某框架-多筒體結構超限高層結構設計

管前黔， 唐西川， 陳 柯

(成都基準方中建筑設計股份有限公司， 四川成都 610000)

1 工程概況

本項目位于成都市南部新區科創中心片區，益州大道附近，地上由2棟塔樓(3號和4號樓)組成，總建筑面積22.78萬m2。本文主要介紹超限高層4號樓的結構設計。4號樓建筑面積12.5萬m2，地上52層，地下4層，房屋高度167.450 m；地下均為車庫，地上1～3層為大堂及商業，層高為5.4 m及4.0 m；13、26、39層為避難層，層高3.3 m；其他樓層為辦公標準層，層高均為3.1 m。建筑效果圖及塔樓剖面圖如圖1及圖2所示。

圖1 建筑效果圖

圖2 塔樓截面

本項目設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為一級，地基基礎設計等級為甲級。依據GB 50023-2008《建筑工程抗震設防分類標準》，4號樓的抗震設防類別為重點設防類(乙類)，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.10g，設計地震分組為第3組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45 s，基本風壓為0.30 kN/m2，地面粗糙類別為C類。

2 結構體系與結構布置

2.1 結構體系及平面布置

本工程采用框架-(多)筒體結構體系。結構的高寬比為5.26，長寬比為2.67。核心筒貫穿全高，僅在50層局部收筒，筒體的高寬比為15.53。塔樓外輪廓為矩形(建筑平面為31.9 m×85.2 m)，僅在11軸線連接處平面有局部錯位，外框柱柱距為7.8～11.0 m，外框柱與核心筒距離約8.0～10.0 m。塔樓標準層結構平面布置如圖3所示。

2.2 豎向構件

核心筒平面為長矩形，核心筒按圖3所示分為4個筒體(2～4軸、6～11軸、11～15軸線及17～19軸線)，筒體X方向總尺寸為66.4 m，Y向長度為10.8 m。塔樓外框架柱在基礎頂層～13層采用型鋼混凝土柱，為避免剛度突變13層以上型鋼混凝土柱分批次由芯柱過渡到普通鋼筋混凝土柱子，四大角的型鋼混凝土柱最后進行過渡。對于11軸線上的連接A、Q軸線的兩顆鋼筋混凝土極短柱采取全高設置型鋼。

2.3 樓蓋體系

結合本工程的特點，對幾點位置樓蓋做了加強：

①各筒體內部樓板厚度均取為120 mm，雙層雙向配筋，最小配筋率為0.25%；②筒體之間開洞上下兩側的樓板及中部筒體上下兩端樓板，厚度均取150 mm(圖4)，其余樓板取為100 mm。

圖3 塔樓標準層結構平面布置

3 結構超限情況及抗震性能目標

根據建質[2015]《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》、DB51/T5058-2020《四川省抗震設防超限高層建筑工程界定標準》的有關規定，經在初審階段與超限專家溝通后，結構體系定義為框架-多筒體結構。

本工程結構超限情況：

(1)房屋高度為167.450 m超過框架-核心筒結構A級高度限制130 m。

(2)考慮偶然偏心影響的規定水平地震力作用下，樓層豎向構件的位移比大于1.2。

圖4 筒體上下兩側樓板加強范圍

(3)1～3層有局部穿層的框架柱。依據JGJ3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》(以下簡稱為《高規》)，針對該塔樓的超限情況以及結構體系，綜合前期超限專家的建議，選用C級性能目標及相應的抗震性能水準，各構件的抗震性能目標見表1。

表1 結構整體及各構件性能目標

4 結構分析

4.1 小震彈性分析

采用YJK和MIDAS軟件進行了振型分解反應譜分析，結構主要整體指標計算結果見表2。由表2可知，MIDAS與YJK軟件計算結果基本一致，結構各項整體指標均滿足高規限值要求，進一步驗證了所建立模型的正確性。

4.2 小震彈性時程分析

采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算分析，選取5組天然波及2組人工波對結構進行彈性時程分析，分析得到的最大層間位移角及基底剪力詳表3。7組地震波作用下的結構基底剪力均在CQC法計算基底剪力的65%～135%范圍內，平均基底剪力在CQC法計算基底剪力的80%～120%范圍內，滿足《高規》第4.3.5 條要求。

表2 小震彈性主要計算結果對比

表3 基底剪力及最大層間位移角

由各層的地震剪力分析結果表明：本工程時程分析法的層間位移角及樓層剪力等指標的變化與CQC法基本一致，地震作用效應取CQC法與時程分析計算結果平均值的較大值，在后期設計中根據實際情況放大樓層的地震層剪力。

4.3 中震分析

按照設定的性能目標C要求，選用YJK軟件對豎向構件進行了抗剪彈性和正截面抗彎不屈服計算分析。中震計算采用振型分解反應譜法，結構阻尼比取0.06，地震影響系數最大值為0.23，連梁折減系數為0.60。中震下的基底剪力以及最大層間位移角見表4。

計算結果表明，中震作用下的結構基底剪力約為小震作用下的2.5倍。中震彈性計算得到剪力墻墻身水平筋配筋率最大為0.65%，剪力墻水平筋按照小震和中震的計算結果取大值即可滿足中震抗剪彈性的性能要求。剪力墻從底部加

表4 基底剪力及最大層間位移角

強區的豎向鋼筋配筋率0.45%，逐漸過渡到0.35%，并按照按中震和小震包絡值配筋就能滿足中震抗彎不屈服的性能目標。

對于部分連梁以及搭接半框梁的框架梁，在中震不屈服計算時，出現個別位置屈服的情況，通過加設交叉斜筋或鋼板，來保證其滿足中震抗剪不屈服。

4.4 大震分析

按照設定的性能目標，采用SAUSAGE程序進行罕遇地震下動力彈塑性時程分析。根據大震下地震的影響力曲線，選取2組天然波及一組人工波進行罕遇地震作用下的彈塑性分析。地震波作用下結構的層間位移角及基底剪力如下表5、表6。由表5可以看出，2個方向層間位移角均滿足性能目標1/100的限值。通過表6的3組地震波作用下結構在2個主方向基底剪力比看出，結構耗能構件在大震下起到了很好的耗能機制作用。

表5 地震波作用下結構最大層間位移角及頂部位移

表6 地震波對應的底部剪力

大震彈塑性分析的豎向構件損傷性能如圖5所示，由罕遇地震作用下的彈塑性時程分析結果表明：

(1)剪力墻連梁先開裂，其損傷先出現在上、下部樓層，然后逐漸向其余部分發展，且損傷比較明顯，連梁出現剛度退化后，形成較好的耗能機制，有效保護了主體墻肢，使得主要受力墻肢整體損傷較輕。

(2)底部加強區僅少數墻出現輕微損傷，墻體內水平和豎向鋼筋未發生塑性屈服，滿足罕遇地震作用下關鍵構件輕度損傷的抗震性能要求。

(3)罕遇作用下，框架柱僅局部出現輕微的受壓損傷；上部樓層部分框梁梁率先進入屈服階段，隨后不斷擴展至樓層下部；結構底部加強區和標準層框架中，塑性鉸均出現在框架梁端，滿足規范所指出的大震作用下強柱弱梁的破壞機制。

圖5 內筒及外框豎向構件損傷性能

5 補充分析

5.1 樓板應力分析

本工程2層大堂上空開洞較大，因此選取其作為典型樓板層，進行罕遇地震下等效彈性樓板應力分析。2層在X向、Y向罕遇地震作用下大部分主拉應力均小于C30混凝土的抗拉強度標準值2.01 MPa，只有局部平面角部、筒體內局部以及洞口周邊出現應力集中現象，存在較大拉應力，因此需要在這些部位適當提高樓板配筋率。結構樓層樓板的壓應力均小于混凝土的抗壓強度，表明大震下能有效傳遞水平力，確保結構在地震作用下的整體工作。

5.2 跨層柱分析

6 針對結構超限的主要加強措施

(1)針對結構體系：按框架-筒體結構及框架-剪力墻結構進行包絡設計。外框架柱的地震內力按基底剪力的20%和外框柱最大計算剪力的1.5倍二者的較大值進行剪力調整,即取max(0.2V0，1.5Vf,max)。

(2)針對豎向構件：嚴控軸壓比及剪壓比；底部加強區豎向分布筋配筋率提高至0.45%；4個筒體外墻四角墻肢通高設置約束邊緣構件；外側2個筒體外墻四角(共8處)的墻肢的底部加強區加設型鋼，加強結構延性；外圍所有框架柱均在一定樓層范圍設置型鋼，在型鋼混凝土與普通混凝土柱之間設置兩層的芯柱過渡，避免承載力突變。

(3)針對樓板：筒體之間開洞上、下兩側的樓板及中部筒體上下兩端樓板，均取150 mm厚，雙層雙向配筋，最小配筋率為0.30%。

(4)其他部位：右側筒體之間平面外搭接半框梁的框架梁加設鋼板抗剪，保證中震抗彎不屈抗剪彈性，大震抗剪不屈服；對于此筒體框架梁，大震下兩端點鉸復核下部鋼筋，保證在大震下有足夠的承載能力；對于支撐此筒體框架梁兩端的剪力墻端部墻體加設型鋼，保證墻肢具有更好的抗震性能。

7 結論

本項目根據結構的超限程度以及相關的特殊問題進行了結構概念設計和抗震性能化設計。在抗震設計中，除保證結構在小震下完全處于彈性階段外，還補充了等效彈性中震、大震下的抗震性能要求和大震下的彈塑性時程分析，針對不同性能要求采取相應措施，也對一些關鍵部位采取了抗震措施，實現各結構預定的性能目標，可供相關的類似工程設計提供參考。