梁子彪，周澤宇，劉婉筠，周雄彪

（1、上海天華建筑設計有限公司廣州分公司 廣州 510660；2、深圳市華陽國際工程設計股份有限公司廣州分公司 廣州 510640）

1 工程概況

某超高層建筑項目位于湖北省武漢市漢陽區(qū)，二期建筑面積約16.7 萬m2，其中地上1～7 層為商業(yè)，層高6.0 m或5.4 m，8～45層為辦公樓，層高4.5 m，標準層平面尺寸39.0 m×38.8 m；46～50 層為酒店，層高3.9 m；51 層為酒店大堂，層高13.95 m；地下室3 層，地下1 層為商業(yè)，層高7.0 m；地下2～3 層為車庫，層高3.8 m，局部存在人防空間；結(jié)構(gòu)房屋高度為248.95 m，含構(gòu)架的高度為280.70 m，超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［1］表3.3.1-1中B 級框架-核心筒的最大適用高度H=210 m，為超B級高度的超高層建筑；建筑效果及剖面示意如圖1所示。

圖1 建筑效果及典型剖面示意Fig.1 Architectural Rendering and Section Sketch

結(jié)構(gòu)設計工作年限為50年，抗震設防分類為裙樓商業(yè)乙類，裙樓以上塔樓為丙類，相應結(jié)構(gòu)安全等級為裙房一級，其余按二級；抗震設防烈度為6 度，Ⅱ類場地，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.05g，特征周期0.35 s，地基基礎設計等級為甲級。

2 結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置

2.1 結(jié)構(gòu)體系

本項目根據(jù)建筑使用功能、抗震設防要求以及抗風性能以及造價等因素，采用框架-核心筒體系，內(nèi)筒作為主要的抗側(cè)力體系抵抗水平力，周邊框架部分作為二道防線且承擔較大的豎向荷載；上部塔樓標準層建筑功能定義為復式公寓，總重量相比寫字樓而言偏重，承受地震力偏大，單位面積達到21.1 kN/m2，局部樓層柱內(nèi)設置型鋼以增加結(jié)構(gòu)剛度提高延性措施，增強框架柱的轉(zhuǎn)動能力，各分段框架柱按0.2V0與1.5Vf，max的最小值比較進行內(nèi)力調(diào)整［2］。

標準層平面尺寸為39.0 m×38.8 m，長寬比接近1，高寬比為6.4；核心筒尺寸為13.8 m×21.5 m，內(nèi)筒高寬比為18；外框柱間距為12 m，外框柱與核心筒之間的跨度約為12 m，結(jié)構(gòu)平面布置及整體模型如圖2～圖3所示；第44～45 層為斜柱層兼做避難層，采用兩層空間進行斜柱轉(zhuǎn)換承托上部荷載，傳力路徑清晰，斜柱與豎向構(gòu)件夾角約16°，46～50層樓蓋體系為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖2 典型層結(jié)構(gòu)平面布置Fig.2 Structural Floor Plan of a Classic Storey

圖3 結(jié)構(gòu)整體模型Fig.3 Structural Integral Modal

圖4 44F～45F斜柱層轉(zhuǎn)換Fig.4 Inclined Column Conversion of 44～45 Floor

1～7 層塔樓與周邊商業(yè)設縫處理，其中框架柱采用型鋼混凝土柱，構(gòu)成多道防線，提供結(jié)構(gòu)必要剛度、承載能力及抗側(cè)剛度。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

內(nèi)筒高寬比較大，側(cè)向剛度由風荷載控制，采用鋼筋混凝土核心筒，核心筒外墻厚度自下至上為1 100～350 mm，內(nèi)墻厚度自下至上為500～300 mm；標準層核心筒連梁高度為1 000 mm。塔樓外框柱距X向為12.6 m和6.7 m，Y向為9.0 m。1～14 層采用型鋼混凝土柱，最大柱截面為1 800 mm×1 450 mm，14 層及以上采用普通混凝土柱，最大柱截面為1 700 mm×1 350 mm，從14層開始框架柱截面逐漸收縮至最小柱截面為800 mm×800 mm；塔樓剪力墻以及框架柱的混凝土等級為C60～C30，梁板混凝土等級為C35～C30，型鋼為Q355B。

地下室頂板及中間層樓蓋采用單向雙次梁樓蓋體系，地下室頂板板厚180 mm，中間層板厚120 mm，底板厚度700 mm，梁板混凝土等級C35，抗?jié)B等級P8。

3 基礎設計

本場地屬于建筑抗震一般地段，本場地20.0 m 范圍內(nèi)無可液化地層分布，可不考慮地震液化問題。塔樓采用灌注樁基礎+筏板方案，持力層為中風化泥質(zhì)粉砂巖，樁徑1 000 mm，樁入持力層深度大于15 m，有效樁長32～38 m；單樁豎向承載力特征值9 800 kN，筏板采用鋼筋混凝土變截面平板，筏板混凝土等級C45，核心筒范圍內(nèi)筏板厚度3 800 mm，核心筒外板厚度2 900 mm；通過變剛度調(diào)平設計［3］，盡可能減小核心筒和外圍框架柱的沉降差異，將荷載大的內(nèi)筒下集中布置基樁，各周邊柱下均勻布置，減小內(nèi)外豎向構(gòu)件的沉降差異。

4 風荷載作用

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［4］，湖北省武漢市50 年重現(xiàn)期基本風壓為W0=0.35 kPa，風荷載比較敏感的高層建筑，承載力設計時按50年重現(xiàn)期基本風壓的1.1 倍進行設計；10 年重現(xiàn)期基本風壓W0=0.25 kPa，用于舒適度控制。建筑物地面粗糙度類別為C類。體型系數(shù)綜合考慮取1.4，屋頂塔冠部分幕墻有開洞，計算風荷載時考慮柵格開洞面積對風荷載體型系數(shù)進行折減處理；通過風洞試驗［5］如圖5 所示，在風荷載作用下基底剪力和基底傾覆彎矩均小于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》結(jié)果，設計時采用規(guī)范中的風荷載取值。

圖5 風洞試驗模型Fig.5 Wind Tunnel Test Model

5 超限情況及抗震性能目標

本項目高度超限，并具有（扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、其它不規(guī)則（有局部穿層柱、斜柱）共3項一般不規(guī)則，無特別不規(guī)則類型，如表1 所示，應進行超限高層抗震設防專項審查。

表1 工程超限情況Tab.1 Engineering Characteristics beyond Code Limits

針對結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況，采用結(jié)構(gòu)抗震性能設計方法進行分析和論證。設計根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強的關(guān)鍵部位，依據(jù)文獻［1］第3.11.2條的規(guī)定，如表2所示，結(jié)構(gòu)整體定為C級性能目標要求。

表2 構(gòu)件抗震性能等級Tab.2 Seismic Performance Level of Components

6 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

6.1 小震彈性分析

本項目采用YJK 與ETABS 兩種不同力學模型軟件進行對比分析，采用振型分解反應譜計算，考慮偶然偏心地震作用，結(jié)構(gòu)阻尼比取值5%，考慮雙向地震作用，扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)以及施工模擬加載的影響，主要整體指標如表3所示。

地下一層與首層的側(cè)向剛度比為2.71（X向）、2.37（Y向），滿足文獻［1］5.3.7 地下室頂板嵌固端要求，為便于后續(xù)計算分析模型均考慮不帶地下室進行。

由表3可知，軟件計算結(jié)果比較吻合，多遇地震及風荷載作用下，周期比合理、位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、剛度比等計算指標均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》限值要求。

表3 結(jié)構(gòu)主要整體指標Tab.3 Structure Main Overall Indicator

6.2 小震彈性時程分析

采用YJK 程序進行了多遇地震下的彈性時程分析，按地震波選取三要素（頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間），選取Ⅱ類場地上5組實際強震記錄以及2組人工模擬的場地波進行彈性時程分析；在時程分析中，地震動峰值加速度取值18 gal，主方向和次方向的峰值加速度的比值為1.00∶0.85。計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 彈性時程分析樓層剪力與規(guī)范譜比較結(jié)果Fig.6 Comparision between the Floor Shear Force from Spectrum-response Analysis with Code Spectrum Analysis

7 條地震波得出樓層剪力平均值曲線與CQC 得出的剪力曲線基本一致，部分樓層彈性時程分析得出的樓層剪力平均值大于CQC，在施工圖設計時，應對CQC法計算的地震力適當放大，放大系數(shù)不大于1.2。

6.3 罕遇地震下動力彈塑性時程分析

采用SAUSAGE 軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震下的動力彈塑性分析，滿足性能水準4的要求，分析選取1組人工波，2組天然波進行計算，大震彈塑性與小震基地剪力對比如表4所示；地震動水平雙向輸入時，主次方向分別按100%和85%幅值施加，時程分析時輸入地震加速度最大值為125 cm/s2。

表4 基底剪力大震彈塑性和小震結(jié)果比較Tab.4 Comparison of Base Shear Results

分析表明，大震彈塑性與小震彈性基底剪力的比值介于4～6 倍之間，小于時程分析輸入地震加速度罕遇地震與多遇地震的7倍，大震下非線性特征合理，地震能量可以得到有效消散。

罕遇地震下彈塑性層間位移角兩個方向最不利工況下的層間位移角分別為1/221（X）和1/290（Y），均滿足1/100 的限值要求，如表5 所示，滿足“大震不倒”的基本要求。

表5 彈塑性樓層層間位移角Tab.5 Elastoplastic Story Drift Angle

結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸的順序為核心筒部位連梁率先開裂破壞，產(chǎn)生塑性鉸耗能，主要墻肢整體損傷較輕；大部分連梁達到重度損壞的性能水平［6］，連梁混凝土出現(xiàn)剛度退化成了較好的耗能機制，有效保護了主體結(jié)構(gòu)墻肢，絕大部分的剪力墻仍處于無損壞的性能水平及損傷，如圖7所示，滿足抗震性能目標4要求。

圖7 剪力墻性能水平及抗壓損傷Fig.7 Performance Level and Compressive Damage

7 結(jié)構(gòu)專項分析

7.1 中震樓板應力分析

本項目裙房存在較大開洞且44 層～45 層存在斜柱，采用ETABS 進行彈性樓板應力分析，設防烈度下斜柱層樓板樓板大部分區(qū)域應力較小，應力較大區(qū)域主要集中在核心筒及框架柱周邊。

在中震反應譜工況下，大部分區(qū)域樓板平均拉應力為0.2～0.8 MPa，小于C30 混凝土抗拉強度標準值（ftk=2.01 MPa），核心筒樓板厚度為120 mm，標準層辦公酒店130 mm，斜柱層板厚180 mm；核心筒樓板采用雙層雙向配筋率0.3%；最大剪切應力約為0.7 MPa，σtr＜0.7β ft=1.0 MPa，樓板抗剪滿足中震彈性的性能要求。

7.2 穿層柱屈曲分析

本工程塔樓首、二層大堂及裙房商業(yè)中存在穿層柱，穿越1～2層的穿層柱標記為Z1，型鋼柱截面1 100 mm×1 400 mm，最大無支撐長度大為12 m；通過ETABS 軟件進行局部屈曲分析，首層柱支座為固定約束，在穿層柱Z1柱頂上施加1 000 kN的荷載，利用屈曲分析工況所示進行計算。

計算分析后，在模型中找出Z1 的局部屈曲模態(tài)及屈曲因子如圖8所示，根據(jù)柱頂?shù)呢Q向軸力荷載，求得臨界軸力，再根據(jù)臨界的歐拉公式反算該柱的有效計算長度；如表6所示。

表6 穿層柱Z1有效長度系數(shù)Tab.6 Effective Length Coefficient of through Layer Column Z1

圖8 穿層柱屈曲模態(tài)及屈曲因子Fig.8 Buckling Mode and Buckling Factor of Through-layer Column

Z1 柱反算長度系數(shù)為0.66，小于《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：GB 50010—2010（2015 版）》第6.2.20 條規(guī)定的柱計算長度系數(shù)1.0（底層柱），豎向荷載作用下穿層柱滿足結(jié)構(gòu)的受力要求，穩(wěn)定性良好，在滿足承載力要求的前提下，不會發(fā)生屈曲失穩(wěn)。

7.3 斜柱分析

斜柱轉(zhuǎn)換區(qū)域位于第44F～45F，傳力路徑如圖9所示；斜柱層上部框架柱豎向作用力主要由斜柱層斜桿的向上的壓力和46F 梁的壓力承擔；斜柱層斜桿底部的壓力由下部框架柱和43F 梁的受拉平衡，傳力路勁清晰，斜柱與豎向夾角約16°；本次針對斜柱層最底層（43F）存在拉力部分進行受力分析；

圖9 斜柱層傳力路徑Fig.9 Force Transmission Path of Inclined Column Layer

⑴為考慮最不利情況，斜柱層混凝土樓板退出工作，在YJK 多遇地震計算中，將斜柱層樓板板厚輸入為0，其自重以恒荷載的形式施加于板上，整體計算求解梁在重力作用下的最大拉壓應力，可知斜柱層最底層（44F）樓面梁最大拉力Nmax=1 927 kN?？紤]梁的最大拉力全部由梁內(nèi)全部縱筋提供，不考慮混凝土參與受拉，需要全部縱筋截面面積約5 477 mm2，小于由地震及風荷載水平力作用下梁截面配筋，配筋滿足梁受拉要求；扣除樓板的受拉樓面梁裂縫均小于0.3 mm，滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：GB 50010—2010（2015版）》

3.4.5的限值要求。

⑵將44F～45F斜柱定為關(guān)鍵構(gòu)件，其中43F～45F框架梁與斜柱相連，承受拉壓應力，也定義為關(guān)鍵構(gòu)件；采用Sausage 彈塑性分析結(jié)果顯示，43F～45F 部分框架梁存在輕微損壞的性能水準，同時應加強框架梁縱筋配筋率，斜柱僅個別出現(xiàn)輕度損壞的性能水平。斜柱滿足性能水準4的要求，如圖10所示。

8 結(jié)構(gòu)加強措施

針對上述超限情況及設計中的關(guān)鍵技術(shù)問題，對結(jié)構(gòu)分析與抗震措施兩個方面進行加強，主要措施如下［6］：

⑴1F～7F 范圍為裙房，抗震設防類別為乙類，剪力墻抗震等級為一級；底部加強區(qū)剪力墻按中震抗剪彈性、抗彎不屈服、大震不屈服的性能目標進行設計；底部加強區(qū)剪力墻墻身水平分布筋和豎向分布筋最小配筋率提高到0.35%。

⑵底部加強區(qū)框架柱抗震等級為一級，按中震抗剪彈性、抗彎不屈服、大震不屈服的性能目標進行設計。

⑶針對核心筒薄弱部位，根據(jù)樓板應力分析加強樓板，增加厚板厚度，采用雙層雙向加強配筋，單層最小配筋率不小于0.30%；斜柱層樓板存在較大拉壓應力處，樓板加厚至180 mm，單層最小配筋率不小于0.25%［8］。

⑷ 斜柱以及與其相連的框架梁定義為關(guān)鍵構(gòu)件，抗震等級提高至一級，按中震抗剪彈性、抗彎不屈服、大震不屈服的性能目標進行設計，斜柱全長加密［9］；對與斜柱相連的框架梁混凝土提高至C40。

9 結(jié)論

本項目高度超限且結(jié)構(gòu)高度遠超B 級高度，同時存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、其它不規(guī)則（局部穿層柱、斜柱）等超限情況，采用概念設計方法［10］，利用YJK、ETBAS、SAUSAGE 多個有限元軟件多種計算方法，對比了小震彈性、時程分析及罕遇地震下的彈塑性分析，滿足“三水準、兩階段”的設計理念；針對局部穿層住、斜柱、等薄弱部位不利部位進行屈曲分析、樓板應力分析，提出了有效的加強措施。結(jié)果表明本項目結(jié)構(gòu)布置合理，滿足建筑功能及使用要求，達到結(jié)構(gòu)抗震性能C級目標，安全可行。