戴 琳，王宇軒

(1.漢嘉設計集團股份有限公司，浙江 杭州 310005； 2.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310005)

1 工程概況

本項目位于陜西省西咸新區(qū)灃西新城內，處于城鄉(xiāng)發(fā)展結合區(qū)。基地內場地趨于平坦，場地微高差。 區(qū)位條件優(yōu)越，交通便捷，有著顯著的地域重要性。本項目以數據中心為主體功能，融入辦公、酒店、餐飲、配套商業(yè)、配套運動設施等多功能配置。

本項目用地分南北兩個地塊，南地塊為一期，用地面積69 771 m2，北地塊為二期，用地面積51 693 m2。本文所述2棟超限高層建筑均位于南地塊。

南地塊總體布局為：地塊東側沿白馬河路布置1號樓(科研中心塔樓及配套裙房)，南側沿康定路布置2號樓(2號樓塔樓及配套裙房)，北側布置3號、4號、5號樓(數據中心A棟、柴發(fā)樓、數據中心B棟)；東南轉角部位設置形象入口廣場；西南角設置綠化休閑公園；地下設置二層地下室(主要功能為停車庫、設備用房及配套設施)。1號樓、2號樓與配套裙房之間采用雙排柱設縫脫開，3號樓與1號樓之間的連廊采用雙面懸挑設縫脫開。南地塊總平面圖詳見圖1。其中，1號樓塔樓(31F)和2號樓塔樓(31F)為本文所論述的超限高層建筑。

2 結構體系

2.1 結構布置

2號樓塔樓和1號樓塔樓平面均為正方形，從首層至屋頂層各層平面外輪廓尺寸均保持不變。根據建筑功能要求，均采用外框柱+核心筒的平面結構布置形式，核心筒在X，Y兩方向上均為居中。核心筒從首層至屋頂層連續(xù)。

2號樓塔樓標準層主梁布置原則為：盡量與隔墻對齊，但為避免部分主梁支承在核心筒連梁或另一方向主梁上，部分主梁改為斜向布置，直接支承在核心筒剪力墻上。次梁均按照與隔墻對齊的原則布置。1號樓塔樓標準層主梁均拉結外框柱和核心筒。四角次梁為斜向布置，其余區(qū)域均沿柱網長向布置單向雙次梁。2號樓塔樓標準層典型板厚120 mm，1號樓塔樓標準層典型板厚110 mm。

2號樓塔樓和1號樓塔樓標準層平面結構尺寸及梁布置見圖2，圖3。

2號樓塔樓層高分布如下：1層～4層層高5 700，5層為設備轉換層(層高3 550)，11層、22層為避難層(層高5 250)，頂層(31層)層高4 900，其余標準層層高均為4 200，屋頂高度138.3 m(至室內地坪)、138.6 m(至室外地坪)。

1號樓塔樓層高分布如下：1層～4層層高5 700，11層、22層為避難層(層高5 250)，頂層(31層)層高5 250，其余標準層層高均為4 200，屋頂高度139.3 m(至室內地坪)、139.6 m(至室外地坪)。

因建筑高度較高，地震力較大，決定核心筒外墻厚度、框架柱截面尺寸的主要控制因素均為抗側剛度，即地震力作用下的層間位移角控制，而墻、柱的軸壓比均有一定的余量。

以2號樓塔樓為例，豎向構件按以下原則收小截面，1號樓塔樓與2號樓塔樓類似：

1)5層層高較小，是側向剛度突然增加的樓層，為減小該突變，豎向構件收截面的第1個分界面選在5層樓面。

2)11層層高較高，是側向剛度突然減小的樓層，為減小該突變，豎向構件收截面的第2個分界面選在12層樓面。

3)22層層高較高，是側向剛度突然減小的樓層，為減小該突變，豎向構件收截面的第3個分界面選在23層樓面。

4)豎向構件收截面的第4個分界面選在28層樓面。

2號樓塔樓、1號樓塔樓的嵌固端均選在一層樓面，即地下室頂板位置。相關范圍取塔樓外側豎向構件外擴3跨的范圍。嵌固端板厚不小于180 mm，采用雙層雙向配筋，配筋率均不小于0.25%。根據《高規(guī)》5.3.7條，當地下室頂板作為上部結構的嵌固部位時，地下1層與首層側向剛度比不宜小于2。2號樓塔樓、1號樓塔樓的地下1層與首層側向剛度比均滿足規(guī)范要求。

2.2 超限情況與對策

根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[1]3.3.1節(jié)規(guī)定，8度區(qū)(0.20g)A級高度鋼筋混凝土框架-核心筒高層建筑的適用高度為100 m，B級高度鋼筋混凝土框架-核心筒高層建筑的適用高度為140 m，本項目2號樓塔樓和1號樓塔樓屋頂高度為138.6 m和139.6 m(至室外地坪)，超過A級高度限值，屬于高度超限工程，但不超過B級高度限值?？紤]偶然偏心的扭轉位移比計算值，2號樓塔樓為1.26，1號樓塔樓為1.27，均超過1.2，但不超過1.4，且均為少數個別樓層，屬于1項一般不規(guī)則，不屬于特別不規(guī)則。1號樓塔樓在1層～2層北側由于樓板缺失，局部共6根框架柱形成穿層柱(2層，共11.4 m高)。屬于1項一般不規(guī)則，不屬于特別不規(guī)則。

針對高度超A級限值但小于B級限值，根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》3.9.4條，按B級高度確定構件的抗震等級為：框架一級、核心筒特一級。除按規(guī)范要求進行構件設計外，尚采取了以下措施予以加強：

1)剪力墻底部加強區(qū)范圍根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》7.1.4條，取底部2層和1/10總高度的較大值，實際取至4層樓面標高(17.050)，并向下延伸至基礎。

2)本項目2棟超高層主樓下均設兩層地下室，地下室連為一體，以地下室頂板作為上部結構的嵌固端。主樓豎向構件抗震等級在地下室范圍內均不降低。

3)約束邊緣構件延伸向上延伸至底部加強區(qū)以上3層，即7層樓面；核心筒四角約束邊緣構件全高設置。

4)外框柱軸壓比限值按邊柱0.70、角柱0.65控制(規(guī)范限值為0.75，層高較小之部分樓層柱剪跨比小于2，但不小于1.5，規(guī)范限值降低為0.70)。

1號、2號樓塔樓扭轉位移比超限，但超出不多，且超限層數很少。針對此項不規(guī)則，采用以下措施予以加強：

1)在計算中考慮平扭耦聯效應。

2)外框柱軸壓比限值按邊柱0.70、角柱0.65控制。

1號塔樓因局部樓板缺失而形成的穿層柱(1層～2層，共6根)。因柱截面較大，雖然長度較長，但長細比并不大，且柱軸壓比本身較小(0.50左右)。針對此項不規(guī)則，采取了以下措施予以加強：

1)穿層柱箍筋全高加密。2)穿層柱按本樓層其他非穿層柱的平均剪力設計值放大1.2倍進行設計。

根據超限條款分析結果，2號樓塔樓、1號樓塔樓均只有高度超限，而規(guī)則性不超限。根據規(guī)范規(guī)定，可不進行性能化設計。

3 結構計算

3.1 靜力彈性分析

2號樓塔樓、1號樓塔樓的靜力彈性分析，均選用SATWE和ETABS兩種軟件進行計算，并將主要計算結果進行對比以判別計算的正確性。

2號樓塔樓、1號樓塔樓的總質量計算結果誤差率，2號樓塔樓為0%，1號樓塔樓為2%，可以認為計算結果準確可信。

2號樓塔樓、1號樓塔樓的前3階振型周期及扭轉周期比的對比詳見表1，表2。從圖表中可以看出，兩種軟件計算的各階振型趨勢相同，第一周期計算結果誤差率為：2號樓塔樓0.9%，1號樓塔樓0.3%，可以認為周期計算結果基本準確可信。

表1 2號樓塔樓(酒店)前3階振型周期對比

表2 1號樓塔樓(科研辦公)前3階振型周期對比

扭轉周期比結果均不大于0.85，滿足規(guī)范限值要求(《高規(guī)》3.4.5條)。

2號樓塔樓多遇地震作用下的層間位移角兩個軟件計算結果趨勢比較接近，且均滿足規(guī)范限值1/800的要求。2號樓塔樓、1號樓塔樓在偶然偏心地震力作用下的扭轉位移比SATWE計算結果個別樓層的扭轉位移比超過1.2(《高規(guī)》3.4.5條規(guī)定不宜超過)，但不超過1.4(《高規(guī)》3.4.5條規(guī)定不應超過)。

根據2.2章所述，針對超限情況，本工程外框柱軸壓比限值按邊柱0.70、角柱0.65控制(規(guī)范限值為0.75)。核心筒剪力墻軸壓比限值，根據《高規(guī)》7.2.13條，取為0.5，實際墻肢計算軸壓比均小于0.4。從計算結果可以看出，軸壓比分布均勻合理，且均滿足前述超限應對措施中的軸壓比限值要求[2]。

3.2 靜力推覆分析

計算軟件選擇PKPM系列軟件中的“靜力推覆分析”模塊。大震靜力推覆分析的主要目的是：

1)檢驗結構在罕遇地震作用下的彈塑性變形，控制層間彈塑性層間位移角小于規(guī)范限值(框架-核心筒結構為1/100)。

2)對罕遇地震作用下結構的抗倒塌能力進行判斷。

3)了解結構塑性鉸的形成規(guī)律，針對性地優(yōu)化結構布置。

表3 推覆主要結果匯總

從變形和損傷圖中可以看出：

1)大震作用下，核心筒墻肢和連梁上均出現了不同程度的損傷。損傷程度主要為LS級和CP級，部分損傷達到D級甚至E級(主要是與連梁相連處)，但比例不大。下部樓層墻肢損傷程度接近CP級，上部樓層墻肢損傷程度接近LS級?？梢哉J為大震下核心筒剪力墻有一定程度的損壞。

2)大震作用下，框架梁、柱上均出現了不同程度的塑性鉸?？蚣芰荷铣霈F了大量塑性鉸，下部到中部樓層的塑性鉸達到D級甚至E級?？蚣苤铣霈F的塑性鉸較少，且程度較輕，不超過LS級?？梢哉J為框架柱均保持得較為完好，能夠起到二道防線的作用，確保“大震不倒”。

3.3 特殊構件和部位的專門分析

1)核心筒墻肢中震拉應力分析。

《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中規(guī)定:“中震時出現小偏心受拉的混凝土構件應采用《高規(guī)》中規(guī)定的特一級構造。中震時雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產生的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設置型鋼承擔拉力，且平均名義拉應力不宜超過兩倍混凝土抗拉強度標準值(可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用)，全截面型鋼和鋼板的含鋼率超過2.5%時可按比例適當放松?！?/p>

根據計算可知，中震作用下，核心筒外墻會出現較大的拉力，核心筒內墻不出現拉力或拉力較小。底層的拉力較大，隨著層數的增加，拉力迅速減小。因此，最不利的部位為底層核心筒外墻。

中震作用下，核心筒外墻墻肢的拉力和軸拉比計算結果詳見圖4，圖5。

對于實驗設定如下評判標準：（1）注重荷載-沉降曲線觀察，確定承載力陡降的同時，查看位移傳感器的顯示數據，確認總沉降量是否大于40mm；（2）基礎樁因受承載過大已經發(fā)生破壞，且破壞仍在不斷增加；（3）針對樁長超過25m的基礎樁，其荷載-沉降曲線緩慢變形的階段尚未出現；（4）實驗中，若發(fā)生下一次的沉降量是本次沉降量的2倍且此狀態(tài)還在持續(xù)，則表明基礎樁荷載受力還未穩(wěn)定；（5）實驗中加載的最大荷載大于設計單樁承載力的2倍是實驗數據有效的基礎，若施加荷載不夠，則實驗無效。

從計算結果可知，四角外墻平均拉應力普遍超過1倍混凝土抗拉強度標準值，但平均拉應力均未超過2倍混凝土抗拉強度標準值，滿足規(guī)范要求[3]。在外墻中預埋型鋼，型鋼截面積按能夠承擔全部拉力來配置。

2)1號樓塔樓(科研辦公)2層樓板中震拉應力分析。

1號樓塔樓(科研辦公)2層北側樓板局部開大洞口，Y向開洞尺寸占尺寸的38%，開洞面積占總面積的29%，均不超過規(guī)范限值(尺寸限值50%，面積限值30%)。但由于樓板不連續(xù)，在水平地震作用下，樓板可能出現較明顯的應力集中。因此該層樓板加厚至120，并采用YJK對中震下的樓板應力進行了分析。

計算結果中，X向、Y向中震作用下的樓板拉應力峰值約2.4 MPa，集中在核心筒的角部。按每延米計算，樓板中的最大拉力數值約138 kN/m，換算成受拉鋼筋，面積約為399 mm2/m。

考慮在樓板中額外配置鋼筋以承受該拉應力，額外配筋約需要Φ8@250雙層(實配As=402 mm2/m)。

3)1號樓塔樓(科研辦公)2層樓板大震剪力分析。

1號樓塔樓(科研辦公)2層北側樓板局部開大洞口。采用YJK對大震下的樓板剪力進行了分析，分析結果如圖6所示。從云圖中數據可以看出，大震作用下，板中剪力最大值為336.7 kN/m。

根據《混凝土結構設計規(guī)范》6.3.1條驗算受剪截面：

0.2βcfcbh0=0.2×1×16.7×120×970=388.8 kN>V，滿足要求。

根據《混凝土結構設計規(guī)范》6.3.4條計算受剪所需橫向鋼筋：0.7×1.57×120×970+360×Asv/150×970=336 700，得：Asv=89.68 mm2。

板內需要額外配置Φ8@150雙層雙向的抗剪鋼筋。

綜合考慮計算結果，2層樓板中需額外配置的鋼筋為：Φ8@150雙層雙向[4]。

4 結論

根據分析和計算結果，2號樓塔樓、1號樓塔樓總結如下：

1)2號樓塔樓(酒店)存在高度超A級限值，并存在扭轉不規(guī)則共1條一般不規(guī)則條款，屬于超限高層建筑；1號樓塔樓(科研辦公)存在高度超A級限值，并存在扭轉不規(guī)則、局部穿層柱(樓板缺失)不規(guī)則條款，屬于超限高層建筑。

2)2號樓塔樓(酒店)、1號樓塔樓(科研辦公)的彈性分析中，地震作用考慮按反應譜法和時程法的大值進行計算，風作用按規(guī)范給出的風荷載進行計算。彈性分析的結果表明，除第1條所述超限條款外，其余結構的整體指標均滿足規(guī)范要求。

3)對于超限的條款均提出了有針對性的加強措施，保證了整體結構和重要構件都具有足夠的安全余量。

4)進行了靜力彈塑性分析以考察結構在大震作用下的塑性發(fā)展狀況，證明了抗震目標能夠實現。

通過以上工作，可認為本工程結構設計能夠實現《建筑抗震設計規(guī)范》中“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防要求，結構設計是安全的。