太原恒大濱河天際超限高層公寓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王利民

（太原王孝雄建筑設(shè)計(jì)院（有限公司），山西太原 030024）

1 工程概況

工程地點(diǎn)位于山西省太原市萬(wàn)柏林區(qū)核心地帶，項(xiàng)目東西長(zhǎng)約182m，南北寬約73m，共有2幢超限高層公寓樓，地上一層、二層、一到六層裙房為商業(yè)。總建筑面積183960.34m2。主樓部分地下4層，主樓在地下與車庫(kù)連為一體，地庫(kù)頂板以上A座、B座及裙樓商業(yè)由變形縫分為3個(gè)獨(dú)立樓棟，各樓棟的嵌固端位于正負(fù)零。公寓樓A座總建筑高度187.97m，地上58層；B段公寓樓建筑總高度160.1m，地上49層；均為超過(guò)B級(jí)高度的超限高層建筑，本文主要論述A座的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目擬建場(chǎng)地為汾河中段—太原西山Ⅰ級(jí)階地的地貌單元，場(chǎng)地穩(wěn)定，軟土可不考慮震陷影響。地表面到地下20m范圍存在以第②層飽和粉砂為主的液化土層，場(chǎng)地地基液化等級(jí)為輕微，樁側(cè)摩阻力液化影響折減系數(shù)10m以內(nèi)可取2/3，大于10m深度段可不折減。擬建場(chǎng)地地下水類型包括孔隙潛水與承壓水，項(xiàng)目場(chǎng)地地下水位穩(wěn)定值為5.65～6.31m，絕對(duì)高程783.95～785.13m；平均高程784.476m。建筑物基礎(chǔ)抗浮水位高程按787.10（-4.500）考慮。±0.000相當(dāng)于絕對(duì)高程790.985m。本工程基礎(chǔ)形式采用樁筏基礎(chǔ)，（鋼筋混凝土后壓漿灌注樁在筏板下滿堂布置，樁徑0.8m，工程樁長(zhǎng)50m，第10層為粉砂層未樁端持力層，筏板板厚2.20m。工程樁單樁取值8000kN（承載力特征值）。樁筏基礎(chǔ)的計(jì)算方法采用有限元，在豎向荷載作用下：A座最大樁反力8293kN，平均值為7280kN；在水平荷載作用下：A座最大樁反力10385kN小于1.5倍特征值kN，平均樁反力65981kN小于1.25倍特征值，達(dá)到規(guī)范和計(jì)算要求。A座總沉降量最大值和最小值分別為7.51cm和4.34cm，整體傾斜最大為0.152m，在規(guī)范允許范圍。

3 結(jié)構(gòu)體系與布置

A座結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過(guò)多輪討論和比較，確定采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，主要原因如下：①上部主要樓層為公寓，房間開(kāi)間較小，且房間內(nèi)不宜突出大的柱子等構(gòu)件；房間層高較低，不宜布置較大的結(jié)構(gòu)梁；②底部一、二層為商業(yè)，且周邊不屬于繁華商圈，對(duì)大空間商業(yè)的需求不是很強(qiáng)烈。如本工程采用框支剪力墻，造價(jià)明顯上升，經(jīng)濟(jì)性較差；③剪力墻可充分發(fā)揮混凝土的抗壓強(qiáng)度高的特性來(lái)作為優(yōu)良的豎向受力構(gòu)件，其截面剛度大的特性具有良好的水平抗側(cè)力性能。從下到上，剪力墻的截面尺寸由400～650過(guò)渡到200～400不等，混凝土強(qiáng)度等級(jí)

由C60依次降為C35。為增加墻肢延性，在底部拉應(yīng)力較大的墻肢內(nèi)設(shè)置型鋼柱。樓蓋結(jié)構(gòu)為鋁模工藝的鋼筋混凝土梁和現(xiàn)澆樓板，綜合考慮了結(jié)構(gòu)形式、建筑布局、管線排布、裝飾裝修及業(yè)主要求等。結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

4 地震作用參數(shù)及抗震性能目標(biāo)

主樓地上與裙樓相連的商場(chǎng)建筑面積超過(guò)了17000m2，根據(jù)規(guī)范，A座主體抗震設(shè)防類別：28.79m以下為乙類（重點(diǎn)），28.79m以上為丙類（標(biāo)準(zhǔn)）。 ①A座塔樓主要地震參數(shù)：Ⅷ度設(shè)防、加速度0.20g、第二分組；抗震措施28.79m以下為Ⅸ度，其余Ⅷ度；剪力墻抗震等級(jí)：-3.6m～28.79m為特一級(jí)、負(fù)2層為一級(jí)、負(fù)3層為二級(jí)、負(fù)4層為三級(jí)，其他部位為一級(jí)；②Ⅲ類（場(chǎng)地類別）、0.55s（特征周期），0.05/0.07（小/大震阻尼比）；③0.40kN/m2（50年重現(xiàn)的基本風(fēng)壓）、體型系數(shù)1.3（風(fēng)荷載）、C類（地面粗糙度）、0.35kN/m3（雪荷載，50年一遇）；④按C類目標(biāo)考慮抗震性能。

5 超限情況及對(duì)應(yīng)措施

本工程存在超100m高度的88.9%、最大平面凹進(jìn)尺寸與對(duì)應(yīng)邊長(zhǎng)比值32%、高寬比8.8、局部不規(guī)則等超限情況，設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)措施如下：①對(duì)A座塔樓使用軟件SATWE、MIDAS分別進(jìn)行塔樓整體計(jì)算并對(duì)比結(jié)果，這兩個(gè)軟件的原理是模擬的不一樣力學(xué)受力模型，要求大的把控基本一致，不同的薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)；②通過(guò)用SATWE軟件——彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，對(duì)比CQC法的計(jì)算結(jié)果，判定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于安全；③采用PKPMSAUSAGE對(duì)結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能驗(yàn)算，可以看到結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性性能，設(shè)計(jì)上采取一一對(duì)應(yīng)的加強(qiáng)手段和舉措。

6 塔樓計(jì)算與分析

（1）分析軟件：①PKPM程序用于小震下彈性分析、設(shè)計(jì)，彈性時(shí)程分析（補(bǔ)充計(jì)算），塔樓設(shè)防烈度地震計(jì)算及工程設(shè)計(jì)；②MIDASBuilding用于小震彈性分析校核與設(shè)計(jì)；③PKPMSAUSAGE用于大震彈塑性分析。

（2）兩種軟件在重力、水平作用力下結(jié)果對(duì)比：塔樓恒+活載值、重力荷載代表值、基礎(chǔ)底部的總共剪力、基礎(chǔ)底部的剪重比接近，基底剪重比均滿足規(guī)范限值。基底傾覆彎距MIDAS Building計(jì)算的結(jié)果較大。在水平作用力（地震、風(fēng)荷載等）下，層間最大位移角類同，X向最大值1/1069.5，Y向最大值1/787.9，均滿足規(guī)范1/720的限值；頂點(diǎn)最大位移MIDAS計(jì)算的兩個(gè)方向的結(jié)果均要更大一些；最大層間位移比也基本相同，X向最大值為1.157，Y向最大值1.312；水平向的控制工況為地震工況。

（3）豎向構(gòu)件最大軸壓比均控制在0.50以下，上下挨著的樓層側(cè)向剛度比值合理。SATWE結(jié)果X、Y方向剛重比分別為5.21、3.71，大于 2.7（不考慮 P－Δ 效應(yīng)）和 1.4（剛重比最小值）的規(guī)范最小要求。

（4）舒適度驗(yàn)算（樓蓋結(jié)構(gòu)）：樓蓋的豎向振動(dòng)頻率為11.2564Hz（第一振型最小值），大于高規(guī)技術(shù)規(guī)程里面第3.7.7條規(guī)定的3Hz。

7 彈性時(shí)程分析結(jié)果

表1 地震波作用下——基礎(chǔ)底部剪力及平均值與CQC法基礎(chǔ)底部剪力對(duì)比

8 特殊部位的加強(qiáng)構(gòu)造

連廊部位作為消防與地震逃生的重要通道，采取如下加強(qiáng)構(gòu)造：①連廊梁與前室梁拉通設(shè)置，形成七跨（局部三跨）連續(xù)梁，連廊梁截面為350×800，全高按型鋼混凝土梁設(shè)計(jì)（填充區(qū)域示意型鋼混凝土梁）；②連廊樓板厚度160mm，配筋率0.312%，雙層雙向布置；③連廊剪力墻最小厚度為400mm，全高剪力墻及相鄰連梁內(nèi)設(shè)置型鋼；④全高范圍內(nèi)連廊相連剪力墻及其連梁、連廊框架梁按關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)，抗震等級(jí)為特一級(jí)，相連前室內(nèi)框架梁抗震等級(jí)為一級(jí)。

主樓3～8層局部為商業(yè)與公寓區(qū)域形成局部錯(cuò)層，對(duì)錯(cuò)層區(qū)域構(gòu)件采取如下加強(qiáng)構(gòu)造：①錯(cuò)層墻及商業(yè)區(qū)域外墻厚度增加5cm；②商業(yè)區(qū)域樓板厚130mm，鋼筋雙層雙向布置，配筋率0.276%；③局部錯(cuò)層墻增設(shè)水平翼墻，提高錯(cuò)層處墻肢傳遞水平抗側(cè)移能力。并在連梁截面不足的位置，設(shè)置雙連梁。

9 SATWE中震計(jì)算結(jié)果及措施

對(duì)塔樓底部加強(qiáng)區(qū)墻體驗(yàn)算——中震彈性抗剪，非底部加強(qiáng)區(qū)的墻體驗(yàn)算——中震下抗剪不屈服、抗彎不屈服，驗(yàn)算中震下的連梁抗剪不屈服，通過(guò)SATWE進(jìn)行中震不屈服對(duì)比計(jì)算，少量墻體暗柱配筋面積大于最大配筋率，采用插入型鋼或增大暗柱截面等措施；少量連梁截面不滿足抗剪截面條件，采取在連梁內(nèi)增設(shè)鋼板或設(shè)置雙連梁等措施，能滿足中震的性能目標(biāo)要求。利用PMSAP軟件對(duì)錯(cuò)層部位樓板采用殼單元對(duì)樓板應(yīng)力進(jìn)行中震作用下的計(jì)算分析。各種工況組合下錯(cuò)層部位、標(biāo)準(zhǔn)層樓板的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為1.513MPa和6.724MPa，均小于C30混凝土的設(shè)計(jì)值，故在中震彈性作用下樓板不會(huì)發(fā)生拉壓破壞。

10 SATWE大震計(jì)算結(jié)果

墻體大震截面驗(yàn)算，采用等效彈性設(shè)計(jì)方法，利用SATWE的大震不屈服計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件的對(duì)應(yīng)剪力，經(jīng)驗(yàn)算大震下截面抗剪尺寸滿足計(jì)算要求，通過(guò)加厚底部加強(qiáng)區(qū)墻體和加大墻體配筋及增設(shè)型鋼、在連梁中配置交叉斜筋等措施，能滿足大震的性能目標(biāo)要求。

11 高寬比超限專項(xiàng)分析計(jì)算

針對(duì)本項(xiàng)目高寬比較大的特殊情況，進(jìn)行下列補(bǔ)充措施及補(bǔ)充計(jì)算：①塔樓剪力墻全落在基礎(chǔ)，連梁跨高比大于等于2.5，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)多道設(shè)防；②基礎(chǔ)埋深一些，現(xiàn)為17.45/188.9=1/10.82，大于總高度1/18，保證塔樓整體穩(wěn)定性；③多罕遇地震作用下，層間位移角（彈性、彈塑性）滿足規(guī)范；④塔樓整體穩(wěn)定、重力二階效應(yīng)、抗傾覆驗(yàn)算均滿足高規(guī)要求；⑤加大基礎(chǔ)底板寬度，懸挑部分寬度不小于1.5m，確保基底無(wú)零應(yīng)力區(qū)；⑥筏板懸挑區(qū)域在罕遇地震下抗彎、抗剪和抗沖切承載力滿足要求。

12 大震彈塑性時(shí)程分析

A座塔樓大震彈塑性時(shí)程分析使用的PKPM-SAUSAGE軟件，可模擬在地震力作用下的反應(yīng)全過(guò)程，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)從開(kāi)始出現(xiàn)破壞到最終倒塌的狀態(tài)。通過(guò)分析三組地震波作用下的分析，得出結(jié)果：①三組波的數(shù)值不發(fā)散，可作為有效數(shù)據(jù)；②塔樓在 X、Y方向最大剪力值（基礎(chǔ)底）分別為130908kN和136825kN；與小震反應(yīng)譜法CQC基礎(chǔ)底的相比依次為3.487、3.496；③塔樓X、Y方向最大層間位移角依次為1/152、1/156，對(duì)應(yīng)在地上26層、35層，均滿足要求；④A座X、Y方向最大頂點(diǎn)位移依次為0.907m、1.017m，對(duì)應(yīng)為結(jié)構(gòu)高度的1/206和1/187；⑤大震下本項(xiàng)目整體指標(biāo)滿足“大不倒的目標(biāo)”。

13 結(jié)語(yǔ)

由于超限高層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)難度大，應(yīng)先確定預(yù)期的樓棟抗震性能目標(biāo)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法，使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)應(yīng)的性能要求，采用多種不同力學(xué)模型的計(jì)算軟件對(duì)比分析，重視超限情況的專項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施，注重特殊部位的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性把控可通過(guò)彈性動(dòng)力、罕遇地震彈塑性時(shí)程分析，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固和安全。