某超限高層結構設計

馮東方

（廣州地鐵設計研究股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

隨著城市化進程的不斷發展，越來越多的綜合交通樞紐一體化項目在大城市中拔地而起。本項目是集游客中心、長途客運中心、旅游大巴站、城市公交站、寫字樓、公寓等多功能為一體的大型綜合交通樞紐。本文結合項目中其中一棟超高層辦公樓，對結構超限類型和程度進行分析和判斷，并根據結構超限情況和相關規范要求提出相應的抗震性能目標。通過多種軟件計算、對比、分析和設計，使結構主體最終達到設定的抗震性能目標，從而為今后類似工程的抗震性能化設計提供參考價值。

2 工程概況

本項目位于廣州白云區，共4 棟塔樓，其中，本次超限的范圍為西南地塊的辦公樓，如圖1 所示，其南側為旅游大巴停車場。西南塔樓地上總建筑面積為83 856 m2，地下4 層，地上共34 層（含3 層裙樓），總建筑高度148.80 m。其中4 層層高為5.63 m，避難層層高為4.35 m，其余標準層層高為4.15 m。

圖1 綜合交通樞紐一體化工程建設項目西地塊場站綜合體項目總平面

本項目民用建筑結構設計使用年限為50 年，建筑結構安全等級為一級，結構重要性系數為。抗震設防分類為乙類（標準設防類），抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g。

3 結構體系

本項目結構形式采用框架-核心筒結構，核心筒平面以及塔樓平面均為長方形，其中核心筒平面為上下對齊、尺寸不收進，結構高寬比為3.96，核心筒高寬比為10.78，均在規范限值以內。框架柱截面為1 600 mm×1 600 mm～800 mm×800 mm，剪力墻截面尺寸為200～700 mm，框架梁為500 mm×800 mm～200 mm×700 mm。塔樓標準層核心筒內板厚120 mm，核心筒外板厚為110 mm，避難層板厚120 mm，屋面層板厚130 mm。

4 整體分析

4.1 結構超限類型和程度

根據 《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）[1]和JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）對結構超限類別和程度進行判定，本工程高度超出A 級高度限值130 m，不超出B 級高度限值180 m，屬于超A 級高度高層建筑，且存在扭轉不規則和樓板不連續2 項不規則項[2]。

4.2 抗震性能目標

根據結構構件可靠性及重要性要求判斷，本工程無關鍵構件，耗能構件取框架梁及連梁，豎向構件為普通的豎向構件[3]。

本結構的抗震性能目標如表1 所示，各性能水準下結構構件預期的震后性能狀況如表2 所示[4]。

表1 抗震性能目標

表2 各性能水準結構預期的震后性能狀況

4.3 多遇地震分析

4.3.1 振型分解反應譜分析

采用YJK 計算軟件對結構進行整體彈性分析，并采用MIDAS Building 2021-Structure Master 軟件對結構的整體計算指標對比分析，如表3 所示。

表3 整體計算指標對比

由表3 可見，兩個軟件計算的周期、振型、風荷載作用及地震作用下的最大層間位移角（＜1/600）、最大層間位移比基本一致，滿足規范要求。

4.3.2 彈性時程分析

本工程采用YJK 軟件進行多遇地震下主體結構的彈性時程分析補充計算，選取2 條人工波和5 條天然波進行彈性時程分析[5]。

通過彈性時程分析得出如下結論：（1）樓層位移曲線光滑無突變，反映結構側向剛度較為均勻；（2）7 條地震波計算得到的樓層最大位移角均＜1/600，滿足規范要求；（3）彈性時程分析計算的剪力平均值小于規范反應譜結果。

頸內動脈內膜切除術是將患者的狹窄側的動脈粥樣硬化斑塊除去，使其管腔恢復，即狹窄率降低甚至達到正常水平，相應腦血流量增加，進而對腦缺血的癥狀得到改善[12]。本次研究再次證明CEA對癥狀性頸動脈狹窄具有明顯的改善作用。

由此可見，在結構彈性階段反應譜分析結果起控制作用。但時程分析計算的局部樓層比振型分解法稍大，對這些樓層進行施工圖設計時，將振型分解法的地震作用適當放大約1.1倍，使其能基本包絡時程分析結果。

4.4 設防地震分析

采用YJK 軟件在設防地震作用下對結構進行抗震性能驗算。根據分析結果得出：（1）中震下豎向構件偏拉應力驗算，框架柱未出現拉應力，均保持受壓狀態，符合性能水準要求。下部樓層核心筒出現受拉，以角部受拉最為嚴重，大部分＜1.0ftk（ftk為抗拉強度標準值），但驗算均能滿足規范要求，且已實施樓層（4 層以下）考慮到核心筒角部的重要性，采用加設型鋼進行抗拉。（2）豎向構件均滿足抗彎不屈服、抗剪彈性的性能要求。（3）耗能構件（框架梁及連梁）均達到抗剪不屈服的性能要求。（4）為保證裙樓和塔樓樓板可靠傳遞水平力，控制樓板板厚和最小配筋率，并根據實際情況在局部應力較大處加強樓板構造配筋，保證樓板中震抗剪不屈服的性能要求。

4.5 罕遇地震分析

4.5.1 大震動力彈塑性時程整體性能分析

本工程采用3 組地震波對結構進行大震彈塑性時程分析，其中包含1 組人工波和2 組天然波，結構建模分析采用SAUSAGE 軟件，各方向模型大震最大彈塑性層間位移角及基底剪力見表4。

表4 大震彈塑性時程分析的基底剪力

結構在3 條地震波動力時程分析下的塑性損傷分布情況基本類似。由動力彈塑性分析結果可知：

1）框架柱基本處于無損壞～ 輕度損壞，核心筒剪力墻基本處于無損壞～中度損壞，滿足性能水準4 的要求。

2）梁多數出現輕微損壞，部分出現重度損壞；連梁大部分出現重度及嚴重損壞，損傷程度大于剪力墻，連梁的耗能能力得到充分發揮，達到強墻肢、弱連梁的性能目標，耗能構件滿足性能水準4 的要求。

3）結構裙房頂部、標準層、屋面層樓板基本處于無損壞～輕微損壞，滿足性能水準4 的要求。

5）各組地震波作用下主體結構的彈塑性層間位移角最大值為1/101，結構的層間位移角曲線光滑、沒有明顯的突變，從而說明結構無明顯薄弱層，符合相關規范的要求。

6）在核心筒剪力墻的塑性剛度下降后，主體結構框架仍具有足夠的承載力，沒有出現明顯損傷，說明框架可以起到第二道防線的作用。

綜上分析，結構整體抗震性能良好，與預期塑性化過程吻合。

4.5.2 大震等效彈性驗算

采用YJK 進行大震等效彈性分析，依據《高規》第3.11.3條的相關公式進行豎向構件彈性大震下的受剪截面驗算。本工程大震下的性能目標定為性能水準4，各層墻柱剪壓比在等效彈性大震作用下均滿足相關規范要求，說明在大震作用下結構豎向構件的受剪截面均能滿足相關規范要求。

5 專項分析

5.1 溫度分析

1）溫度應力概況：裙樓頂板尺寸為37.6 m×91.1 m，塔樓標準層尺寸為38.2 m×64.0 m，分析溫度作用對結構的影響，并采取相應措施。根據DBJ 15-101—2014《建筑結構荷載規范》，廣州室外最高溫度為35 ℃；室外最低溫度為8 ℃，取±25 ℃進行溫差分析。用YJK 軟件針對溫度應力做專項分析，考慮混凝土收縮徐變對溫度作用的釋放作用，取松弛系數0.3。

2）板計算結果：降溫工況下樓板應力分布均勻，梁柱節點處剛域有應力集中現象，樓板最大拉應力在1.5 N/mm2以內，小于混凝土抗拉強度設計值1.57 N/mm2；樓板最大壓應力在1.4 N/mm2以內，受壓偏大位置位于核心筒剪力墻附近，樓板壓應力小于混凝土受壓強度設計值16.7 N/mm2。

升溫工況作用下樓板應力分布均勻，梁柱節點處剛域存在應力集中現象，樓板最大拉應力在1.4 N/mm2以內，小于混凝土受拉強度設計值1.57 N/mm2；標準層及屋面層樓板壓應力不超過1.5 N/mm2，小于混凝土受壓強度設計值16.7 N/mm2。

溫度力作用下樓板應力分布均勻，局部梁柱節點處剛域附近存在應力集中現象，樓板采用鋼筋混凝土截面形式，通過適量的配筋滿足板壓拉應力的驗算要求，進而可保證板在溫度作用下的設計要求。

3）結論：根據以上分析，已施工的裙樓頂層樓板滿足溫度作用下的受力要求，標準層及屋面層樓板通過采取設置后澆帶等施工措施控制溫度裂縫，減輕溫度應力對結構的不利影響，同時屋面層在施工圖階段梁板配筋考慮溫度作用的影響，采用包絡設計。從而可保證在溫度作用下，結構構件滿足安全性和使用性要求。

5.2 穿層柱整體穩定分析

由于建筑功能要求，需要局部開洞，分別在首層、4 層、11層形成局部的穿層柱。在有限元分析軟件SAUSAGE 中，在穿層柱頂端加載計算，獲得穿層柱屈曲模態，提取穿層柱屈曲臨界荷載值。將屈曲臨界荷載值代入歐拉公式，見式（1），計算得到穿層柱的有效長度：

式中，l 為穿層柱的幾何長度；EI 為穿層柱沿屈曲方向的截面彈性抗彎剛度；Ncr為穿層柱的屈曲臨界荷載[6]。

根據以上計算得到的穿層柱有效長度反算出計算長度系數，計算結果如表5 所示，均小于模型中采用的長度系數，表明在設計荷載工況下塔樓各層穿層柱均不會發生局部屈曲，原設計滿足計算需求。

表5 穿層柱屈曲驗算

6 結語

本工程高度超過A 級高度限值130 m，不超過B 級高度限值180 m，屬于超A 級高度高層建筑，并存在扭轉不規則和樓板不連續2 項不規則項。

針對上述情況，本工程著重概念設計，采用YJK、Midas Building 及SAUSAGE 等多種程序對結構進行小震、中震、大震及專項計算分析。結果表明，結構各項指標表現良好，均達到規范及設定的性能目標要求。除滿足計算要求外，又從抗震構造措施方面入手，加強結構的重要部位和薄弱部位的抗震性能。因此，可以認為本工程結構滿足現行規范的性能目標等級C 的設防要求，結構是可行且安全的。