黃燦明

（廣東天元建筑設計有限公司　廣東　順德　528300）

某核心筒偏置超限高層辦公樓結構設計

黃燦明

（廣東天元建筑設計有限公司廣東順德528300）

本文針對廣東順德容桂某商業(yè)辦公樓超限高層結構設計，針對工程的特點，重點探討了結構選型、結構布置、抗震設防目標、抗震措施等，解決核心筒偏置的超限高層出現(xiàn)豎向構件偏拉及有針對性的結構加強措施；對樓板進行了應力分析，對整體進行靜力彈塑性分析。結果顯示工程各項計算指標比較理想，所采取措施也比較合理，較好的解決了工程中遇到的困難。

超限高層；塔樓偏置；穿層柱；抗震性能設計

1　工程概況

本工程位于廣東省佛山市順德區(qū)容桂某地塊，總建筑面積為6.21萬m2，由二層地下室（為車庫及設備房，地下二層為人防）、四層商業(yè)裙房（局部五層）和一棟辦公塔樓組成，裙房與塔樓首層以上設置抗震縫，地下室平面尺寸約143.52m×45.15m，裙房平面尺寸為83.52m×37.5m，裙房頂標高23.100；辦公塔樓平面尺寸為51.7m×24.8m，建筑高度為130.4m，32層，標準層層高為4m，其長寬比為2.08、高寬比為5.25。

辦公塔樓采用鋼管混凝土框架-剪力墻結構體系，設計基準期為50年，結構安全等級為二級，抗震設防烈度為Ⅶ度，設計地震分組為第一組，基本地震加速度為0.1g，多遇地震影響系數(shù)為0.091、特征周期0.42s（按場地地震安全性評價報告取此值），建筑場地類別為Ⅲ類，抗震設防類別為丙類。順德基本風壓值w0= 0.6kN/m2，地面粗糙度類別為B類，塔樓范圍采用沖孔灌注樁基礎，樁端持力層為中風化花崗片麻巖，入巖深度不小于0.5m，地基基礎設計等級為甲級。鋼管混凝土柱鋼管及疊合柱鋼管采用Q345B鋼材，剪力墻及部分框架柱采用混凝土柱混凝土強度等級為C60～C40。

2　超限判斷及設計難點

2.1超限判斷及不規(guī)則類型

辦公塔樓高度（130.4m）超限，屬B級高度高層建筑，按粵建市函[2011]580號[1]表一，框架-剪力墻結構＞120m為超限高層；存在的不規(guī)則有：二層樓面有較大的開洞屬于樓板不連續(xù)（見圖1），首層～二層有兩根穿層柱，考慮偶然偏心的扭轉位移比Y向為1.37，屬于扭轉不規(guī)則。

2.2設計難點

（1）塔樓的核心筒偏置（見圖1），故不屬于超高層常見的框架-核心筒體系，結構平面的不對稱性，使得D軸×14～17軸的核心筒剪力墻在水平力作用下出現(xiàn)較大的偏心拉力。

（2）二層樓面有較大的開洞，平面呈“凹”字形。

（3）首層～二層有兩根穿層柱，柱的實際長度為9.9m。

3　結構抗震性能目標

本工程按抗震性能目標C（各地震水準對應的性能水準為1、3、4）要求設計，計算方法依據(jù)廣東省標準《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（DBJ15-92-2013）[2]3.11.3條所列各水準的驗算公式計算。設定結構各關鍵部位構件性能目標如表1所示。

圖1　二層結構平面布置圖（塔樓）

表1　構件抗震性能目標

4　結構計算分析

4.1結構整體計算分析

分別采用SATWE和GSSAP，PMSAP軟件作輔助參考，計算結果表明，在多遇地震作用下，除了Y向扭轉不規(guī)則，各項指標均符合規(guī)范要求。由于SATWE與GSSAP計算方法有一定的差別，但計算結果基本接近，說明SATWE與GSSAP的分析結果是可靠的（如表2）。

4.2結構的彈性時程分析

輸入地震波為兩組實際地震記錄（SATWE軟件選波），并再由《場地地震安全性評價報告》提供的地震波中選取一條場地合成人工波USER1輸入SATWE進行彈性動力時程分析。進行彈性動力分析時按Ⅶ度地震Ⅲ類場地，50年時限內(nèi)超越概率為63.2％（小震），阻尼比為0.05考慮，選取的地震波最大加速度峰值按安評報告取為40gal（如表3）。

由以表3可看出：

表2　結構整體分析的主要計算結構

表3　基底最大總剪力及最大層間位移角

（1）時程分析結果滿足平均底部剪力不小于振型分解反應譜法結果的80％，每條地震波底部剪力不小于反應譜法結果的65％的條件。

（2）彈性時程分析的三組加速度時程的各樓層剪力和層間位移角的結果小于或接近于規(guī)范反應譜結果，反應譜分析結果在彈性階段對結構起控制作用。

4.3結構的中震（設防烈度地震）驗算

采用SATWE軟件對設防烈度地震（中震）作用下，除普通樓板、次梁以外所有結構構件的承載力，根據(jù)其抗震性能目標，結合《高規(guī)》[3]中“不同抗震性能水準的結構構件承載力設計要求”的相關公式，進行結構構件性能計算分析。

本工程各構件按廣東省標準《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（DBJ15-92-2013）第3性能水準第3.11.3條進行中震作用下構件的剪壓、拉彎承載力驗算。

剪、壓承載力：

拉、彎承載力：

對于核心筒剪力墻及邊框柱η=1.05，框架柱η=1.0，框架梁及連梁等耗能構件η=0.7。

在計算設防烈度地震作用時，采用規(guī)范反應譜計算，水平最大地震影響系數(shù)αmax=0.23，阻尼比ξ=0.06。

在中震模擬彈性計算中，框架柱剪、壓、彎承載力均滿足要求；少部分連梁出現(xiàn)超筋；部分核心筒剪力墻及其邊框柱出現(xiàn)拉力（集中在D軸線上，偏置核心筒的外側）。對受拉構件則因應大、小偏心受拉而分別采取不用的配筋形式。對于小偏心受拉構件，剪力墻邊緣構件仍按多遇地震計算結果配筋，但豎向分布筋則按照中震計算結果扣除邊緣構件配筋量后均勻布置；邊框柱則采用鋼管混凝土疊合柱（自基礎頂面至9層樓面），通過核心鋼管及周邊配筋抵抗拉力。對于大偏心受拉構件，其受拉縱筋集中配置于剪力墻邊緣構件中，并不計入豎向分布鋼筋的貢獻。

中震計算的簡要計算結果如表4，表4中震驗算時層間位移角控制：按1/325。

表4　中震作用下最大層間位移

4.4樓板應力分析

4.4.1小震反應譜計算裙房樓板應力

針對塔樓二層樓板大開洞和標準層，采用PMSAP進行小震彈性驗算下的彈性樓板應力分析，計算結果顯示各工況下板局部坐標正應力與剪切應力均較小，最大值在0.5MPa左右（小于C30的1.43MPa），主要集中在樓板開洞邊角、剪力墻角與樓板交接的地方，適當加強應力此部位的構件配筋。

4.4.2中震各塔樓樓板應力

為滿足抗震性能目標的要求，確保中震作用下轉換層樓板能可靠地傳遞水平力，采用PMSAP進行中震彈性驗算下的彈性樓板應力分析，計算結果顯示各工況下板局部坐標正應力與剪切應力均在0.97MPa以下（分別小于C30抗拉強度設計值1.43MPa 及0.7ft=1.0MPa），剪力墻與板交接特別是剪力墻筒、邊緣剪力墻與板交接的地方出現(xiàn)的應力較大，增大板厚及拉通板筋加強，可基本保證大部分轉換層樓板滿足中震不屈服。

4.5罕遇地震靜力彈塑性分析分析采用PKPM系列中EPDA&PUSH基于三維有限元空間彈塑性分析軟件PUSHOVER程序（靜力推覆分析），進行結構非線性分析。

4.5.1大震下靜力彈塑性分析所得的性能點處相關指標如圖2～3所示。

圖2　0°方向性能點曲線圖

4.5.2Pushover計算結果分析

（1）在罕遇地震作用下，性能點處各層彈性位移角滿足性能C“層間彈塑性極限位移角限值小1/100”的要求，建筑物可實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設防目標。

（2）結構出鉸在各樓層分布均勻，出鉸先后符合抗震設計理念在罕遇地震作用下，該結構整體和大部分結構構件仍具有明顯的強度和變形能力安全儲備，只在1～3層的個別剪力墻出現(xiàn)破壞，說明下部3層個別墻比較薄弱，將在施工圖中加大該處配筋。

圖3　90°方向性能點曲線圖

（3）部分連梁出現(xiàn)塑性鉸，且出現(xiàn)在連梁兩端，這表明連梁已到了充分耗能的作用。

4.5.3罕遇地震作用下承載力驗算

采用SATWE的大震不屈服計算，對剪力墻底部加強區(qū)的抗剪承載力進行分析，截面抗剪滿足目標性能C，第4性能水準，廣東省標準《高規(guī)》3.11.3-3公式（VGE+ηVek≤0.15fckbh0）的要求。

4.6結構穿層柱分析（BUCKLING）

4.6.1穿層柱相關參數(shù)

塔樓1～2層有2根穿層柱（具體位置詳結構平面圖），為鋼管混凝土柱，柱截面均為D1156mm×28mm，從首層樓面0.000到3層樓面9.900m，實際高度9.9m，計算高度取9.9m，提取其小震水準1、中震水準3和大震水準4時的內(nèi)力進行驗算。

4.6.2BUCKLING屈曲分析[4]

表5　穿層柱相關參數(shù)

4.6.3穿層柱受力分析（如表6）

通過驗算，穿層柱的承載力滿足要求。

5　超限處理主要措施

（1）結合大震作用下的推覆計算結果及中震驗算結果，對剪力墻大偏心受拉，將受拉鋼筋集中配置在邊緣構件中；對小偏心受拉剪力墻，將受拉鋼筋均勻配置在邊緣構件及墻身中，受拉鋼筋均采用機械連接。對于D軸的四根偏心受拉邊框柱，采用鋼管混凝土疊合柱加強。提高剪力墻配筋率，以滿足中震計算要求。

表6　1～2層穿層柱分析

（2）對二層穿層柱位置的開洞，主要結合樓板應力分析結果加大平面凹角處的板配筋及厚度，并加強邊梁的剛度，局部位移比較大的位置加強暗柱配筋，并從下至上全高設置約束邊緣構件。

（3）對于首層～二層穿層柱，采用的鋼管混凝土柱，經(jīng)驗算其穩(wěn)定性滿足要求。

（4）鋼管混凝土柱至鋼筋混凝土柱設置兩層過渡層，過渡層鋼筋混凝土框架柱設置芯柱并加大縱筋配筋率及配箍率。第一層鋼筋混凝土柱縱筋伸入下層鋼管中一個層高。

（5）剪力墻及框架柱按中震彈性結果配筋。

6　結論

綜上所述，本工程雖然存在多項不規(guī)則，但結構形式比較簡單、體型規(guī)則，我們在設計中充分利用概念設計方法，對關鍵構件設定抗震性能化目標。并在抗震設計中，采用多種程序對結構進行了彈性、彈塑性計算分析，除保證結構在小震下完全處于彈性工作外，還補充了關鍵構件在中震和大震下的驗算。計算結果表明，各項指標均表現(xiàn)良好，基本滿足規(guī)范的有關要求。根據(jù)計算分析結果和概念設計方法，對關鍵和重要構件作了適當加強，以保證在地震作用下的延性。

因此，可以認為本工程除能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，結構總體滿足“性能目標C”的抗震設防目標。結構是可行且安全的。

[1]《廣東省超限高層建筑工程抗震設防專項審查實施細則》（粵建市函[2011]580號）[S].

[2]《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（DBJ15-92-2013）[S].

[3]《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].

[4]鄭竹，堯國皇，黃用軍.屈曲分析確定跨層柱計算長度方法的應用[J].四川建筑，2009，29（2）：152～154.

TU973

A

1673-0038（2015）04-0006-03

2015-1-9