保利天環花園超限工程結構設計

姚一帆

（廣東海外建筑設計院有限公司，廣州 510000）

1 引言

現階段，高層建筑建設項目越來越多，在項目為了追求更完美的外形、 更舒適的內部環境以及更寬敞的使用空間的情況下，有可能就會出現超限的高層建筑。 超限建筑一般指超過規范規定的結構最大適用高度或不屬于普通結構類型范圍的高層建筑工程， 也包括結構體型嚴重不規則以及規范要求的必須通過抗震專項審查、專家論證的高層建筑工程。 對此，設計者通常利用過往的工程經驗對超限建筑的抗震進行設計，再經過專家的專項審查和論證，確保這類超限高層建筑安全[1]。

2 工程概況

保利天環花園項目位于順德區樂從鎮銀桂路以北、 萬寧路以南地塊。 總建筑面積368 886.73 m2，由15 棟塔樓、1~2 層地下室和1~2 層沿街商鋪組成。上部塔樓中，超高層住宅為50層，建筑高度約147.800 m。 按GB 50223—2008《建筑工程抗震設防分類標準》[2]，本項目抗震設防類別按丙類，抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.1g，本場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s。 基本風壓為0.6 kN/m2，地面粗糙度為B 類，承載力計算時取基本風壓的1.1 倍。

2.1 結構超限判別

結構高度超過A 級高度，未超過B 級高度，根據相關文件，結構存在3 項一般不規則，分別為：（1）扭轉不規則。 在考慮偶然偏心地震的規定水平力工況下，結構扭轉位移比＞1.2，但＜1.4。 （2）凹凸不規則。 平面凹凸尺寸超出相應邊長30%。（3）局部不規則。 由于建筑使用功能的要求，上部部分墻體需要在2 層進行轉換，轉換墻體比例為1.7%，＜10%，屬于局部轉換。 因此，本項目屬于房屋結構高度超限且結構體型特別不規則的高層建筑工程。

2.2 抗震性能目標

根據本工程的超限判別、結構特征和經濟合理性的要求，以及JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[3]的規定，對抗震性能目標的劃分按以下要求： 本工程建筑抗震性能目標定為C 級，即小震滿足抗震性能水準1、中震滿足抗震性能水準3、大震滿足抗震性能水準4。

2.3 多遇地震分析結果

本工程采用SATWE 和MIDAS BUILDING 兩種軟件進行對比計算。

經過分析，在多遇地震及風荷載的作用下：（1）兩種軟件SATWE 和MIDAS BUILDING 分析的各項結果均具備相似性和規則性，說明分析模型準確。 （2）結構各項控制指標均在有效區間之內，滿足規范相關要求，結構具有合適的剛度和承載力。 （3）彈性時程分析的時程波與規范反應譜在正態分布上統計相符，分析結果滿足要求。 由此表明：多遇地震及風荷載作用下，各項設計控制結果均滿足性能水準1 的抗震性能目標。

2.4 設防烈度地震作用分析

根據抗震性能目標， 為了判別結構在設防烈度地震作用下抵抗地震力的性能， 對本工程進行中震彈性及中震不屈服計算分析。

2.4.1 基底剪力對比

中震與小震基底剪力之比在2.8 左右，由此表明：中震地震作用量級合理，設計參數正確。

2.4.2 剪力墻受彎驗算

根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》要求，取地下2~4 層為約束邊緣構件，5 層~ 屋面層為構造邊緣構件。 小震時剪力墻邊緣構件及墻身配筋均為構造配筋，因此，進行中震剪力墻受彎驗算時，取墻身配筋為0.25%，約束邊緣構件縱筋配筋率為1.2%，構造邊緣構件配筋率為0.9%。

取典型墻肢直墻段，利用XTRACT 軟件對墻身進行受彎驗算，均滿足規范規定。

2.4.3 剪力墻受剪驗算

按JGJ 3—2010 《高層建筑混凝土結構技術規程》7.2.7 對剪力墻剪壓比和受剪承載力進行驗算。 結果表明，作為關鍵構件的底部加強區剪力墻墻肢剪壓比及受剪承載力均滿足中震彈性的性能目標， 普通豎向構件的非底部加強區剪力墻的相關計算結果也均滿足中震不屈服的性能目標。

2.4.4 剪力墻受拉驗算

墻肢名義拉應力為截面軸力與截面面積的比值， 即截面的平均拉應力。 中震不屈服工況下墻肢分析結果顯示，僅底部和頂部少量墻肢出現拉應力，其他墻肢均未出現拉應力。 受拉墻肢中最大軸拉比＜2，表示墻肢軸拉力＜2ftk（ftk為混凝土軸心抗拉強度標準值），表明剪力墻受拉滿足中震不屈服驗算。

2.4.5 框架梁與連梁受彎、受剪驗算

SATWE 中震不屈服分析結果顯示，多數框架梁和連梁滿足中震抗彎不屈服，僅局部構件在局部樓層出現受彎屈服，所有層的框架梁和連梁均未出現抗剪屈服。 施工圖階段按小震和中震的包絡值進行設計，能夠滿足框架梁、連梁預定的性能指標。

2.4.6 設防烈度地震分析結論

綜上分析，在設防烈度地震作用下：（1）中震與小震基底剪力之比約為2.8，表明地震作用數量級合理。 （2）剪力墻的底部加強區均滿足受彎不屈服，受剪為彈性；非底部加強區滿足受剪與受彎不屈服。 僅底部和頂部少量墻肢出現拉應力，名義拉應力＜2ftk。（3）連梁、框架梁少量出現受彎屈服，但受剪不屈服，滿足預定性能目標。 個別連梁通過采取加設交叉斜筋的加強措施滿足規范剪壓比限值要求。 由此表明，各項設計控制結果在中震作用的情況下，均達到性能水準3 的抗震性能目標。

3 罕遇地震下動力彈塑性時程分析

JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》中5.1.13 條規定 “B 級高度的高層建筑、混合結構和復雜高層建筑結構，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算”。 本工程的結構高度超過了JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》表3.3.1-2 中B 級最大適用高度,屬于一般不規則結構，有必要了解結構在罕遇地震作用下的性態。

3.1 分析模型與參數選取

本工程選用了MIDAS BUILDING 系列軟件中的結構大師軟件（STRUCTURE MASTER 2014）進行罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。

本工程進行彈塑性時程分析時， 從彈性時程分析的地震動波形中選用了地震動響應與本工程相接近的兩條記錄波DZ1、DZ3 及人工模擬波RG1。 地震波的加載采用雙向加載。

3.2 計算結果分析

3.2.1 基底剪力

動力彈塑性基底剪力與小震彈性時程分析基底剪力之比為3.61~4.73，表明動力彈塑性分析基底剪力數量級合理。動力彈塑性分析基底剪力與大震彈性時程分析基底剪力比值在0.58~0.76，表明地震能量得到有效耗散。

3.2.2 層間位移角

各工況下樓層最大層間位移角均滿足1/120 的限值。表明結構在罕遇地震作用下仍具有足夠的剛度，大震不倒，能滿足相應的性能目標。

經過分析結果，在罕遇地震作用下：（1）作為主要抗側力構件的剪力墻混凝土纖維未出現拉壓屈服， 只有極少部分發生剪切屈服，比例為0.6%~4.7%。 鋼筋纖維部分受拉屈服，未出現剪切屈服。 （2）作為主要耗能構件的連梁，首先在底部出現剪切屈服，然后向頂部擴展，工況結束時，約有40%的連梁發生剪切屈服。 （3）作為耗能構件的框架梁先在底部出現彎曲屈服，然后向頂部擴展，工況結束時多數框架梁在第一屈服狀態，只有底部和頂部少量框架梁進入第二屈服狀態，未有框架梁進入第三屈服狀態。

3.3 結構構件薄弱部位分析

由于本結構平面呈蝶形，扭轉效應明顯，核心筒區域是連接各子區塊的重要樞紐，因此，核心筒部位受力相對較大，連梁多發生5 級屈服。

為保證核心筒連接的作用，延緩連梁的屈服，在施工圖階段對受力較大、連梁屈服較嚴重的樓層，核心筒連梁增設交叉斜筋，保證連梁的強剪弱彎性能。 同時將核心筒區域板厚增加至180 mm，并雙層雙向配筋，保證在罕遇地震作用下核心筒樓板的樞紐作用。

3.4 分析結論

通過分析結構在罕遇地震作用下的動力彈塑性時程指標，結合整體反應結果和各個結構構件的性能分析，綜合后可以得出如下結論：（1）結構層間彈塑性位移角均比規范限值要求小，剪力墻和框架柱等主要抗側力構件沒有發生嚴重破壞，局部構件存在少量屈服， 但少量的局部構件屈服不會危及結構的整體安全或產生倒塌，結構的整體性優良，可滿足 “大震作用下不倒” 的抗震性能目標要求。 （2）剪力墻混凝土受壓沒有超過抗壓強度，鋼筋拉壓沒有彎曲屈服，均處于彈性應力狀態；個別墻肢局部受剪屈服，但比例較小，受剪截面經復核計算后，能滿足性能目標要求，不會出現墻肢整體在剪力作用下的屈服和破壞。 （3）多數樓層框架梁兩端的區域進入彎曲屈服狀態，框架梁未發生剪切屈服，部分連梁發生剪切屈服，結構的耗能體系設計情況良好。

由此表明： 對于罕遇地震作用下性能水準4 的抗震性能目標，各項設計控制指標均能滿足。

4 轉換構件專項分析

由于建筑使用功能的要求， 本工程存在局部剪力墻不直接落地，在2 層轉換的情況，轉換率為1.7%，屬于局部轉換。轉換層層高5.4 m，采用框支梁作為轉換構件，框支梁尺寸為1 400 mm×1 700 mm，1 200 mm×1 700 mm 和800 mm×1 700 mm，框支柱尺寸為1 100 mm×1 400 mm，混凝土強度等級均為C55，周邊板厚200 mm。

4.1 設防烈度地震分析

1）框支柱正截面承載力驗算：此過程與剪力墻相同，利用XTRACT 軟件對框支柱進行受彎承載力驗算。可以看出，框支柱受彎滿足受彎中震彈性的性能目標。

2）框支柱斜截面承載力驗算：結果表明，框支柱受剪滿足中震彈性的性能目標。

4.2 罕遇地震分析

根據罕遇地震作用下轉換梁的應力分析結果， 經核查均未出現塑性鉸，轉換梁滿足大震不屈服的性能目標。

5 結語

結構類型和結構體系的準確選擇、 合理布置是高層建筑結構設計中的首要因素，它關系到結構的整體剛度、抗震抗風能力、造價指標，以及施工周期等問題。 對結構加強概念設計，采用不同程序對比計算分析，采取適當的抗震加強措施，可以有效解決超限高層建筑存在的結構難點和相關問題， 保證結構的安全。 本工程設計中對結構高度超過A 級高度的高層建筑工程的超限分析計算思路和分析方法， 對其他類似的超限結構設計也具有一定的參考意義。