西部國(guó)際金融中心1#樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

張東聲，陳 可

(成都惟尚建筑設(shè)計(jì)有限公司,四川成都610041)

1 工程概況

西部國(guó)際金融中心項(xiàng)目位于成都市錦江區(qū)，其中1#樓為綜合辦公、酒店功能的超高層單塔建筑。1#樓地上56層，7～35層為辦公(19，36層為避難層)，37～39層為酒店大堂及餐飲，40～56層為酒店客房(52層為避難層)，36層以下建筑平面由下至上逐漸收進(jìn)。其6層裙樓為商業(yè)和酒店配套用房。1#樓地下5層，為商場(chǎng)、停車(chē)場(chǎng)及設(shè)備用房。塔樓頂標(biāo)高為234.90 m，裙樓頂標(biāo)高為33.50 m，首層室內(nèi)外高差為0.100 m?？偨ㄖ娣e:地上約16×104m2。

工程設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑抗震設(shè)防類別裙房屋面以下為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)[1],裙房屋面以上為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，建筑安全等級(jí)為一級(jí)，建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。根據(jù)抗震規(guī)范[2]，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震值為0.10g，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，場(chǎng)地類別為II類，特征周期為0.45s。安評(píng)報(bào)告中多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.096，特征周期為0.45s。10 a一遇基本風(fēng)壓為0.2 kN/m2，,50 a一遇基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，100 a一遇基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2，地面粗糙度類別為C類[3]。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)風(fēng)荷載體型系數(shù)按荷載規(guī)范[3]取1.4。

2 結(jié)構(gòu)體系

1#樓結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。其中鋼筋混凝土框架部分：負(fù)2層至18層主樓框架柱采用型鋼混凝土柱；18層以上采用鋼筋混凝土柱(其中18層～20層為鋼筋混凝土柱加芯柱作為過(guò)渡段)，框架梁為鋼筋混凝土梁。核心筒部分：采用鋼筋混凝土剪力墻筒體，分別在3層、7層、20層、37層四個(gè)位置逐步收進(jìn)，如圖1所示。

結(jié)構(gòu)受力體系分別由外框柱+核心筒+連梁組成，共同構(gòu)成多道設(shè)防結(jié)構(gòu)體系，提供結(jié)構(gòu)必要的重力荷載承載能力和抗側(cè)剛度。重力荷載通過(guò)樓面水平構(gòu)件傳遞給核心筒和外框柱，最終傳遞至基礎(chǔ)。水平荷載產(chǎn)生的剪力和傾覆彎矩由外框架與核心筒共同承擔(dān)。其中剪力主要由核心筒承擔(dān)，傾覆彎矩由外框架與核心筒共同承擔(dān)。

圖1 結(jié)構(gòu)正立面圖

3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)計(jì)算分析

按工程主體結(jié)構(gòu)高度234.9 m進(jìn)行插值，得到在側(cè)向荷載作用下的層間位移角限值為1/530；100 a一遇風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)兩個(gè)方向的層間位移角計(jì)算結(jié)果分別1/2318和1/1343，均滿足高規(guī)[4]的位移角限值要求。

按照高規(guī)[4]要求，在10 a一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的順風(fēng)向和橫風(fēng)向振動(dòng)最大加速度值不應(yīng)超過(guò)0.15 m/s2。經(jīng)驗(yàn)算，本工程在10 a一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，X向順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度為0.036 m/s2；Y向順風(fēng)向與橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)最大加速度為和0.041 m/s2；均滿足高規(guī)[4]的要求。

4 結(jié)構(gòu)小震反應(yīng)譜分析

4.1 安評(píng)報(bào)告與規(guī)范對(duì)應(yīng)的地震作用

安評(píng)報(bào)告給出的多遇地震影響系數(shù)曲線與抗震規(guī)范[2]對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)曲線進(jìn)行對(duì)比，安評(píng)報(bào)告給出的影響系數(shù)在各周期點(diǎn)均小于于規(guī)范的對(duì)應(yīng)值，特別在3.0 s以后下降幅度大于或遠(yuǎn)大于規(guī)范反應(yīng)譜。因此在結(jié)構(gòu)小震彈性計(jì)算分析時(shí)采用規(guī)范給出的影響系數(shù)曲線，并取影響系數(shù)最大值0.09，根據(jù)規(guī)范對(duì)應(yīng)比例推算出結(jié)構(gòu)需滿足的最小剪重比應(yīng)為1.35 %。結(jié)構(gòu)中震、大震也以規(guī)范給出的影響系數(shù)曲線作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

4.2 結(jié)構(gòu)質(zhì)量與周期

采用SATWE程序計(jì)算結(jié)構(gòu)X、Y兩個(gè)方向的剛重比分別為2.43,2.29，均大于1.4，滿足整體穩(wěn)定性要求；均小于2.7，需考慮重力二階效應(yīng)。計(jì)算振型取72個(gè)，周期折減系數(shù)為0.9，考慮0.2V0調(diào)整。SATWE和ETABS兩種軟件的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，可知兩者計(jì)算的地震基底剪力、振動(dòng)模態(tài)和周期基本一致。

表1 常遇地震作用下SATWE與ETABS計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5 小震彈性時(shí)程分析

小震時(shí)彈性時(shí)程分析選用2組天然波和1組人工波，這3組時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的小震地震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)前3階振型的周期點(diǎn)上相差不大于20 %。根據(jù)安評(píng)報(bào)告，地震波主方向峰值加速度調(diào)整為40gal，次方向調(diào)整為34gal，不考慮豎向地震作用。地震波持續(xù)時(shí)間均超過(guò)30 s，大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s。時(shí)程分析所得各地震波作用下結(jié)構(gòu)的底部剪力見(jiàn)表2，每條地震波計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65 %，多條地震波計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80 %。

表2 小震時(shí)程與反應(yīng)譜基底剪力的對(duì)比

6 超限情況及主要抗震措施

6.1 超限情況

對(duì)照住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部文件《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[5]，本工程有以下超限項(xiàng)目：(1)結(jié)構(gòu)主體高度234.9 m超過(guò)規(guī)范B級(jí)高度的限制；(2)平面扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；(3)偏心布置，裙房與塔樓偏心率大于0.15；(4)39層大堂入口上空開(kāi)洞面積大于30 %，屬樓板不連續(xù)并同時(shí)存在穿層柱；(5)部分核心筒剪力墻采用筒體收進(jìn)(3層、7層、20層、37層)。

6.2 主要抗震措施

6.2.1 抗震等級(jí)

本工程所在地設(shè)防烈度為7度，建筑抗震設(shè)防類別裙房屋面以下為重點(diǎn)設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)抗震措施；對(duì)于筒體底部加強(qiáng)區(qū)延伸至裙房屋面上1層，抗震等級(jí)提高一級(jí)，按特一級(jí)；筒體豎向收進(jìn)部位(20層、37層)上下各一層豎向構(gòu)件抗震等級(jí)提高一級(jí)，按特一級(jí)。

6.2.2 分析措施

(1)結(jié)構(gòu)分析時(shí)，計(jì)入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；采用地下室頂板嵌固和負(fù)1層樓面嵌固兩個(gè)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，包絡(luò)設(shè)計(jì)。

(2)根據(jù)小震彈性時(shí)程分析計(jì)算得到的樓層地震剪力包絡(luò)值，調(diào)整振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得結(jié)構(gòu)各樓層的地震剪力。

(3)對(duì)斜柱變斜率較大位置、筒體收進(jìn)上下層、樓板不連續(xù)樓層，計(jì)入樓板實(shí)際平面內(nèi)剛度。對(duì)變斜率較大位置框架梁按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

6.2.3 性能目標(biāo)

針對(duì)本工程結(jié)構(gòu)類型及不規(guī)則情況，設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)方法進(jìn)行補(bǔ)充分析和論證。本工程高度超過(guò)規(guī)范限值較多，設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位及需要加強(qiáng)的關(guān)鍵部位，依據(jù)《高規(guī)》針對(duì)性的選用C級(jí)性能目標(biāo)及相應(yīng)的抗震性能水準(zhǔn)(部分關(guān)鍵構(gòu)件予以一定的提高)。對(duì)應(yīng)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)的選擇見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)及震后性能狀態(tài)

7 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，墻柱下軸力較大，底板下為中等風(fēng)化巖層。綜合甲方的工期要求及經(jīng)濟(jì)性分析，塔樓及裙房采取平板式筏形基礎(chǔ)。塔樓核心筒下部筏板厚度為3.8 m，埋深25.1 m；核心筒以外部分筏板厚度為3.0 m，埋深24.3 m；裙房筏板厚度為0.9 m，柱下筏板局部加厚為1.1～1.7 m。

8 斜柱不利作用驗(yàn)算

由于斜柱斜率變化引起的水平推力，通過(guò)樓面梁傳向中筒剪力墻。斜率變化最大且柱軸力最大的部位由此產(chǎn)生的水平推力最大，因此選取斜率變化最大的下部樓層作為考察此水平力的樓層。為了考察此樓層與斜柱相連的樓面梁在豎向荷載、小震彈性及中震彈性作用下的軸力情況，采用ETABS進(jìn)行不同工況作用下的樓面梁軸力分析，水平梁配筋按照壓彎構(gòu)件計(jì)算配筋。同時(shí)通過(guò)比較對(duì)應(yīng)墻肢的抗剪承載力，復(fù)核剪力墻完全能夠承擔(dān)此剪力，無(wú)需采取特別加強(qiáng)措施。

9 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

罕遇地震的地震影響曲線按抗震規(guī)范[2]選取，采用與罕遇地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符的1組人工波和2組天然波，用ABAQUS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。根據(jù)抗震規(guī)范[2]，地震波主方向峰值加速度調(diào)整為220gal，次方向調(diào)整為187gal。地震波持續(xù)時(shí)間均超過(guò)30 s，大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍，時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s。時(shí)程分析所得計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。3條地震波算得的X，Y兩個(gè)方向最大層間位移角均未超過(guò)規(guī)范要求的1/100限值。

從時(shí)程分析過(guò)程來(lái)看，外框柱均未出現(xiàn)混凝土受壓損傷和鋼骨、鋼筋塑性應(yīng)變，各層樓面梁僅個(gè)別位置出現(xiàn)輕微鋼筋塑性應(yīng)變，外框架抗震性能良好。筒體未出現(xiàn)剪切破壞，連梁的塑性發(fā)展較明顯。整體來(lái)看，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制，符合結(jié)構(gòu)抗震工程的概念和要求。

10 結(jié)束語(yǔ)

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒體系。針對(duì)工程超限情況，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)豎向及平面結(jié)構(gòu)的合理化布局及全

表4 大震時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果匯總

面的、細(xì)致的計(jì)算對(duì)比分析，確保對(duì)重力荷載、地震作用、風(fēng)荷載的合理評(píng)估，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件采取更為嚴(yán)格的抗震構(gòu)造措施，關(guān)鍵抗側(cè)構(gòu)件18層以下的框架柱采用型鋼混凝土等高延性構(gòu)件，薄弱部位提高結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)及耗能水平，確保整體延性的發(fā)揮。同時(shí)在整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件設(shè)計(jì)中全面融入抗震性能化設(shè)計(jì)的思想，對(duì)于外框架、核心筒剪力墻具有中震下抗震承載力不屈服，抗剪承載力保持彈性，大震下關(guān)鍵構(gòu)件的抗震承載力不屈服，所有豎向構(gòu)件的抗剪截面不屈服的抗震性能，滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

雖然本工程結(jié)構(gòu)多項(xiàng)超限，但通過(guò)采取一系列有效的分析手段和設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施，使結(jié)構(gòu)體系達(dá)到安全合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，目前本工程已經(jīng)主體結(jié)構(gòu)封頂。

[1] GB 50223-2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S]

[2] GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.(2006年版)[S]

[4] JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[5] 建質(zhì)[2010]109號(hào) 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[S]