張萬開， 甄 偉， 李偉崢， 盛 平， 李承柱， 王 軼

(北京市建筑設計研究院有限公司， 北京 100045)

1 工程概況

沈陽金廊超高層寫字樓位于沈陽市沈河區(qū)青年大街和熱鬧路交角區(qū)域的東南角。塔樓總建筑面積約22萬m2，地下5層，層高3.5～4.5m；地上71層，1，2層層高5.5m，局部11m通高，標準層層高4.1m；主要功能為酒店和辦公。塔樓12，24，36，48，60層為設備層和避難層。塔樓無裙房，建筑屋檐高度330.0m，結構高度300m。塔樓建筑效果圖如圖1所示。

圖1 塔樓建筑效果圖

2 結構體系

塔樓設防烈度7度，設計地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，采用鋼骨混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構體系，外框柱采用鋼骨混凝土柱，個別位置為方便構件連接采用鋼管混凝土柱，樓面結構體系采用鋼梁+組合樓板形式，鋼框架梁與外框柱剛接、與內(nèi)筒墻體鉸接，在設備層設置了結構加強層，加強構件采用伸臂桁架和腰桁架。

2.1 結構加強層方案比選

在結構方案設計階段，對塔樓結構加強層設置方案進行了調(diào)研和比較[1-2]，對加強層設置數(shù)量、加強層伸臂桁架的不同組合方式進行了試算比較，考察了結構基本動力特性和結構最大層間位移角，結果如表1～3所示，表中1，2，3，4，5代表自下而上5個避難層，伸臂桁架2+4代表在第2，4避難層設置伸臂桁架，其余類推。

表1 伸臂桁架設置方案一對比

伸臂桁架設置方案二對比 表2

由表1～3可知：1)伸臂桁架對剪重比的影響較??；2)伸臂桁架對結構剛度的影響比較明顯，對相應方向的層間位移角和剛重比改善作用較為顯著；3)結構剛度的變化對最小剪重比影響較小，表明通過增大結構剛度來提高最小剪重比的方法不可行；4)沿結構高度中上部設置伸臂桁架對提高結構剛度的效果較為明顯。

伸臂桁架設置方案三對比 表3

超限審查中，專家建議對于300m高度左右的超高層結構，結構基本周期宜控制在6.5s左右，避免結構剛度過小導致地震力偏小。結合超限審查專家意見，在第2避難層(24層)設置四道伸臂桁架，第4避難層(48層)設置二道伸臂桁架和封閉的腰桁架(圖2)。

圖2 結構加強層設置示意

2.2 結構布置

塔樓結構采用鋼骨混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構，標準層結構平面布置如圖3所示。外框柱采用矩形鋼骨混凝土柱，低區(qū)三角形凸出部位為便于鋼梁連接，采用鋼管混凝土柱，框架柱鋼材和混凝土強度等級分別采用Q355和C60，加強層與伸臂桁架相連的框架柱鋼骨采用Q420GJ；外框樓面梁采用H型鋼梁，鋼材采用Q355；伸臂桁架上下弦鋼材采用Q420GJ；樓板采用鋼筋桁架樓承板，中筒為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構。鋼筋混凝土核心筒平面為長方形，底部核心筒尺寸約為49.4m×19.2m，核心筒保持外形不變延伸至48層，49層及以上樓層由于建筑功能布局變化，核心筒南北兩側各收進一跨，之后保持外形不變，向上延伸至主要屋面。外框柱截面尺寸自下而上由1 700×1 700逐漸收縮至1 100×1 100，剪力墻厚度自下而上由1 400mm逐漸收縮至700mm，標準層徑向框架梁截面為H700×400×16×30，外框梁截面為H900×400×20×40。

圖3 標準層結構平面布置

3 結構計算分析

本工程塔樓屬于超限高層建筑，通過了超限高層建筑抗震設防專項審查。采用SATWE，ETABS兩種計算軟件進行整體計算分析，采用PKPM-SAUSAGE軟件進行整體動力彈塑性分析。

3.1 彈性分析結果

兩種軟件反應譜分析主要結果對比如表4所示，層間位移角分布如圖4所示?？梢?，兩種計算軟件的主要計算結果基本一致，表明計算模型準確有效。

反應譜方法計算的周期、基底剪力和位移 表4

圖4 地震和風荷載作用下層間位移角曲線

根據(jù)本工程所處場地條件，選取了7組地震波(5組天然波、2組人工波)進行小震彈性時程分析。小震彈性時程分析的主要結果如圖5～7所示。施工圖設計中，小震彈性時程分析結果大于反應譜法(CQC法)計算結果的樓層，按彈性時程分析結果與反應譜法計算結果的比值對樓層地震剪力進行放大。

圖5 小震彈性時程分析的層間位移角曲線

圖6 小震彈性時程分析的樓層剪力曲線

3.2 最小剪重比分析及設計措施

本項目塔樓自振周期約6.6s，基底剪重比X向為0.98%，Y向為1.01%，均不滿足最小剪重比1.20%的要求。方案設計階段結構加強層設置方案比較結果表明，結構剛度的變化對基底剪重比影響較小(詳見2.1節(jié))。文獻[3-4]研究表明，超高層建筑結構的自振周期較長(一般均>6s)，其最小剪重比對結構剛度變化不敏感，通過提高結構剛度以滿足最小剪重比要求，效率很低甚至無法實現(xiàn)。因此通過提高結構剛度以滿足最小剪重比要求的方案不可行。在施工圖設計中，針對最小剪重比要求不滿足的情況，采取了以下措施：

圖7 小震彈性時程分析與反應譜法的樓層剪力比值

(1)根據(jù)住房與城鄉(xiāng)建設部頒布的《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質(zhì)〔2015〕67號)規(guī)定“基本周期大于6s的結構，計算的底部剪力系數(shù)比規(guī)定值低20%以內(nèi)，基本周期3.5～5s的結構底部剪力系數(shù)比規(guī)定值低15%以內(nèi)，即可采用規(guī)范關于剪力系數(shù)最小值的規(guī)定進行設計”，本項目塔樓基本周期大于6s，且計算基底剪重比與規(guī)定值的差值百分比在20%以內(nèi)，按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[5]的規(guī)定，對全樓各樓層地震剪力按相同增大系數(shù)進行放大，放大系數(shù)取最小剪重比與基底剪重比之比值。

圖8 調(diào)整后的設計反應譜與規(guī)范反應譜對比

3.3 動力彈塑性時程分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件進行塔樓動力彈塑性時程分析，選取了2組天然地震波和1組人工波作為地震動輸入。采用雙向地震輸入，主、次方向峰值加速度比值為1∶0.85，主方向峰值加速度為220gal，分別沿X軸、Y軸輸入。結構位移響應如表5所示?？梢姡Y構頂點位移不發(fā)散，滿足“大震不倒”要求，最大彈塑性層間位移角小于1/100，滿足規(guī)范要求。

大震彈塑性動力時程分析的結構位移 表5

對比了塔樓大震彈塑性與彈性時程分析的結構頂點位移時程曲線、基底剪力時程曲線，分別如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，地震作用初期，結構未發(fā)生損傷，處于彈性狀態(tài)，結構大震彈塑性與彈性時程分析的結構頂點位移和基底剪力時程曲線基本重合。隨地震作用持續(xù)進行，輸入能量加大，結構開始出現(xiàn)損傷，耗能構件屈服，結構整體剛度退化，周期變長。大震彈塑性時程分析的結構頂點位移與基底剪力逐漸小于大震彈性時程分析的結果。

圖9 大震彈塑性與彈性時程分析的結構頂點位移時程曲線對比

圖10 大震彈塑性與彈性時程分析的結構基底剪力時程曲線對比

抗震性能化設計中，對于底部加強區(qū)主要墻肢和收進部位及其上下各一層范圍的核心筒的主要墻肢，其性能目標為“大震滿足抗剪截面控制條件，控制混凝土壓應變和鋼筋拉應變在極限應變內(nèi)”，其他墻肢的性能目標為“滿足抗剪截面條件”。經(jīng)計算，塔樓核心筒剪力墻和外框柱在大震作用下的性能水平如圖11、圖12所示。結果表明，大震作用下剪力墻墻肢大部分處于彈性或輕度損壞狀態(tài)，墻肢均可滿足抗剪截面控制條件。核心筒連梁大部分發(fā)生破壞，充分發(fā)揮了耗能作用；外框柱中低區(qū)基本處于彈性狀態(tài)，中高區(qū)出現(xiàn)輕微損壞。主要豎向構件均可滿足預設的性能目標。

圖11 剪力墻性能水平

圖12 外框柱性能水平

4 關鍵構件設計

4.1 加強層伸臂桁架設計

塔樓在第2避難層和第4避難層設置了伸臂桁架加強。基于有限剛度設計理念，加強層伸臂桁架的剛度不宜過大，如伸臂桁架腹桿采用普通支撐，為滿足支撐穩(wěn)定應力要求，其截面需求較大，會造成加強層剛度突變，于結構體系不利，因此工程實踐中超高層建筑伸臂桁架腹桿常選用屈曲約束(BRB)構件[6-8]，一方面BRB構件可以實現(xiàn)適宜的剛度需求，另一方面BRB構件在大震下可以屈服耗能，保護主體結構。基于以上考慮，本工程伸臂桁架腹桿采用BRB構件。計算表明，BRB構件噸位由剛度控制，最終確定的BRB構件噸位為1 350～1 700t不等。伸臂桁架腹桿設置BRB構件后，結構抗側剛度滿足位移需求，同時加強層無剛度突變，在大震下BRB構件能實現(xiàn)滯回耗能，取得了良好的效果，結構能量分布如圖13所示，典型BRB構件滯回耗能曲線如圖14所示。

圖13 結構能量分布圖

圖14 典型BRB構件滯回耗能曲線

為便于伸臂桁架與剪力墻連接，在墻肢端部設置鋼骨，從加強層向上向下各延伸1層。為便于施工，伸臂桁架上下弦在核心筒剪力墻內(nèi)貫通，伸臂桁架腹桿不進入剪力墻。為保證水平力的可靠傳遞，剪力墻內(nèi)貫通的上下弦均設置栓釘，同時在伸臂桁架腹桿與剪力墻連接的墻肢端部設置豎向鋼板，鋼板分兩段，每段1.5m寬，厚度分別為60mm和30mm，鋼板雙面設置200mm×200mm間距的栓釘。伸臂桁架立面構造如圖15所示。

圖15 伸臂桁架立面構造示意

4.2 中筒剪力墻收進部位加強措施

由于建筑功能布局需要，塔樓49層及以上樓層核心筒南北兩側各收進一跨，之后保持外形不變，向上延伸至主要屋面，如圖16所示。

圖16 中筒剪力墻在高區(qū)收進示意

中筒剪力墻收進部位為結構受力薄弱部位，在地震作用下，收進部位的墻肢容易出現(xiàn)損傷，需要針對收進部位采取針對性的加強措施[9-10]。為了減緩中筒剪力墻收進部位的突變程度，避免該部位在大震下?lián)p傷嚴重，結合建筑功能布局，在設計中采取了如下措施：

1)X向墻肢直接收進為鋼骨柱，鋼骨柱下插1層；2)Y向墻肢在49層以下若干層逐層收進以減緩收進部位的剛度和承載力突變；3)加強收進樓層及上下層的墻肢配筋，提高這些部位墻肢構件的性能目標，按照同底部加強區(qū)構件相同性能目標(中震彈性)進行設計。

按照上述措施進行加強后，大震動力彈塑性分析結果表明，收進樓層及其上下1層范圍的大部分墻肢處于彈性或者輕微損壞的狀態(tài)，該部位墻肢的損傷可控，滿足預設的性能目標。

5 結語

(1)沈陽金廊塔樓為超限超高層建筑，采用鋼骨混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構方案，在第2避難層設置四道伸臂桁架，第4避難層設置二道伸臂桁架和封閉的腰桁架，并對結構關鍵構件進行合理設計，滿足規(guī)范的控制指標和預設的性能目標要求，具有良好的抗震性能。

(2)加強層設置方案比選結果表明，伸臂桁架對塔樓結構剛度的影響比較明顯，對塔樓弱軸方向的層間位移角和剛重比改善作用較為顯著，但對剪重比的影響較?。谎亟Y構高度中上部設置伸臂桁架對提高結構剛度的效果較為明顯。

(3)項目塔樓最小剪重比不滿足規(guī)范要求，根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質(zhì)〔2015〕67號)規(guī)定，對全樓樓層地震力采用相同的放大系數(shù)進行放大，同時參考相關文獻，對規(guī)范反應譜進行調(diào)整(即將規(guī)范反應譜下降段5s后拉平)作為設計反應譜，進一步提高結構設計安全度。

(4)基于有限剛度設計理念，加強層伸臂桁架腹桿采用屈曲約束支撐，桁架弦桿在中筒剪力墻貫通，伸臂桁架腹桿不伸入剪力墻，同時設置豎向鋼板和栓釘，加強伸臂桁架與中筒剪力墻的連系，保證水平力可靠傳遞。

(5)對中筒剪力墻收進部位采取逐層收進的方式減緩突變程度，同時提高收進部位性能目標，設置鋼骨柱并從收進部位下延1層，從而實現(xiàn)該部位損傷可控的性能目標。