杭州杭政儲出B塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

詹海雷， 壽鈞良， 吳小平， 張陳勝

（1.浙江順為工程技術(shù)有限公司，浙江 溫州 325000；2.紹興市軌道交通集團有限公司，浙江 紹興 312000；3.浙江省建筑設(shè)計研究院，杭州 310006）

0 引言

地震具有高度不確定性和突發(fā)性，人類依據(jù)現(xiàn)有的知識和資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以進行準(zhǔn)確的地震動區(qū)劃。眾所周知，抗震概念設(shè)計是決定結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素，國內(nèi)外歷次大地震震害經(jīng)驗表明，結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、符合概念設(shè)計的房屋具有較好的抗震性能。

但近年來隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，某些項目為了實現(xiàn)建筑造型和滿足特殊的建筑功能需求，在結(jié)構(gòu)體型、高度、不規(guī)則程度等方面突破了現(xiàn)行規(guī)范限值，從而出現(xiàn)越來越多的復(fù)雜超限高層建筑。此類建筑在強烈地震作用下易形成薄弱部位、出現(xiàn)變形集中而可能遭受較嚴(yán)重的破壞。

文獻(xiàn)［1］以杭州余政儲出5號樓為例，該樓高度為162.2m，超A級最大適用高度8.13%，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，作者利用多軟件對其結(jié)構(gòu)進行計算分析，根據(jù)計算分析結(jié)果對剪力墻、連梁及樓板進行加強，以滿足抗震性能化設(shè)計要求。

文獻(xiàn)［2］中介紹了浙江新世界財富中心，該建筑北塔樓高度為246m，超B級最大適用高度17.14%，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，下部樓層采用型鋼混凝土柱，并沿建筑豎向設(shè)置了三道環(huán)向鋼筋混凝土桁架，根據(jù)多軟件計算分析結(jié)果，可判斷該結(jié)構(gòu)滿足抗震性能化要求。

文中通過對杭州杭政儲出B塔樓抗震研究及設(shè)計實踐，針對結(jié)構(gòu)高度超限類結(jié)構(gòu)，提出了針對性的設(shè)計建議措施，對該類復(fù)雜超限結(jié)構(gòu)的分析計算和抗震設(shè)計具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

1 工程概況

杭政儲出2005（70）號地塊位于杭州市濱江區(qū)，建筑效果圖如圖1所示。建筑面積約20.49萬m2，涵蓋了酒店、辦公、住宅及商業(yè)等多項功能，場地東南側(cè)及西北側(cè)分別布置了一棟231.7m（A）、231.4m（B）高的塔樓（辦公和住宅），塔樓之間有一棟99.4m（C）高的酒店（場地東北側(cè)）。A樓地上70層，B樓地上66層，C樓地上25層。5層裙房作為A、B、C塔樓的底盤，總高度24.5m。場地基本設(shè)置了滿鋪地下室，地下室為3層（局部為4層），長126.7m，寬105.8m。

圖1 建筑效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 B塔樓主要超限情況

（1）高度超限。B塔樓屋頂結(jié)構(gòu)標(biāo)高231.4m，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［3］，抗震設(shè)防烈度為6度，對于鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，A級最大適用高度為150m，B級最大適用高度為210m。B塔樓超A級最大適用高度59.4%，超B級13.86%。

（2）結(jié)構(gòu)不規(guī)則超限。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［4］和《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》［5］，考慮±5%偶然偏心的水平地震力作用下，其扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。31層處在Y向建筑立面內(nèi)收8.6m，內(nèi)收比例為25.1%，超過25%，屬豎向尺寸突變。分別在30、43、58層設(shè)置了環(huán)向桁架加強層，屬于構(gòu)件間斷不規(guī)則（含加強層）。加強層引起下部樓層抗剪承載力小于上部相鄰樓層的75%，屬抗剪承載力突變。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

豎向構(gòu)件為混凝土柱（下部為型鋼混凝土柱）及混凝土核心筒，水平構(gòu)件為混凝土梁板。核心筒抗震、抗風(fēng)，為主要抗側(cè)力體系。外框架根據(jù)建筑功能及立面要求布置，起到一定抗側(cè)力作用。設(shè)計保證外圈核心筒厚度，厚度分別為900mm（地下室）、800mm（裙房部分），700～500mm（主塔樓），同時提高約束邊緣構(gòu)件配箍率，從而提高其抗震承載力和延性。核心筒內(nèi)縱橫隔墻厚度為250mm、300mm。外圍框架柱采用型鋼混凝土柱（37層樓面以下）。整體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 B塔樓整體結(jié)構(gòu)模型

樓層典型樓板厚度：裙房樓板厚150mm；辦公（31層以下）樓板厚120mm；住宅（31層以上）樓板厚140mm；腰桁架加強層樓板厚180mm；屋面層、停機坪樓板厚150mm；地下一層作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，樓板厚180mm；人防區(qū)厚350mm；地下其余各層樓板厚度均為150mm。

B塔樓沿著樓層高度分別在30層（標(biāo)高103.050）、43層（標(biāo)高148.950m）和58層（標(biāo)高200.350m）設(shè)置了3個加強層。腰桁架可以增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。經(jīng)計算比較，不設(shè)置加強層時最大層間位移角，不滿足規(guī)范1/537（根據(jù)規(guī)范第4.6.3條規(guī)定插值得到）的要求，設(shè)置三道加強層后對整體結(jié)構(gòu)的層間位移角能有效控制。B塔樓典型加強層桁架模型及立面圖如圖3。

圖3 B塔樓典型加強層桁架模型及立面圖（單位：mm）

2.3 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)規(guī)范［3］、［4］，對B塔樓進行抗震性能化設(shè)計。綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟可行性，針對B塔樓超限情況，選定抗震性能目標(biāo)為“C”，其在多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)、水平及層間位移角限值見表1。繼而確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件包括主樓核心筒、周邊框架及加強層腰桁架的抗震設(shè)計性能目標(biāo)，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計性能目標(biāo)

2.4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件抗震措施

根據(jù)已確定的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件抗震性能目標(biāo)，對B塔樓提出針對性抗震措施。

（1）核心筒。控制核心筒墻肢的剪應(yīng)力水平，驗算罕遇地震作用時不同剪跨比的墻肢抗剪截面，使其不發(fā)生剪切破壞［6］。針對高度超限，將核心筒底部加強區(qū)延伸至第7層樓面標(biāo)高位置，即裙房屋面以上2層。為保證大震作用下核心筒底部出現(xiàn)塑性鉸后具有足夠大的延性以適應(yīng)變形，將裙房屋面以上2層的地震剪力放大1.25倍，其核心筒約束邊緣構(gòu)件及墻身配筋隨之加強，并保證約束邊緣構(gòu)件配置高度達(dá)墻肢軸壓比小于0.25的樓層標(biāo)高。另驗算所有墻肢在風(fēng)荷載或小震作用下不得受拉。核心筒剪力墻配置多層鋼筋，確保墻肢受力均勻。

（2）周邊框架。37層樓面以下采用型鋼混凝土柱，適當(dāng)提高框架柱的體積配箍率，改善框架柱的延性。周邊框架作為第二道抗震防線，設(shè)計時嚴(yán)于規(guī)范對各樓層框架部分地震剪力進行調(diào)整。適當(dāng)加強嵌固端至裙房屋面上一層的框架柱配筋，其箍筋全高加密以提高延性。

（3）腰桁架加強層。腰桁架使周邊框架柱受力均勻，減小其剪力滯后效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)剛度。加強層核心筒內(nèi)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，范圍為向下延伸2層，向上延伸1層，并適當(dāng)提高核心筒抗震等級，保證結(jié)構(gòu)延性。適當(dāng)加強樓板厚度，配筋雙層雙向，以提高結(jié)構(gòu)的整體性。

3 結(jié)構(gòu)整體分析

3.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)驗算

為判斷模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用PKPM和MIDAS Building這2種軟件計算B塔樓的結(jié)構(gòu)總重量及周期，比對發(fā)現(xiàn)兩者基本一致，如表2所示。結(jié)構(gòu)前三階振型如圖4所示，結(jié)構(gòu)剛度中心與質(zhì)量中心基本一致，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)小。PKPM其余計算結(jié)果見表3，B塔樓雖然存在較多傾斜柱，相較于層間位移角概念中構(gòu)件為鉛錘的前提，若取柱兩端位移變化與層高之比，則偏于保守，但計算仍按保守取值。B塔樓因在30、43、58層間設(shè)置了腰桁架，導(dǎo)致這3層樓層抗剪承載力產(chǎn)生突變，出現(xiàn)薄弱層，設(shè)計對薄弱層下2層、上1層的框架、核心筒抗震等級均取一級，同時對其進行中震彈性驗算。

表2 結(jié)構(gòu)總重量及前六階周期對比

表3 多遇地震作用下計算結(jié)果

圖4 B塔樓前三階振型

各樓層框架部分承擔(dān)的地震剪力=max{min［底部總地震剪力的25%，最大樓層地震剪力1.8倍］，結(jié)構(gòu)底部總地震剪力15%}

3.2 結(jié)構(gòu)彈性時程分析

B塔樓為存在加強層的復(fù)雜高層建筑，應(yīng)采用時程分析法進行多遇地震下的補充驗算，以驗證規(guī)范反應(yīng)譜法的包絡(luò)性［3］。根據(jù)Ⅲ類場地、第三組地震分組，選取天然波TH2TG045、TH4TG045和人工波RH3TG045，與反應(yīng)譜法得出的基底剪力進行對比，如表4，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力不小于規(guī)范反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，多條時程曲線計算的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%，滿足規(guī)范。根據(jù)結(jié)果B塔樓地震力不需要放大。

表4 時程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力比較

3.3 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)驗算

對結(jié)構(gòu)大底盤及其上一層，各腰桁架及其對應(yīng)的上1層、下2層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件進行中震彈性驗算。計算時，地震作用不再根據(jù)抗震等級增大；填充墻在中震作用下會破壞，因此不考慮其對周期的折減；同樣連梁也會發(fā)生一定程度的破壞，適當(dāng)減小其剛度折減系數(shù)。

計算結(jié)果表明，墻肢與框架柱的軸壓比分別小于0.5與0.75，配筋合理；腰桁架弦桿配筋同樣較為合理，判斷結(jié)構(gòu)可滿足中震彈性要求。并對中震作用下出現(xiàn)受拉狀態(tài)的墻肢，均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

3.4 罕遇地震作用下彈塑性分析

采用PKPM軟件通過對B塔樓進行靜力彈塑性分析（pushover），從而判斷結(jié)構(gòu)是否能達(dá)到罕遇地震作用下的抗震性能目標(biāo)，另校核其在小震下的受力與變形。分析前，混凝土梁、柱配筋采用計算配筋，按實際配筋復(fù)核。根據(jù)計算所得能力-需求譜曲線，找到性能點，并對比性能點狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角是否小于“層間彈塑性位移角限值”即1/100［4］。在模擬持續(xù)增大地震作用的過程中，由構(gòu)件的塑性鉸開展得出其破壞順序，驗證結(jié)構(gòu)變形是否與預(yù)期相符；驗算構(gòu)件在各性能水準(zhǔn)下是否超過其允許變形；并通過定性考察各構(gòu)件的塑性發(fā)展，標(biāo)記需要加強的構(gòu)件。

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在小震作用下無屈服，與小震相符。中震時，核心筒墻肢底部加強部位、伸臂加強層及相鄰上1層、下2層處于彈性，其余部位不屈服。當(dāng)達(dá)到6度罕遇地震作用水平時，部分層連梁及框架梁出現(xiàn)塑性鉸，核心筒部分剪力墻、腰桁架出現(xiàn)塑性鉸，框架柱不屈服，符合抗震性能設(shè)計。部分計算結(jié)果如表5所示，滿足規(guī)范要求。

表5 pushover計算結(jié)果

3.5 風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)舒適度驗算

B塔樓高度不小于150m，應(yīng)進行風(fēng)振舒適度驗算及風(fēng)洞試驗［7］。風(fēng)洞試驗的主要內(nèi)容是測量建筑模型上的平均風(fēng)壓與脈動風(fēng)壓時程，通過數(shù)據(jù)處理、計算分析，得到在各重現(xiàn)期和各風(fēng)向角風(fēng)壓作用下塔樓表面風(fēng)壓值和結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)響應(yīng)，為B塔樓的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

塔樓測壓模型由透明有機玻璃制成，幾何縮尺比為1：250。共布置了888個測壓點。考慮到地塊臨近沒有高層建筑，主要以民房為主，本試驗?zāi)M了大廈周圍300m半徑內(nèi)的建筑物。大廈周圍建筑采用PVC板制成模型模擬，如圖5。

圖5 風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ蛨D

風(fēng)洞試驗舒適度結(jié)果如表6所示，滿足規(guī)范要求。

表6 風(fēng)洞試驗結(jié)果m/s2

按10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)頂點順風(fēng)向最大加速度為0.034m/s2（X方向）、0.039m/s2（Y方向），橫風(fēng)向頂點最大加速度為0.094m/s2（X方向），0.082m/s2（Y方向），均小于規(guī)范對住宅的限值0.15m/s2。

4 結(jié)語

通過對帶加強層的超高層B塔樓多軟件計算及對其結(jié)果對比分析，結(jié)構(gòu)最終能達(dá)到抗震性能目標(biāo)，驗證了設(shè)計合理。以下從大底盤、核心筒、腰桁架加強層、周邊框架展開總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗：

（1）大底盤對于超B級高層結(jié)構(gòu)起到底部約束作用，其屋面及其上一層的豎向抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)按中震彈性要求進行設(shè)計；并可通過對板厚及配筋適當(dāng)加大從而對其加強。

（2）核心筒抗震、抗風(fēng)，為主要抗側(cè)力體系，應(yīng)驗算大震下核心筒剪力墻墻肢，使其不得發(fā)生剪切破壞；并通過配置多層鋼筋使墻肢受力均勻。

（3）腰桁架加強層使周邊框架柱受力均勻，減小其剪力滯后效應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)整體剛度。其設(shè)置位置可利用建筑避難層。對其引起的相鄰樓層抗剪承載力突變問題，考慮將加強層下兩層、上一層的墻、柱抗震等級均取一級，保證其中震彈性，并應(yīng)控制大震下這幾個樓層的彈塑性位移角不超過1/100。

（4）周邊框架為框架核心筒抗震二道防線，應(yīng)嚴(yán)于規(guī)范對各樓層框架部分地震剪力進行調(diào)整。可采用型鋼混凝土柱，并嚴(yán)格控制其軸壓比，以確保周邊框架具備足夠的延性。