈服變形)比較大，但框架鋼梁絕大部分均處于彈性狀態，45F伸臂層及其上下層外圍邊跨框架鋼梁進入塑性狀態，但未進入全截面屈服狀態。

(2)鋼管混凝土柱抗震性能分析：彎曲成分延性較大區域在兩個伸臂層及其上下層，最大延性比為0.82；軸力成分延性較大區域在34層伸臂層及以下幾層，最大延性比為0.72。底部14m高柱軸力成分最大延性比發生在角部為0.24，彎曲成分最大延性比為0.14。頂部25m高柱軸力成分最大延性比為0.04，彎曲成分最大延性比為0.16。均在彈性范圍內。

(3)伸臂桁架抗震性能分析：兩個方向最大延性比分別為1.76和1.55，均為斜腹桿，斜腹桿最大應力為390MPa已屈服；兩個方向弦桿的最大延性比為0.43，處于彈性狀態。

(4)核心筒混凝土連梁抗震性能分析：在5s時刻剪力墻突變處(23F)及其下幾層連梁開始屈服出現塑性鉸；在5s時刻大部分連梁均已開裂，10s時刻大部分連梁已經屈服出現塑性鉸；15s時刻后出現塑性鉸的位置趨于穩定。

(5)核心筒剪力墻抗震性能分析：在5s時刻結構底部及伸臂桁架上下幾層外圍剪力墻出現開裂，產生拉彎損傷；10s時刻結構大部分外圍剪力墻開裂，結構底部及伸臂桁架上下幾層剪力墻出現拉彎屈服和受拉屈服；15s后剪力墻損傷趨于穩定。

(6)查找出結構底層和34層加強層剪力墻的最大軸力和最大剪力，計算剪力墻的軸壓比N/fcmbh和剪壓比V/fcmbh0。從圖13～圖14可以看出：剪力墻最大軸壓比均小于1，混凝土未出現壓碎破壞，剪壓比均小于0.15，滿足截面限制條件。

圖14 34層核心筒墻軸壓比(剪壓比V/fckbh0)簡圖

4.4.4彈塑性分析結論

綜上彈塑性分析結果，結構在罕遇地震作用下，最大層間位移角小于規范要求，整體上可以實現“大震不倒”設防目標；大部分連梁出現不同程度塑性，形成了塑性鉸，符合屈服耗能的抗震工程學概念；下部剪力墻及加強層處剪力墻出現不同程度損傷，結構薄弱部位在結構底層及加強層上下層；伸臂桁架構件斜腹桿出現屈服，弦桿處于彈性狀態；鋼管混凝土柱未出現屈服，大部分鋼梁未屈服，剪力墻受剪截面滿足截面限制條件，結構有一定的安全貯備。

5 其他設計關鍵技術-躍層柱的屈曲分析

5.1 恒+活荷載作用下的穩定驗算

該結構首層存在14m通高柱、頂部觀光會所存在25m通高柱，為保證在軸力作用下柱的穩定，采用MIDAS軟件，對底層和頂層框架柱頂部施加單位力進行屈曲分析，將單位力設為變量，分析結果如下：

(1)底部柱：臨界荷載Ncr=3461 462kN,恒+活N=44 034kN,安全系數λ=78.61。

(2)頂部柱：臨界荷載Ncr=286 907kN,恒+活N=5709kN,安全系數λ=50.3。

由上可知：在恒荷載和活荷載作用下，底部及頂部躍層柱具有足夠的整體穩定性。

5.2 恒+活+風荷載作用下的穩定驗算

由于在結構頂部風荷載較大，49層25m通高柱可能在柱間側向風荷載作用下會失穩，因此對25m通高柱進行幾何非線性分析。結構整體施加的荷載工況為：恒+活+整體風+柱間線荷載風(50kN/m)+柱頂(50 000kN節點力),通高柱相關范圍梁柱應力最大為330MPa，小于345MPa,接近于臨界值，可認為此時為臨界狀態。此時柱Ncr=48 248kN,而D+L時N=5709kN，安全系數λ=8.45。故，25m通高柱在恒+活+風荷載作用下具有足夠的安全儲備，不致因失穩而屈曲破壞。

6 結論

某鋼-砼混合框筒結構超高層建筑結構體系，論述了該工程存在的技術難點及超限情況，詳細介紹了解決方案，并總結出該工程結構設計關鍵技術，可為結構設計人員借鑒參考。

(1)超B級高度超高層，建筑高度高，位于風荷載較大、地震作用較大地區，當需要結合建筑避難層的位置設置伸臂加強層才能滿足剛度要求時，在方案前期應進行伸臂層的位置及數量比選分析，選擇最佳方案；且應注意加強層設置帶來的結構剛度及內力突變，應對加強層及其上下層做詳細抗震性能分析，確保結構安全。應考慮在結構施工過程中豎向變形對伸臂桁架影響，對鋼桁架安裝及焊接順序作相應規定。

(2)首層入口大堂14m挑高，頂層25m挑高空中會所是該工程設計關鍵點，除了剛度及內力突變問題，“雞腿柱”也非常重要。通過對核心筒剪力墻設置鋼框架、增大墻體配筋提高抗剪承載力；并控制層間位移角確保鋼管樁穩定，對躍層鋼管柱作屈曲分析，對這幾個部位做了抗震性能分析，確保結構安全。

(3)框架-核心筒結構：提高結構自身剛度，控制結構最小剪重比；同時控制外框架剛度，提高外框架在地震荷載下承擔的水平剪力，充分發揮外框架作為二道防線作用；對確保框筒結構的抗震性能，非常重要。

(4)通過對結構不規則程度和構件重要性分析，運用基于性能的抗震設計方法，從宏觀上提出了結構抗震性能目標，并根據宏觀目標分別對關鍵構件、普通豎向構件和耗能構件確定了性能水準，通過具體設計過程和方法實現了預期的性能目標和性能水準。

參考文獻

[1] 傅學怡.《實用高層建筑結構設計》(第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[2] 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)[S].2010.

[3] 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，2010.

[4] GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.