盧俊坤

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

1 項(xiàng)目概況

廣州某超高層塔樓位于廣東省廣州市黃埔區(qū)魚(yú)珠國(guó)際木材市場(chǎng)內(nèi)，項(xiàng)目建筑用地面積39 126 m2，總建筑面積為330 129 m2，地上總建筑面積225 871 m2，地下總建筑面積104 258 m2。其中本塔樓為商業(yè)辦公樓，共36層，建筑高度157.55 m。主要層高為4 200 mm、4 500 mm和4 800 mm。3 層地下室，負(fù)1 層主要功能為商業(yè)、停車(chē)、后勤，建筑層高為6.85 m；-2層為停車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房，層高3.85 m；-3層為人防車(chē)庫(kù)及機(jī)械停車(chē)庫(kù)，層高為4.7 m。地下室總體深度為15.6 m?！?.000 m相對(duì)于廣州城建高程為+9.400 m，建筑室內(nèi)外高差約0.15 m。地下室底板面標(biāo)高-15.6 m，相對(duì)于廣州城建高程為-6.200 m。本塔樓建筑共36 層，外包尺寸為42.38 m×42.38 m，主要層高分別為4.2 m、4.5 m、4.8 m 及5.0 m，長(zhǎng)寬比為1.0，整體高寬比為3.72，核心筒高寬比為7.84。建筑效果如圖1所示。

圖1 塔樓建筑效果Fig.1 Design Sketch of Tower Building

2 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合建筑平面功能、立面造型、抗震（風(fēng)）性能要求、施工周期以及造價(jià)合理等因素，本工程塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，剪力墻分布在電梯間、樓梯間等位置，共同組成核心筒，提供結(jié)構(gòu)的抗側(cè)和抗扭剛度，是結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，框架部分分布在建筑物四周，作為結(jié)構(gòu)的第二道防線。

核心筒為鋼筋混凝土剪力墻；框架柱從基礎(chǔ)到24層采用鋼管混凝土疊合柱，25層及以上樓層采用鋼筋混凝土柱。

根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)、使用要求和施工條件，本工程主要采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋。各層樓蓋的主要結(jié)構(gòu)布置原則如下：①地下室底板采用平板結(jié)構(gòu)，板厚h=700 mm；②地下室各層板、塔樓范圍樓蓋采用無(wú)梁樓蓋，板厚h=250～400 mm，塔樓范圍內(nèi)樓蓋采用梁板結(jié)構(gòu)，板厚h=120～180 mm；③2 層到第36 層采用梁板結(jié)構(gòu)，核心筒內(nèi)板厚h=150 mm；其余部分板厚h=110 mm；④屋面層板厚h=150 mm。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Structural Layout of Standard Floor

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)和分析

按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-92—2013》［1］第3.3.1 條：框架-核心筒結(jié)構(gòu)7度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度為130 m（A級(jí)）、180 m（B 級(jí)），而本塔樓主屋面高度為157.55 m，其高度大于130 m，小于180 m，所以本塔樓屬于B 級(jí)高度的高層建筑，屬于超限高層建筑［1-4］，塔樓地上部分框架和核心筒抗震等級(jí)均為一級(jí)。

由于本塔樓為超限高層建筑，根據(jù)文獻(xiàn)［1］第3.11.3 條、5.1.14 條和4.3.4～4.3.5 條規(guī)定，做抗震性能化設(shè)計(jì)，并采用2 個(gè)不同力學(xué)模型的空間分析程序進(jìn)行計(jì)算分析，選用YJK 軟件（V1.8.1.0 版）和ETABS2013 工程軟件。結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)及施工模擬。同時(shí)，采用彈性時(shí)程分析程序?qū)ㄖ镌诙嘤龅卣鹱饔眠M(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。

本塔樓整體計(jì)算結(jié)果如表1 所示，可知在風(fēng)荷載和地震作用下各構(gòu)件強(qiáng)度和變形均滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］要求。另外，考慮到建筑2、3層未能形成一完整樓蓋，因此，在施工圖設(shè)計(jì)中將對(duì)相關(guān)部位的結(jié)構(gòu)采取以下設(shè)計(jì)措施：①將1～3 層并層視作薄弱層，其對(duì)應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力乘以1.25 的增大系數(shù)；②對(duì)1～3 層的墻柱及與之相連的首層主梁、4 層墻柱與4 層主梁，采用分層與并層的結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

表1 塔樓整體計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation Results of The Tower

本塔樓風(fēng)振舒適度驗(yàn)算結(jié)果如表2所示，在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 20009—2012》規(guī)定的10年一遇風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)順風(fēng)和橫風(fēng)向振動(dòng)最大加速度計(jì)算值和塔樓樓蓋風(fēng)振舒適度均滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］要求。

表2 塔樓風(fēng)振舒適度驗(yàn)算結(jié)果Tab.2 Wind Induced Comfort Calculation Results of the Tower

4 彈性時(shí)程分析和靜力推覆分析

4.1 彈性時(shí)程分析

本塔樓為高度超100 m 的建筑，抗震設(shè)防烈度為7 度，根據(jù)文獻(xiàn)［1］第4.3.5 條規(guī)定，需采用彈性時(shí)程分析程序?qū)ㄖ镌诙嘤龅卣鹱饔眠M(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算。選取地震波為5組實(shí)際地震記錄和2條場(chǎng)地合成人工波USER2 和USER3，輸入YJK 進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析。進(jìn)行彈性動(dòng)力分析時(shí)按7 度地震Ⅱ類(lèi)土，50 年時(shí)限內(nèi)超越概率為63.2%（小震），阻尼比為0.05考慮，分析結(jié)果如表3所示。

表3 地震波和基底剪力Tab.3 Seismic Wave and Base Shear

由分析結(jié)果所得：結(jié)構(gòu)地震作用效果31層以下取規(guī)范反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果，31層以上取時(shí)程分析剪力平均值計(jì)算結(jié)果——通過(guò)在軟件中強(qiáng)制輸入相應(yīng)樓層的地震力放大系數(shù)實(shí)現(xiàn)。

4.2 靜力推覆分析

為了驗(yàn)證地震作用下結(jié)構(gòu)的承載力極限和驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在大震時(shí)不倒塌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，本塔樓進(jìn)行了彈塑性靜力推覆分析。

大震下靜力彈塑性分析所得的性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)如表4所示。

表4 靜力推覆分析結(jié)果Tab.4 Results of Pushover Analysis

由分析結(jié)果所得：①在罕遇地震作用下，性能點(diǎn)最大層間位移角均小于1/125，符合文獻(xiàn)［1］第3.11.4條的規(guī)定，建筑物可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)；②雙向推覆過(guò)程中，整樓連梁出現(xiàn)塑性鉸耗能破壞較多，底部加強(qiáng)區(qū)部分墻體出現(xiàn)壓彎或拉彎破壞，但均不會(huì)連續(xù)發(fā)展，躍層墻柱未出現(xiàn)屈服，只有少量框架出現(xiàn)屈服；③上部核心筒收進(jìn)處剪力墻出現(xiàn)輕度損傷，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)此處核心筒將適當(dāng)加強(qiáng)配筋。

5 核心筒收進(jìn)分析和躍層墻柱分析

5.1 核心筒局部收進(jìn)的影響

本塔樓的W1 剪力墻15 層南側(cè)部分剪力墻不在向上延伸，基于此分析在多種工況下的剪力墻應(yīng)力分布情況，典型位置應(yīng)力結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 核心筒剪力墻布局Fig.3 Core Tube Shear Wall Layout

圖4 X向地震單工況下墻W1 收進(jìn)層最大主應(yīng)力云圖Fig.4 Nephogram of Maximum Principal Stress of Wall W1 Retraction Layer under Single Working Condition of X-direction Earthquake（MPa）

上述分析顯示，在小震作用下，剪力墻在局部收進(jìn)處的有效應(yīng)力值均不大，只在與連梁交接部位出現(xiàn)的局部應(yīng)力較大（約1 MPa）的情況，施工圖設(shè)計(jì)中對(duì)該類(lèi)部分適當(dāng)提高剪力墻配筋率。

5.2 跨層柱穩(wěn)定性分析

本塔樓的部分外框柱在1～3 層存在跨層情況，跨層高度為14.5 m。這類(lèi)跨層柱缺乏樓層梁板的側(cè)向支撐，在整體分析中，程序已自動(dòng)識(shí)別跨層柱的上述支撐情況而賦予了合適的計(jì)算長(zhǎng)度；另外，同時(shí)利用彈性屈曲分析補(bǔ)充對(duì)相關(guān)跨層柱的穩(wěn)定性驗(yàn)算［5］。

采用盈建科的屈曲分析功能，選取10 個(gè)屈曲模態(tài)，找到跨層柱對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)，查得其屈曲因子。以下列舉1根軸力較大的跨層柱的屈曲分析結(jié)果。

該跨層柱第一階屈曲模態(tài)如圖5 所示，該跨層柱長(zhǎng)度L=14.5 m，截面尺寸為1.3 m×1.3 m，抗彎剛度EI=8.57E+06，屈曲臨界力Pcr=1 368 898 kN。

圖5 跨層柱示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Cross Story Column

經(jīng)查電算結(jié)果，在中震彈性階段，該跨層柱的最大軸力分別為47 700 kN，與上表對(duì)比可知屈曲臨界力為上述軸力的28.7 倍，可見(jiàn)跨層柱的穩(wěn)定性具有很大的富余。

5.3 跨層剪力墻穩(wěn)定性分析

本塔樓的核心筒內(nèi)剪力墻在1～2 層有跨層情況，穿層高度為10.05 m。躍層剪力墻缺乏樓層內(nèi)梁板的側(cè)向支撐，現(xiàn)對(duì)跨層剪力墻進(jìn)行墻體穩(wěn)定驗(yàn)算［6-7］。

本工程采用ETABS2015 軟件的屈曲分析功能對(duì)墻體進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，在躍層剪力墻上一層整層墻體布置1 000 kN/m2的均布荷載qr，以此作為變量進(jìn)行彈性屈曲分析。通過(guò)觀察，最先屈曲的墻肢及其屈曲模態(tài)如圖6、圖7所示。

圖6 2層核心筒示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Core Tube on the Second Floor

圖7 W2、W3屈曲模態(tài)Fig.7 W2、W3 Buckling Mode

根據(jù)文獻(xiàn)［1］附錄D 條文說(shuō)明，屈曲分析所得墻頂容許軸力設(shè)計(jì)值為λ Nr/8。通過(guò)屈曲分析結(jié)果及文獻(xiàn)［1］附錄D 計(jì)算所得容許軸力設(shè)計(jì)值雙控的原則來(lái)驗(yàn)算墻肢穩(wěn)定性，結(jié)果如表5 所示。通過(guò)計(jì)算復(fù)核結(jié)果可知，絕大多數(shù)墻體穩(wěn)定性滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］要求。

表5 躍層剪力墻墻肢穩(wěn)定驗(yàn)算Tab.5 Calculation of Wall Limb Stability of Shear Wall

6 疊合柱設(shè)計(jì)

本工程的鋼管混凝土疊合柱采用同期施工的方法，按《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：CECS 188∶2005》［8］第6.2.3 條計(jì)算得鋼管混凝土套箍指標(biāo)約為1.20～2.10，疊合柱配筋大樣如圖8所示。

圖8 鋼管混凝土疊合柱配筋大樣Fig.8 Detailed of Reinforcement for Concrete Filled Stell Tubular Composite Column

同期施工的疊合柱：

對(duì)于鋼管混凝土疊合柱，本工程梁縱筋與柱內(nèi)鋼管相碰時(shí)，采用穿芯法：鋼管開(kāi)中型孔洞，梁縱筋穿入管內(nèi)，并且采用鋼箍板對(duì)鋼管開(kāi)洞處作補(bǔ)強(qiáng)［9-10］，如圖9、圖10所示。

圖9 鋼管混凝土疊合柱-梁穿筋節(jié)點(diǎn)大樣示意圖Fig.9 Detailed Drawing of Concrete Filled Steel Tubular Composite Column Beam through Reinforcement Joint

圖10 穿筋部位的鋼管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)大樣示意圖Fig.10 Detailed Drawing of Reinforcement of Steel Pipe Opening at Reinforcement Position

7 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)本塔樓范圍內(nèi)的詳勘報(bào)告，結(jié)合地下室底板標(biāo)高情況，確定本塔樓的地基基礎(chǔ)類(lèi)型為墩筏基礎(chǔ)［11-12］。其中：①墩徑3.0 m、3.5 m，墩底設(shè)擴(kuò)大頭，墩深約4～10 m，墩底持力層為微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，要求其fak≥4 500 kPa。②筏板厚度取為2 500 mm（核心筒區(qū)域）、1 000 mm（其他區(qū)域），墩承臺(tái)厚度取1 800 mm，筏板底持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖，要求其fak≥500 kPa。

采用盈建科的地基基礎(chǔ)模塊，對(duì)塔樓范圍的墩基礎(chǔ)進(jìn)行電算分析。經(jīng)分析驗(yàn)算，可知：①墩底及筏板底持力層均滿(mǎn)足承載力要求；②筏板各部位的底、面配筋均處于合理范圍；③墩承臺(tái)及底板均滿(mǎn)足抗沖切與抗剪切的要求；④承載力占比：墩占比約為80%，板底土占比約為20%，地基土平均反力約為250 kPa；可見(jiàn)，本塔樓的地基基礎(chǔ)選型及底板厚度取值合理可行。

8 結(jié)論

本塔樓存在超高、跨層墻柱、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和樓板不連續(xù)等超限項(xiàng)，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，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好，基本滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］的有關(guān)要求。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果對(duì)重要構(gòu)件作如下加強(qiáng)：跨層柱全高加密箍，縱向鋼筋配筋率放大至文獻(xiàn)［1］要求的1.2 倍；跨層墻水平，豎向分布筋最小配筋率和邊緣構(gòu)件配筋率都放大到文獻(xiàn)［1］要求的1.2 倍；核心筒剪力墻收進(jìn)部位上下層墻體水平、豎向分布筋配筋率和邊緣構(gòu)件配筋率都放大到文獻(xiàn)［1］要求的1.2倍；底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻墻體水平、豎向分布筋配筋率和邊緣構(gòu)件配筋率都放大到文獻(xiàn)［1］要求的1.2 倍。所以，本塔樓除能滿(mǎn)足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，亦能實(shí)現(xiàn)達(dá)到設(shè)定的C 級(jí)抗震性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)是安全且可行的。另外，外框柱用疊合柱，基礎(chǔ)用墩基礎(chǔ)，施工實(shí)踐表明疊合柱和墩基礎(chǔ)受力性能和經(jīng)濟(jì)性均良好，值得推廣嘗試。