帶塔樓偏置的商業(yè)超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

袁 升，段 貝，程俊婷

1.浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006

2.中機(jī)工程有限公司，浙江 杭州 310016

1 工程概況

杭州嘉里城市之星項(xiàng)目（4#地塊、5#地塊）位于杭州下城區(qū)，是集購(gòu)物、休閑、酒店、辦公于一體的商業(yè)綜合體建筑工程。設(shè)計(jì)方案均為一棟帶裙樓的高層塔樓，地下室共4層，且兩地塊連為一體。4#地塊地上建筑面積約為4.94萬(wàn)m2，地上有18層，總高度為84.2m，其中裙房有6層，總高度為23.1m；5#地塊地上建筑面積約為3.79萬(wàn)m2，地上有9層，總高度為53.5m，其中裙房有6層，總高度為23.1m。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和使用年限均為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1[1]。抗震設(shè)防烈度為7度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）。

該項(xiàng)目采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[2]中風(fēng)荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。塔樓位移驗(yàn)算時(shí)，基本風(fēng)壓w0按50年一遇標(biāo)準(zhǔn)取0.45kN/m2。地面粗糙度按B類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.4。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)體系

該項(xiàng)目?jī)蓷潣蔷捎娩摻罨炷量蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系。將剪力墻作為主要的抗側(cè)力體系，能夠有效地承受地震作用和風(fēng)荷載引起的水平剪力。框架柱及斜撐作為抗側(cè)力的第二道防線，同時(shí)也能配合建筑立面的要求。地下室樓面主要采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板系統(tǒng)，地上樓面主要采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁+疊合樓板系統(tǒng)。以5#地塊為例，其抗側(cè)力構(gòu)件如圖2所示。

圖2 抗側(cè)力構(gòu)件

2.2 性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)

該項(xiàng)目存在塔樓偏置、裙房多層樓板大開(kāi)洞、若干豎向構(gòu)件不連續(xù)等平面和豎向不規(guī)則，屬于特別不規(guī)則的超限結(jié)構(gòu)。按《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67號(hào)）的要求進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，抗震性能目標(biāo)定為C[3]。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第3.11節(jié)確定塔樓各構(gòu)件的性能要求，并提高其中特別關(guān)鍵構(gòu)件的設(shè)計(jì)性能要求[4]。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）[5]表M1.1.1-2中性能要求3確定各地震水準(zhǔn)下塔樓的層間位移變形要求。結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的具體性能目標(biāo)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能目標(biāo)

2.3 結(jié)構(gòu)主要抗震加強(qiáng)措施

（1）增加裙房屋面的樓板厚度至160mm，裙房屋面及上、下層樓板配筋采取雙層雙向拉通配置，提高板每層每向鋼筋配筋率，使其不小于0.3%，對(duì)裙房大開(kāi)洞相鄰板增加板厚并提高配筋率。

（2）對(duì)于主樓與裙房相連的外圍框架柱，從裙房屋面上一層標(biāo)高以下高度范圍內(nèi)，提高柱縱向鋼筋的配筋率。大底盤上下各兩層主樓周邊框架柱的抗震等級(jí)提高一級(jí)（4#地塊按特一級(jí)、5#地塊按一級(jí)采用抗震構(gòu)造措施）。

（3）提高轉(zhuǎn)換部分（抬柱轉(zhuǎn)換）框架的抗震等級(jí)。采用型鋼混凝土梁柱作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，控制框架柱軸壓比不大于0.6，箍筋全高加密，且配箍率不小于1.5%，鋼骨率不小于5.0%[6]，同時(shí)增加轉(zhuǎn)換部位所在標(biāo)高樓板厚度。

（4）對(duì)于主樓與裙房相連的外圍相關(guān)范圍框架梁，提高其配筋率且梁面鋼筋采取拉通配置；裙房遠(yuǎn)離主樓一側(cè)兩跨范圍抗側(cè)力構(gòu)件抗震措施提高一級(jí)[7]。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈性

多遇地震下的整體彈性分析采用YJK和SATWE兩種軟件進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，兩種力學(xué)模型計(jì)算下的彈性分析結(jié)果基本一致，周期比、位移比、位移角、剛重比、剪重比等參數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表2 多遇地震作用下的彈性分析主要指標(biāo)比較

因?yàn)?#地塊和5#地塊總重量接近，且4#地塊高度更高、剛度較小，所以兩棟樓的底部總剪力非常接近。同時(shí)4#地塊樓層數(shù)明顯多于5#地塊，因此高度較低的5#地塊的每層抗側(cè)力構(gòu)件所承受的水平剪力反而更大，可由剪重比體現(xiàn)。綜上，結(jié)構(gòu)工程師對(duì)于這種高度不高但平面較大的“矮胖型”建筑，需要盡量控制剪力墻間距，間距不宜過(guò)大，滿足墻肢在大震下的剪壓比要求。

3.2 多遇地震作用下的彈性時(shí)程

為校核振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果，采用YJK對(duì)其進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析補(bǔ)充驗(yàn)算，選用2條天然地震波和1條人工波。時(shí)程分析所得的基底剪力和規(guī)范反應(yīng)譜（即振型分解法CQC）所得的基底剪力對(duì)比如表3所示。由表3可知，時(shí)程分析所得的基底剪力均大于規(guī)范反應(yīng)譜所得的基底剪力的65%，時(shí)程分析所得的平均基底剪力大于規(guī)范反應(yīng)譜所得的基底剪力的80%，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 3—2010）第5.1.2條的要求。介于篇幅，以下所有結(jié)構(gòu)分析只給出5#地塊結(jié)果。

表3 基底剪力

將時(shí)程分析所得的各樓層剪力的包絡(luò)值與反應(yīng)譜結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)反應(yīng)譜的各樓層采取放大處理，放大系數(shù)取兩者相應(yīng)樓層剪力之比。

3.3 設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)

基于性能的設(shè)計(jì)要求，豎向構(gòu)件的結(jié)構(gòu)正截面承載力需要滿足中震不屈服設(shè)計(jì)要求，斜截面承載力需要滿足中震彈性設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行中震驗(yàn)算時(shí)，地震作用不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)，阻尼比取0.07，周期不折減。經(jīng)計(jì)算，一層框架柱的最大軸壓比為0.53，最大剪壓比為0.04；一層剪力墻的最大軸壓比為0.4，自大剪壓比為0.17，均滿足規(guī)范要求。中震計(jì)算下各結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋率較合理，可以達(dá)到相應(yīng)性能要求。

3.4 罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)彈塑性

為保證結(jié)構(gòu)在大震作用下具有足夠的延性和抗倒塌能力，采用PKPM做Pushover分析，以評(píng)估結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能。側(cè)向力采用倒三角形荷載，作用于X、Y兩個(gè)方向，考慮P-Δ二階效應(yīng)的影響。

根據(jù)7度0.1g罕遇地震作用下相應(yīng)的能力譜和需求譜曲線，X向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力為121988.4kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的5.2倍，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)有效周期為1.314s，性能點(diǎn)附加阻尼比為0.042，對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為1/288；Y向性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力為109996.1kN，約為多遇地震作用下的基底剪力的6.2倍，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)有效周期為1.482s，性能點(diǎn)附加阻尼比為0.033，對(duì)應(yīng)的最大層間位移角為1/269。兩個(gè)方向的性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的層間位移角均小于1/100，可以滿足“大震不倒”的性能要求。

從整個(gè)推覆過(guò)程的出鉸狀態(tài)來(lái)看，核心筒內(nèi)的連梁和框架梁端首先出鉸，當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，剪力墻和框架柱均無(wú)出鉸，剪力墻頂部局部位置出現(xiàn)破壞，但不影響整個(gè)結(jié)構(gòu)，總體上符合預(yù)期的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）對(duì)于存在塔樓偏置的高層建筑，可以采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，形成二道防線；合理布置剪力墻，保證設(shè)防地震作用下墻肢的平均拉應(yīng)力不大于2倍混凝土抗拉強(qiáng)度。

（2）體型收進(jìn)部位的豎向構(gòu)件需加強(qiáng)，通過(guò)提高抗震等級(jí)、縱向鋼筋配筋率、箍筋加密等措施保證體型變化的上下層剛度差距不宜過(guò)大，避免形成薄弱層。

（3）通過(guò)多遇地震和設(shè)防地震下的彈性分析、罕遇地震彈塑性分析指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的性能化目標(biāo)。

（4）對(duì)于高度不高但剛度較大的結(jié)構(gòu)，要根據(jù)平面布置剪力墻，保證間距不宜過(guò)大，控制大震下墻肢的剪應(yīng)力。