阮啟明

（廣東　廣州　510000）

超限高層辦公樓的實(shí)例分析

阮啟明

（廣東廣州510000）

本辦公樓項(xiàng)目采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，部分框架柱采用型鋼和混凝土混合，屬于高度超限建筑。介紹了基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法，利用多種軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性、關(guān)鍵構(gòu)件中震彈性及罕遇地震下的彈塑性分析。提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足預(yù)定的性能目標(biāo)。

超限辦公樓；框架-核心筒；性能設(shè)計(jì)

1　工程概況

本項(xiàng)目（圖1）位于廣州市天河區(qū)，定位為高檔辦公樓。項(xiàng)目總建筑面積108505.5m2，其中地上建筑面積為85200m2，地下建筑面積為23305.5m2。其中地上部分由1#辦公樓及2#辦公樓兩棟塔樓組成，其中1#辦公樓帶三層裙樓，塔樓為15層；2#辦公樓建筑37層，高度為162.6m，地下部分為3層地下室，負(fù)三、負(fù)二為車(chē)庫(kù)和設(shè)備房、負(fù)一主要為商業(yè)，其中2#辦公樓屬于超限建筑，后面將對(duì)2#辦公樓進(jìn)行實(shí)例分析。

該工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，建筑場(chǎng)地土類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，控制結(jié)構(gòu)水平位移的基本風(fēng)壓取50年重現(xiàn)期的風(fēng)壓0.5kN/m2，控制結(jié)構(gòu)剛度的基本風(fēng)壓取100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓0.6kN/m2，結(jié)構(gòu)舒適度驗(yàn)算的基本風(fēng)壓按10年重現(xiàn)期的風(fēng)壓0.3kN/m2。地面粗糙度類(lèi)別為C類(lèi)，體型系數(shù)取1.6（考慮高層相互干擾）。

2　地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

圖1　效果圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地基穩(wěn)定，場(chǎng)地土類(lèi)型屬于中硬土，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期Tg為0.35s。地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋具有微腐蝕性。本工程采用人工挖孔灌注樁，以中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為樁端持力層，在進(jìn)入中風(fēng)化持力層內(nèi)擴(kuò)底。塔樓部位樁直徑為1400mm、1600mm、1800mm、2000mm、2200mm，擴(kuò)底直徑約加大800～1600mm，有效樁長(zhǎng)約為18m。裙房部位樁徑為1200mm，豎向承載力特征值為1800kN。

3　結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)超限情況

3.1結(jié)構(gòu)體系

本工程塔樓和裙房分開(kāi)設(shè)計(jì)，塔樓采用成熟的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。為滿(mǎn)足建筑主入口大堂凈空需要，二層局部樓板開(kāi)洞，形成局部穿層柱。為減小柱軸壓比及提高延性，南北面8根框架柱采用型鋼混凝土組合柱。柱和剪力墻材料采用高強(qiáng)混凝土C60，沿高度逐漸減小至C40，型鋼采用Q345。核心筒外墻X向剪力墻最大厚度為600mm，沿高度逐漸減小至400mm；Y向剪力墻最大厚度為700mm，沿高度逐漸減小至500mm。核心筒內(nèi)墻最大厚度為400mm，沿高度逐漸減小至200mm?？蚣苤畲蠼孛鏋?000mm×2000mm，部分為800mm×1000mm，在部分框架柱加入焊接H型鋼?？蚣芰翰捎?00mm×700mm、400mm×700mm，部分采用600mm×1000mm及400mm×1000mm。樓蓋均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，首層結(jié)構(gòu)樓板厚度取180mm，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)樓板厚度取120mm，核心筒范圍結(jié)構(gòu)樓板厚度取150mm。梁板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。

3.2結(jié)構(gòu)超限情況

本工程主要超限情況為：①塔樓主體高度為162.6m，超過(guò)高規(guī)[1]規(guī)定A級(jí)7度區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度限制為130m；②根據(jù)SATWE計(jì)算結(jié)果可知，本結(jié)構(gòu)在考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下，結(jié)構(gòu)局部樓層出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；③由于二層出現(xiàn)樓板局部開(kāi)洞，出現(xiàn)局部穿層柱。

3.3結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

根據(jù)本工程的超限情況，以及與業(yè)主的溝通結(jié)果，采用基于性能目標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)方法，并選定本工程的抗震性能目標(biāo)為高規(guī)[1]中所規(guī)定的D級(jí)：在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件（指底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻和底層躍層框架柱）處于彈性狀態(tài)，框架梁、連梁及普通豎向構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)；在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件抗彎及抗剪均不屈服，框架梁、連梁及普通豎向構(gòu)件均允許大部分進(jìn)入屈服階段，滿(mǎn)足最小抗剪要求。在進(jìn)行中震設(shè)計(jì)時(shí)，地震作用效應(yīng)組合及各分項(xiàng)系數(shù)均按規(guī)范[2]進(jìn)行。

4　結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

4.1彈性計(jì)算分析

4.1.1結(jié)構(gòu)整體分析

在多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)整體分析采用SATWE和MIDAS Building軟件進(jìn)行彈性計(jì)算?？紤]上部結(jié)構(gòu)嵌固于地下室頂板處，計(jì)算時(shí)取不帶地下室模型進(jìn)行計(jì)算。本工程計(jì)算時(shí)采用考慮扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法，以及考慮雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響，并考慮單向地震時(shí)偶然偏心的影響。計(jì)算分析的主要結(jié)果見(jiàn)表1。

4.1.2彈性時(shí)程分析

根據(jù)規(guī)范[3]的要求，本結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行頻遇地震作用下彈性時(shí)程分析。采用SATWE程序進(jìn)行彈性時(shí)程分析，時(shí)程分析地震波采用SATWE地震波庫(kù)中兩條天然波、一條人工波及安評(píng)報(bào)告中提供三條天然波和一條人工波，七條波的峰值加速度均按規(guī)范小震的35cm/s2進(jìn)行調(diào)整，地震波時(shí)間步長(zhǎng)0.02s，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。樓層剪力分布曲線如圖2所示。由圖中結(jié)果可知，所選七條時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜所用地震影響系數(shù)曲線在結(jié)構(gòu)前三振型的周期點(diǎn)上相差不大于20％，滿(mǎn)足規(guī)范“在統(tǒng)計(jì)意義上相符”的要求。七條時(shí)程波的基底剪力均處在振型分解反應(yīng)譜法基底剪力的65～135％區(qū)間范圍內(nèi)，平均基底剪力處于80～120％范圍區(qū)間，滿(mǎn)足規(guī)范要求。十八層以上時(shí)程波平均樓層剪力大于振型反應(yīng)譜樓層剪力，構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)采用局部樓層地震力放大進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表1　

圖2　彈性時(shí)程地震波作用下最大樓層剪力曲線

4.2設(shè)防烈度地震分析

根據(jù)本工程的抗震性能目標(biāo)，采用SATWE軟件進(jìn)行中震不屈服計(jì)算分析，地震作用計(jì)算采用規(guī)范反應(yīng)譜。設(shè)防地震作用下層剪力、層間位移角分布及與頻遇地震作用的對(duì)比如圖3～4所示。

圖3　結(jié)構(gòu)在頻遇地震、設(shè)防地震作用下層剪力對(duì)比

圖4　結(jié)構(gòu)在頻遇地震、設(shè)防地震作用下層間位移角對(duì)比

由圖3～4可知，兩個(gè)方向基底剪力分別為頻遇地震作用基底剪力的2.64和2.66倍，地震力滿(mǎn)足要求，結(jié)構(gòu)整體有富余的抗剪承載力；X向?qū)娱g位移角最大值為1/412，Y向?qū)娱g位移角最大值為1/378，小于2倍彈性層間位移角限值（1/750），屬于輕微損壞范圍，一般修理仍可繼續(xù)使用，滿(mǎn)足性能目標(biāo)要求。

4.3罕遇烈度地震分析

根據(jù)本工程的抗震性能目標(biāo)，采用Midsa Building對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行在罕遇地震作用下的非線性地震反應(yīng)分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性分析整體計(jì)算結(jié)構(gòu)如表2所示。各地震波作用下層剪力及層間位移角（包絡(luò)）分布見(jiàn)圖5和圖6。

表2　

圖5　大震下（主方向）層剪力

經(jīng)過(guò)分析得到以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)能夠完成整個(gè)動(dòng)力彈塑性分析過(guò)程而不發(fā)散，在考慮重力二階效應(yīng)和大變形的情況下，結(jié)構(gòu)最終仍然保持直立，滿(mǎn)足“大震不倒”的設(shè)防要求。

（2）主體結(jié)構(gòu)在三組地震波作用下的最大彈塑性層間位移角X向?yàn)?/139，Y向?yàn)?/147，均小于1/100的規(guī)范要求。

圖6　大震下（主方向）層間位移角

（3）結(jié)構(gòu)在三組地震波作用下基底最大剪力X向?yàn)?0686.72kN，Y向?yàn)?2358.71kN，約為小震基底剪力的5倍，基本能滿(mǎn)足要求。

（4）從以上圖可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線呈現(xiàn)中間大兩端小的平滑曲線，變化趨勢(shì)同小震作用，表明結(jié)構(gòu)在大震作用下不存在剛度突變和較大的剛度退化，承載力滿(mǎn)足要求。

（5）框架柱除底部局部位置及頂部1/3部位出現(xiàn)開(kāi)裂外，其他部位均處于彈性狀態(tài)，滿(mǎn)足大震抗彎不屈服的性能目標(biāo)；底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻局部抗彎屈服，非底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻抗彎不屈服，基本滿(mǎn)足大震不屈服的性能目標(biāo)。對(duì)于底部加強(qiáng)區(qū)不滿(mǎn)足性能目標(biāo)的剪力墻，在構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，提高該部位剪力墻的豎向分布鋼筋配筋率至0.8～1.0％，同時(shí)加大該部位剪力墻暗柱配筋以滿(mǎn)足大震抗彎不屈服的性能目標(biāo)。

5　結(jié)語(yǔ)

本工程僅高度超限，設(shè)計(jì)中充分利用概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)定抗震性能化目標(biāo)，并在抗震設(shè)計(jì)中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性、彈塑性計(jì)算分析，除了保證結(jié)構(gòu)在小震下及風(fēng)荷載作用下處于彈性階段外，還補(bǔ)充了關(guān)鍵構(gòu)件在中震和大震下的驗(yàn)算。由計(jì)算結(jié)構(gòu)表明，多項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好，基本符合規(guī)范的相關(guān)要求。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)構(gòu)和概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵和重要構(gòu)件作相應(yīng)加強(qiáng)，以保證結(jié)構(gòu)在地震作用下有良好的延性。

[1]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ15-92-2013）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

[3]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

TU973.31

A

1673-0038（2015）27-0007-03

2015-6-15

阮啟明（1988-），男，本科，畢業(yè)于華南理工大學(xué)，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。