彭國之， 盧云軍， 焦 儉

(浙江省建筑設(shè)計研究院， 杭州 310006)

1 工程概況

銀泰時代中心超高層塔樓項目位于杭州市臨平新城，總建筑面積約10萬m2，建筑高度為197.5m，地下3層，地上47層(含6層裙房)，1～21層為五星級酒店，21層以上為5A級寫字樓。建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖

塔樓原采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，于2013年通過超限審查[1]并完成施工圖設(shè)計，后施工至4層樓面后工程暫停。2017年年初工程準(zhǔn)備續(xù)建，應(yīng)建設(shè)方要求調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：結(jié)構(gòu)形式由現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)改為鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)。因調(diào)整幅度大，且當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度由原來的6度提高至7度，本工程于2017年4月重新進(jìn)行了超限審查[2]及施工圖設(shè)計。本文主要對方案調(diào)整前后的兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對比和分析，并對現(xiàn)方案進(jìn)行大震彈塑性分析，以考察設(shè)計的合理性。

2 主樓結(jié)構(gòu)續(xù)建設(shè)計

本工程原抗震設(shè)防烈度為6度，續(xù)建時已提高為7度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)，基本風(fēng)壓取值0.50kN/m2。

2.1 設(shè)計難點

塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計方案修改過程中，主要難點在于現(xiàn)方案相對原方案變化較大，且結(jié)構(gòu)已按原方案施工至4層，所以續(xù)建時修改方案需結(jié)合原方案并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行考慮。

2.2 設(shè)計思路

塔樓地上原設(shè)計結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，主要抗側(cè)力體系為核心筒、外框架協(xié)同作用[3]。樓面和屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，首層樓板板厚200mm，地上一般樓層板厚120mm；混凝土主梁截面尺寸有600×850，500×800，400×800，300×800；核心筒剪力墻厚度由600～250mm分段過渡；13層樓面以下采用型鋼混凝土框架柱，截面尺寸為1 400×1 100，13層以上采用混凝土柱，截面尺寸為1 300×900。原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。

圖2 原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 修改設(shè)計后標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

結(jié)合建設(shè)方要求，考慮施工進(jìn)度及成本等因素，續(xù)建時修改主樓結(jié)構(gòu)形式為鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)。考慮本樓已施工至4層樓面，底層柱及核心筒尺寸已確定這一情況，為保證原裙房結(jié)構(gòu)及主樓結(jié)構(gòu)滿足原建筑功能要求，決定7層及以下結(jié)構(gòu)形式保持不變，仍采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，7層以上采用鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)。修改設(shè)計后的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖3所示。

單純從結(jié)構(gòu)形式考慮，前后兩種方案均為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，不同點在于原方案為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架及現(xiàn)澆混凝土梁板體系，現(xiàn)方案為鋼框架及鋼梁+鋼筋桁架樓承板體系。因此，在方案修改過程中，對核心筒保持其尺寸，剪力墻厚度也不變，僅在核心筒四角暗柱處增設(shè)型鋼插入7層以下混凝土角柱中，保證核心筒這一主要抗側(cè)力構(gòu)件的上下連續(xù)及統(tǒng)一，如圖4所示。此型鋼柱將一直貫通伸至塔樓核心筒頂，以確保核心筒的延性。

圖4 核心筒四角增設(shè)型鋼

而對于外框柱，為提高底部框架柱的抗震承載力和抗震延性，將原型鋼混凝土柱伸至7層裙房頂，在7層以上才轉(zhuǎn)換為鋼管混凝土柱，參考圖集16G519節(jié)點將鋼管混凝土柱鋼管插入7層以下型鋼混凝土柱中[4]，保證外框柱這一豎向構(gòu)件的連續(xù)性，并提高7層薄弱層外框柱的延性，如圖5所示。7層至屋頂鋼管混凝土柱截面尺寸由800×800過渡變化至600×600。

圖5 外框柱連接節(jié)點

外圍框架平面鋼梁與外框柱剛接，其余樓面主鋼梁與外框柱剛接，與鋼筋混凝土筒體以鉸接為主，當(dāng)與核心筒四角連接時采用剛接，如圖3所示；主鋼梁截面為H700×350×20×22，H650×300×20×25。

樓面采用鋼筋桁架樓承板形式，標(biāo)準(zhǔn)層板厚120mm，避難層及屋面板厚130mm。

2.3 設(shè)計計算結(jié)果

本工程前后兩個方案結(jié)構(gòu)高度均超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[5](簡稱《高規(guī)》)規(guī)定的相應(yīng)結(jié)構(gòu)適用高度，均屬于超限超高層建筑，因此參考類似項目[6]均進(jìn)行了詳細(xì)的超限超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性研究，對比這兩個方案在多遇地震和風(fēng)荷載作用下的主要計算結(jié)果如表1所示。

多遇地震和風(fēng)荷載作用下主要計算結(jié)果 表1

考慮設(shè)防烈度的提高，通過對比兩種方案相應(yīng)的計算結(jié)果，可以作出以下分析：1)現(xiàn)方案相對原方案總質(zhì)量減小約13%，在減少部分材料用量的同時，使底部已施工的型鋼混凝土柱在設(shè)防烈度提高的情況下，軸壓比仍不超過《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[7](簡稱《抗規(guī)》)限值；2)現(xiàn)方案相對原方案周期加長，地震作用下基底剪力及剪重比增大，現(xiàn)方案相對原方案剛度有所降低；3)現(xiàn)方案相對原方案最大層間位移角增大，但仍滿足《高規(guī)》中層間位移角限值要求。

3 大震彈塑性時程分析

針對超限情況，采用PKPM SAUSAGE軟件對本工程現(xiàn)方案進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析，計算結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的動力響應(yīng)，研究體型超限對其抗震性能的影響，判斷結(jié)構(gòu)薄弱部位。

通過多遇地震彈性時程分析，從PKPM軟件地震波庫中篩選出適合本工程計算使用的、滿足規(guī)范要求的2條天然波(TH2，TH4)和1條人工波(RH1)。三向同時輸入，主方向地震作用最大加速度取220cm/s2，主方向、次方向和豎向最大加速度比值取為1∶0.85∶0.65，地震波時間步長取為0.02s。塔樓在各條地震波作用下分別以X向或Y向為主方向計算結(jié)果見表2、表3。

基底剪力 表2

最大層間位移角 表3

由計算結(jié)果可知，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)兩個主方向的基底剪力約為多遇地震作用下的3.1～5.0倍，比兩種地震作用下考慮的最大加速度比值(220/35=6.29倍)小，這是由于考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彈塑性行為[8]，說明計算模型符合實際情況。同時3條地震波在不同方向上計算的整體結(jié)構(gòu)層間位移角均未出現(xiàn)在某一樓層突變和塑性變形集中的情況，且層間位移角最大值約為彈性層間位移角限值1/800的4倍，小于《高規(guī)》規(guī)定的框架-核心筒結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/100，說明結(jié)構(gòu)整體剛度能夠滿足預(yù)期的性能目標(biāo)要求。

進(jìn)一步分析塔樓各種結(jié)構(gòu)損傷情況，在罕遇地震的各條地震波作用下：核心筒墻肢在絕大部分區(qū)域受壓損傷系數(shù)小于0.1，處于輕度損傷水平，核心筒四角型鋼暗柱處于彈性工作狀態(tài)，核心筒連梁出現(xiàn)了損傷，形成耗能機制，保護(hù)了核心筒墻肢，核心筒剪力墻構(gòu)件總體評價的性能等級達(dá)到了“中度損壞”；10層以上鋼管混凝土框架柱單元基本無損壞，10層以下框架柱損傷程度較大的部位一般在柱根位置，7層型鋼混凝土柱轉(zhuǎn)化為鋼管混凝土柱處，柱根有輕度損壞，設(shè)計時可考慮適當(dāng)加強6，7層框架柱，有損傷框架柱構(gòu)件的性能等級都能夠控制在“輕微損壞”以下，底層柱能控制在“無損壞”；框架梁的性能等級大多數(shù)處于“中度損壞”以下，一般樓層樓板損傷較少。

通過以上分析得出，罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)塑性變形發(fā)展的順序是：樓面梁→剪力墻連梁→剪力墻→框架柱。大震下各構(gòu)件的損傷情況也能符合預(yù)先設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

4 主要抗震加強措施

針對高度超限情況，通過方案比較、整體彈性分析及彈塑性時程分析，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗[9]，具體采用以下抗震加強措施：

(1)主樓按大于130m高的鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)高層建筑有關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計，鋼管混凝土框架和鋼筋混凝土核心筒抗震等級均為一級。

(2)按圖5所示節(jié)點做好型鋼混凝土柱與鋼管混凝土柱的過渡處理。

(3)按《抗規(guī)》要求復(fù)核已施工樓層的設(shè)計，對不滿足要求的部分進(jìn)行必要加固處理。

(4)嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，考慮偶然偏心時扭轉(zhuǎn)位移比均按不大于1.4控制。

(5)調(diào)整薄弱層及其上3層的側(cè)向剛度，使二者盡量接近。

(6)確保周邊框架的二道防線作用。周邊框架作為框架-核心筒結(jié)構(gòu)的第二道抗震防線，須承擔(dān)不小于規(guī)范規(guī)定的地震剪力(不少于10%)，截面設(shè)計時若地震剪力不滿足要求則應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。在7層設(shè)置過渡層，且外框柱抗彎剛度變化不超過30%。

(7)對主樓底部加強區(qū)及結(jié)構(gòu)過渡區(qū)的豎向抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行中震彈性驗算，復(fù)核原設(shè)計以確保中震作用下，結(jié)構(gòu)承載力滿足彈性設(shè)計要求。

(8)核心筒剪力墻加強配筋(底部加強區(qū)分布鋼筋的最小配筋率不小于0.35%)，確保墻肢受力均勻，同時復(fù)核底部加強區(qū)核心筒約束邊緣構(gòu)件的配箍率。

(9)采用多個符合結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)的空間力學(xué)模型進(jìn)行分析和比較。本項目采用結(jié)構(gòu)軟件(PKPM-SATWE，MIDAS Building等)對計算結(jié)果進(jìn)行分析比較，重點部位構(gòu)造加強。

(10)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震彈性時程分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計以振型分解反應(yīng)譜法為主，以時程分析法作為補充，計算結(jié)果取兩者包絡(luò)值。在利用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行配筋計算時，樓層地震力適當(dāng)放大。

(11)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震彈塑性動力時程分析，復(fù)核彈塑性層間位移角限值，保證結(jié)構(gòu)整體剛度；查找結(jié)構(gòu)薄弱部位，加強薄弱部位構(gòu)造。

5 已建部分主要加固方法

由于該塔樓續(xù)建前后抗震設(shè)防烈度提高了一度，且建設(shè)方根據(jù)裝修方案重新劃分建筑空間并變更部分房間用途，如增加室內(nèi)游泳池、室內(nèi)旋轉(zhuǎn)樓梯等，導(dǎo)致已施工的1～4層結(jié)構(gòu)需要加固。

根據(jù)新修改建筑方案按7度設(shè)防進(jìn)行建模計算，然后與已施工結(jié)構(gòu)的原方案計算結(jié)果及其實際尺寸、配筋進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)主要結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)均滿足《高規(guī)》要求。原型鋼柱及核心筒等豎向構(gòu)件有較大安全余量，滿足現(xiàn)尺寸、配筋要求，只有部分主次梁等受彎構(gòu)件尺寸、配筋不足，不滿足強度要求，故主要對1～4層混凝土梁進(jìn)行加固。

結(jié)合現(xiàn)場實際條件及施工進(jìn)度要求，該項目主要采用了粘貼鋼板加固法[10]，加固后合理使用年限為50年。加固主要節(jié)點如圖6所示。通過梁面粘

圖6 粘貼鋼板加固法主要節(jié)點

鋼，補強混凝土梁上部鋼筋不足；通過梁底及梁側(cè)粘鋼，補強混凝土梁下部鋼筋及箍筋不足。

6 結(jié)論

(1)采用鋼框架-混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)相對采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)材料總用量減少、抗側(cè)剛度降低，且剛度富余減小。結(jié)合工期、綠色施工等因素，混合結(jié)構(gòu)方案更為合理。

(2)對已施工至一定樓層高層建筑修改結(jié)構(gòu)方案的情況，宜結(jié)合原方案進(jìn)行考慮。本項目采用裙房頂以下按原方案，裙房頂以上采用修改方案的方式，重點考慮結(jié)構(gòu)形式改變處豎向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換節(jié)點，保證了豎向結(jié)構(gòu)的連續(xù)統(tǒng)一，最大程度減小了修改后方案對已施工結(jié)構(gòu)的影響。

(3)針對現(xiàn)方案混合結(jié)構(gòu)超限情況，有針對性地采取多項抗震加強措施，并進(jìn)行抗震性能化補充驗算(如大震彈塑性時程分析)。結(jié)果表明，加強措施有效，結(jié)構(gòu)的安全性得到了保證，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。