楊衛(wèi)杰，陸日超，葉茂烜，余楚江

（廣州市設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

本項(xiàng)目位于廣州國(guó)際金融城起步區(qū)，為超高層辦公塔樓，主塔樓結(jié)構(gòu)高223.46 m，地上48層，地下5層，建筑效果如圖1 所示。本項(xiàng)目采用鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，裙樓范圍較小，可視為單棟塔樓。本項(xiàng)目與擬建超高層塔樓通過(guò)連廊連接，連廊與本項(xiàng)目通過(guò)防震縫脫開，縫寬200 mm。本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖2 所示，塔樓平面尺寸，長(zhǎng)×寬為46.9 m×46.9 m，高寬比4.76。本項(xiàng)目26 層以下框架柱采用鋼管疊合柱，其余框架柱采用鋼筋混凝土柱，42～44 層設(shè)置斜柱層；核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻，結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型如圖3所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Rendering

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置Fig.2 Structural Layout Plan

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.3 Structural Calculation Model

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件

2.1.1 建筑分類等級(jí)

設(shè)計(jì)使用年限50 年，設(shè)防烈度為7 度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s，抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。

2.1.2 風(fēng)荷載

⑴《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［1］計(jì)算風(fēng)荷載

本項(xiàng)目地面粗糙度為C 類。建筑體型系數(shù)μs=1.4，阻尼比為0.05?？紤]順風(fēng)向及橫風(fēng)向風(fēng)振的影響，重現(xiàn)期為50 年的基本風(fēng)壓ω0=0.5 kN/m2，風(fēng)計(jì)算結(jié)果如下：Mx=2.17×109N·m，My=2.27×109N·m，F(xiàn)x=1.58×107N，F(xiàn)y=1.57×107N。

⑵風(fēng)洞試驗(yàn)

由于本項(xiàng)目所處區(qū)域?yàn)槌鞘薪ㄖ芗瘏^(qū)，且為超高層建筑，受到臨近建筑干擾宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)［2-7］，文獻(xiàn)［1］提供的體型系數(shù)較為粗糙，而風(fēng)洞試驗(yàn)可提供較為準(zhǔn)確體型系數(shù)及風(fēng)壓值，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為合理經(jīng)濟(jì)。本項(xiàng)目風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)方向如圖4所示。

圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)方向示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Wind Tunnel Test Model and Test Direction

文獻(xiàn)［1］算法與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)與規(guī)范算法的比值，可以看出規(guī)范算法得到的傾覆彎矩和底部剪力更大，采用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠前提下，又可節(jié)省投資。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)最不利傾覆力矩與底部剪力Tab.1 The Most Unfavorable Overturning Moment and Bottom Shear Force in Wind Tunnel Tests

2.2 結(jié)構(gòu)超限類型及程度［8］

根據(jù)文獻(xiàn)［2］、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［9］及《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/T 15-92—2021》［10］的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷，本項(xiàng)目存在高度超限（房屋高度223.46 m，為超B 級(jí)高度高層建筑）、局部存在穿層柱及斜柱（首2層、46～47 層存在局部穿層柱；42～44 層存在斜柱）等情況，本工程未有嚴(yán)重不規(guī)則項(xiàng)。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 多遇地震作用下彈性計(jì)算

⑴ETABS 與YJK 進(jìn)行小震彈性對(duì)比分析；根據(jù)圖5、圖6 可知，分析程序所得的主要指標(biāo)規(guī)律基本一致。小震計(jì)算分析結(jié)果如表2 所示，結(jié)構(gòu)沿主軸方向振動(dòng)形式相近，結(jié)構(gòu)振型、周期、位移形態(tài)和量值在合理范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)地震作用沿高度的分布合理；有效質(zhì)量參與系數(shù)、樓層剪重比、位移角等指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)［2］要求。

表2 結(jié)構(gòu)主要整體指標(biāo)Tab.2 Main Overall Indicators of Structure

圖5 地震及風(fēng)載下（X向）最大層間位移角曲線Fig.5 Maximum Interlayer Displacement Angle Curve under Earthquake and Wind Load（X-direction）

圖6 地震及風(fēng)載下（X向）層剪力曲線Fig.6 Shear Curve of the（X-direction）Floor under Earthquake and Wind Load

⑵彈性時(shí)程分析，選用5組實(shí)際記錄波+2組人工模擬波進(jìn)行分析，主方向地震波加速度峰值取35 cm/s2。結(jié)果滿足文獻(xiàn)［2］第4.3.5-1 條要求，前三階周期范圍內(nèi)地震波加速度平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜相差不大于20%，如圖7所示。

圖7 小震各地震波反應(yīng)譜平均值與規(guī)范反應(yīng)譜曲線對(duì)比Fig.7 Comparison between the Average Value of Seismic Wave Response Spectrum and the Standard Response Spectrum Curve for Small Earthquakes in Different Regions

3.2 罕遇地震下動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

3.2.1 前處理參數(shù)［11］

采用SAUSAGE 程序，基于顯式積分的動(dòng)力彈塑性分析方法，鋼材采用雙線性動(dòng)力硬化模型，混凝土采用彈塑性損傷模型，可考慮材料拉壓強(qiáng)度的差異，剛度強(qiáng)度的退化和拉壓循環(huán)的剛度恢復(fù)，其軸心抗壓和軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按文獻(xiàn)［11］表4.1.3 采用。構(gòu)件模型，梁采用一維桿件纖維束模型Timoshenko 梁，可以考慮剪切變形剛度；剪力墻及樓板采用彈塑性殼單元。彈塑性分析中的配筋數(shù)據(jù)主要按小震彈性計(jì)算結(jié)果。SAUSAGE 中結(jié)構(gòu)阻尼采用擬模態(tài)阻尼體系。選用人工波TH038TG055，天然波TH120TG045、天然波RH1TG065，地震波主方向峰值220 cm/s2，次方向峰值187 cm/s2，持續(xù)時(shí)間截取30 s。

3.2.2 抗震性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

文獻(xiàn)［2］將結(jié)構(gòu)抗震性能分為1～5 五個(gè)水準(zhǔn)，相應(yīng)構(gòu)件損壞程度分為“無(wú)損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”五個(gè)級(jí)別，具體如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［2］構(gòu)件損壞程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.3 Corresponding Relationship between the Calculation Results and the Degree of Damage to Literature［2］Components

3.2.3 主要結(jié)果

⑴結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果。彈塑性計(jì)算整體指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)如下：①考慮重力二階效應(yīng)及大變形，在各組地震波作用下，結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角：X向?yàn)?/182，Y向?yàn)?/171，均小于文獻(xiàn)［2］限值1/125［3］，且均集中于塔樓中部樓層（20～30層），表明罕遇地震下結(jié)構(gòu)剛度未完全退化，仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求；②大震下框筒結(jié)構(gòu)的剪力主要由核心筒承擔(dān)。主要結(jié)果如表4所示。

表4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果匯總Tab.4 Summary of Overall Calculation Results of Structures under Rare Earthquakes

⑵構(gòu)件的損傷情況。

罕遇地震下，塔樓上部（含斜柱層）框架柱混凝土出現(xiàn)程度不同的受拉損傷，中下部柱基本完好，未見明顯的混凝土受壓損傷及鋼筋塑性應(yīng)變，屬輕微損傷。

剪力墻在罕遇地震作用下：結(jié)構(gòu)X、Y向筒體開洞形成連梁，連梁作為耗能構(gòu)件，連梁產(chǎn)生較嚴(yán)重的拉、壓損傷；剪力墻墻肢受拉損傷集中于底部區(qū)，其中受壓損傷較為輕微，墻肢較為完整。

綜上所述，結(jié)構(gòu)各性能水準(zhǔn)如圖8所示，各層連梁損傷較大，框架柱損傷區(qū)為上部區(qū)域，以拉傷為主，筒體墻肢在中部及底部主要發(fā)生輕微損傷，其余完好，結(jié)構(gòu)滿足大震不倒性能要求；為保證高強(qiáng)混凝土的延性、防止混凝土開裂，C70、C80 混凝土墻的墻身縱筋構(gòu)造配筋率提高至0.8%，其余底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻豎向分布鋼筋配筋率提高至0.4%。

圖8 結(jié)構(gòu)性能水平分布Fig.8 Horizontal Distribution of Structural Performance

3.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.3.1 疊合柱設(shè)計(jì)

疊合柱截面尺寸如表5所示，在小震作用下，分別計(jì)算疊合柱鋼管外混凝土、鋼管內(nèi)混凝土軸壓比；計(jì)算結(jié)果表明，疊合柱管外混凝土最大軸壓比為0.55，管內(nèi)混凝土最大軸壓比為0.63，均小于0.9，滿足文獻(xiàn)［2］要求。

表5 疊合柱截面尺寸Tab.5 Cross section Dimensions of Laminated Columns

在中震作用下，疊合柱均滿足抗剪彈性，抗彎不屈服的性能目標(biāo)。以DHZ1（中柱）、DHZ2（角柱）為例，中震作用下，PMM 曲線計(jì)算結(jié)果表明，如圖9、圖10所示，疊合柱壓彎承載力滿足彈性要求。

圖9 DHZ1疊合柱PMM曲線Fig.9 PMM curve of DHZ1 Laminated Column

圖10 DHZ2疊合柱PMM曲線Fig.10 PMM Curve of DHZ2 Laminated Column

疊合柱節(jié)點(diǎn)如圖11所示，梁中部縱筋穿過(guò)鋼管滿足錨固長(zhǎng)度。當(dāng)梁較寬時(shí)，梁角部縱筋斜向錨固，并且增加梁高范圍內(nèi)的鋼管厚度，減少開孔造成的截面削弱。疊合柱與鋼筋混凝土柱之間設(shè)置1～2 層過(guò)渡層，過(guò)渡層可采用鋼管壁減薄的疊合柱或在截面中部附加芯柱的鋼筋混凝土柱。適當(dāng)增強(qiáng)疊合柱箍筋，已達(dá)到鋼管與外混凝土共同工作目的［12-13］。

圖11 疊合柱鋼管開孔做法大樣Fig.11 Detailed of Steel Pipe Opening Method for Composite Columns （mm）

3.3.2 斜柱分析

塔樓頂部42～44 層因建筑效果層層退臺(tái)形成山型造型，結(jié)構(gòu)上采用斜柱實(shí)現(xiàn)柱內(nèi)移（柱中心內(nèi)移約3 050 mm），如圖12所示；斜柱軸力的水平分量主要由梁分擔(dān)，與斜柱相連梁與核心筒連接，以使斜柱產(chǎn)生的拉力直接傳遞至核心筒；計(jì)算結(jié)果表明，與斜柱相連的梁軸拉力約20～260 kN，樓板拉應(yīng)力約為1～2 MPa；為滿足斜柱受力要求，梁按拉彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，樓板按配筋率0.2%雙層雙向拉通［14］。

圖12 斜柱三維示意圖Fig.12 3D Schematic Diagram of Inclined Column

4 結(jié)論

基于某超高層建筑結(jié)構(gòu)分析，本文得出主要以下結(jié)論：

（1）本項(xiàng)目進(jìn)行小震常規(guī)分析、大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，主體結(jié)構(gòu)達(dá)到所設(shè)定的C 級(jí)抗震性能目標(biāo)；為保證高強(qiáng)混凝土的延性、防止混凝土開裂，C70、C80 混凝土墻的墻身縱筋構(gòu)造配筋率提高至0.8%，其余底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻豎向分布鋼筋配筋率提高至0.4%，以滿足罕遇地震下，筒體抗震性能要求。

⑵通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，給出本項(xiàng)目更準(zhǔn)確風(fēng)壓值，避免文獻(xiàn)［1］風(fēng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大的問(wèn)題，保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，節(jié)約工程造價(jià)。

⑶對(duì)于本項(xiàng)目關(guān)鍵構(gòu)件分析，從PMM 曲線分析結(jié)果表明，疊合柱可滿足壓彎承載力，給出了疊合柱的梁柱節(jié)點(diǎn)做法大樣及加強(qiáng)措施要求；對(duì)于上部區(qū)域斜柱傳力路徑分析，斜柱軸力水平分量主要由每層梁承擔(dān)，并將水平力傳至核心筒，通過(guò)加強(qiáng)相關(guān)梁板配筋，以滿足斜柱傳力要求。