重慶冉家壩廣場(chǎng)3號(hào)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Structural design for No.3 Building of Ranjaba Plaza in Chongqing

文　兵，張　權(quán)，曾　銘（重慶卓創(chuàng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司，重慶401120）

重慶冉家壩廣場(chǎng)3號(hào)樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Structural design for No.3 Building of Ranjaba Plaza in Chongqing

文兵，張權(quán)，曾銘
（重慶卓創(chuàng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)有限公司，重慶401120）

重慶冉家壩廣場(chǎng)3號(hào)樓主體結(jié)構(gòu)屋頂高度193.0m，是B級(jí)高度的超限高層建筑。建筑結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，外圍框架柱下部采用型鋼混凝土柱。該工程采用兩種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震和中震作用下的反應(yīng)譜彈性分析，并進(jìn)行了彈性動(dòng)力時(shí)程補(bǔ)充分析。同時(shí)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震作用下的靜力彈塑性分析，證明了該工程結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)安全可靠。

超限高層建筑；框架-核心筒結(jié)構(gòu)；局部支撐；型鋼混凝土柱；有限剛度均勻設(shè)置

1　工程概況

冉家壩廣場(chǎng)位于重慶渝北區(qū)龍溪街道冉家壩地塊，龍山景觀大道北盡端，新南路南側(cè)。該工程塔樓地上40層，地下2層，結(jié)構(gòu)嵌固端為地下二層地面，主體結(jié)構(gòu)高度為193.0m（從嵌固端標(biāo)高-9.30m起算），標(biāo)準(zhǔn)層層高4.50m，出屋面構(gòu)架高13.50m，總計(jì)算高度206.50m。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。建筑抗震設(shè)防類別在裙房屋頂以下為乙類，以上為丙類。重慶地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度（乙類建筑按7度的要求加強(qiáng)其抗震措施），設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，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0.35s。基本風(fēng)壓0.40kN/m2（50年重現(xiàn)期），承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用，并考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的影響，地面粗糙度為C類。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2　主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)體系

塔樓主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系（如圖1），其中核心筒作為主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。

塔樓建筑平面形狀為矩形，最大高寬比5.4（X向），標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面見(jiàn)圖2。核心筒平面形狀為矩形，尺寸為12.2×16.4m，最大高寬比15.8（X向）。核心筒底部外墻厚600mm，隨高度增加頂部減少為300mm；筒內(nèi)墻底部厚200～400mm，頂部減小為200～300mm。為使兩個(gè)方向動(dòng)力特性接近，在X向均勻設(shè)置了多道剪力墻，并適當(dāng)增大了Y向墻體的開(kāi)洞尺寸。

圖1　冉家壩廣場(chǎng)建筑效果圖

圖2　標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

外圍框架柱在五層樓面標(biāo)高以下部分采用型鋼混凝土柱，截面尺寸為1400×1400mm，配筋率1%，含鋼率4.6%。型鋼混凝土柱可有效減小底部柱截面尺寸，并增加框架柱的強(qiáng)度及延性，改善其抗震性能。五層以上采用普通鋼筋混凝土柱。

由于核心筒高寬比較大，為增加主體結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度，同時(shí)為減小剛度突變和內(nèi)力劇增，避免在加強(qiáng)層附近形成結(jié)構(gòu)薄弱層，確保整體結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的延性屈服機(jī)制，工程采取了對(duì)結(jié)構(gòu)有限剛度［1］均勻加強(qiáng)的方式。在第三層和兩個(gè)避難層分別設(shè)置伸臂桁架和角部桁架，以減小結(jié)構(gòu)在水平力作用下的側(cè)移，同時(shí)減小外框架柱間的剪力滯后效應(yīng)，協(xié)調(diào)相關(guān)豎向構(gòu)件的變形，減小豎向變形差，使豎向構(gòu)件受力均勻。局部桁架式加強(qiáng)層，在增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的同時(shí)，最大可能地減小了構(gòu)架內(nèi)力不均勻分布的程度。

根據(jù)建筑設(shè)計(jì)要求，第三層為銀行、辦公區(qū)大堂，要求其上方為上空設(shè)計(jì)，因此第四層樓板開(kāi)洞率達(dá)40.3%，約一半平面形成9.60m的結(jié)構(gòu)層高。為增加本層抗側(cè)剛度，在角部設(shè)置桁架，并沿X向在3-D軸設(shè)置伸臂桁架，見(jiàn)圖3。施工時(shí)，在伸臂桁架中部設(shè)置后澆帶，當(dāng)主體結(jié)構(gòu)施工完成后再行澆筑，以減少由于外框柱與混凝土筒體豎向變形差異引起的桁架桿件附加應(yīng)力。在兩個(gè)建筑避難層，結(jié)合建筑要求，設(shè)置角部桁架，見(jiàn)圖4。

圖3　三、四層桁架布置圖

圖4　避難層一、二（15F、28F）桁架布置圖

由于伸臂及角部桁架的設(shè)置，不可避免地形成豎向剛度突變。為此，對(duì)相關(guān)層豎向構(gòu)件、樓板進(jìn)行加強(qiáng)處理。豎向構(gòu)件按中震彈性設(shè)計(jì)，樓板按地震力計(jì)算結(jié)果及構(gòu)造要求進(jìn)行加厚處理，同時(shí)配筋予以加強(qiáng)。

2.2結(jié)構(gòu)超限情況及抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)

根據(jù)抗規(guī)、高規(guī)及《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》的規(guī)定，工程主體結(jié)構(gòu)高度超過(guò)了抗規(guī)鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大適用高度，為高規(guī)規(guī)定的B級(jí)高度高層建筑。

其他不規(guī)則情況有以下三點(diǎn)：（1）五層以下在考慮質(zhì)量偶然偏心的水平地震作用時(shí)，樓層的最大位移比大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；（2）第四層樓板開(kāi)洞面積大于樓層面積30%，為樓板局部不連續(xù)；（3）在3-4、15、28層設(shè)置加強(qiáng)層，為豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)。

為滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)三水準(zhǔn)要求，該項(xiàng)目進(jìn)行了兩階段的抗震設(shè)計(jì)并采取了相應(yīng)的抗震措施。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)的要求，經(jīng)綜合考慮各種因素，確定采用C等級(jí)的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)，其抗震性能水準(zhǔn)如表1所示。

表1　結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)

3　結(jié)構(gòu)分析

3.1小震振形分解反應(yīng)譜分析

工程采用SATWE及ETABS程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行小震下的反應(yīng)譜彈性分析。分析時(shí)，考慮了扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)振動(dòng)、雙向地震作用以及單向地震作用下偶然偏心的影響。為使整體質(zhì)量參與系數(shù)大于90%的規(guī)范要求，共計(jì)算了21個(gè)振形，采用CQC法進(jìn)行振形組合，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　小震下主要計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)前三階振型分別為X向平動(dòng)、Y向平動(dòng)及扭轉(zhuǎn)，兩個(gè)程序計(jì)算的自振周期基本一致，周期比滿足規(guī)范要求，整體抗扭剛度足夠。位移角滿足規(guī)范限值，但在偶然偏心地震作用下，Y向最大扭轉(zhuǎn)位移比超過(guò)規(guī)范1.2的限值，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則平面。大部分樓層的剪重比均滿足規(guī)范要求，僅底部局部樓層剪重比不滿足要求，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)放大地震力1.25倍的方式，實(shí)現(xiàn)剪重比達(dá)到0.006。結(jié)構(gòu)剛重比大于限值1.4，小于2.7，能夠通過(guò)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算，但應(yīng)考慮重力二階效應(yīng)。

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)位移角、剪力、傾覆力矩等指標(biāo)的分析，可見(jiàn)工程的風(fēng)荷載作用是結(jié)構(gòu)的控制因素，小震不起控制作用。重慶地區(qū)10年一遇的基本風(fēng)壓為0.25kN/m2，以此計(jì)算出的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)橫風(fēng)向振動(dòng)最大加速度為0.187m/s2，小于規(guī)范限值0.25m/ s2，滿足結(jié)構(gòu)舒適度要求。

從反應(yīng)譜分析結(jié)果來(lái)看，各參數(shù)結(jié)果合理，結(jié)構(gòu)具有合適的剛度，滿足各種工況下的計(jì)算要求。SATWE與ETABS計(jì)算的結(jié)果基本一致，從力學(xué)概念和工程經(jīng)驗(yàn)等方面進(jìn)行分析判斷，可以確認(rèn)其合理性和可靠性。

3.2大震靜力彈塑性分析

推覆分析是一個(gè)簡(jiǎn)化、實(shí)用的分析工具，其基本假定是結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)僅受一個(gè)振型控制，推覆力分布模態(tài)始終保持不變，并且多自由度系統(tǒng)與等效單自由度系統(tǒng)之間的關(guān)系也始終如一。因此，推覆分析本身的不確定性主要來(lái)自于基本假定帶來(lái)的高振型影響、推覆力分布模態(tài)及等效單自由度系統(tǒng)替代帶來(lái)的模型不確定性。為考慮高振型的影響，工程應(yīng)用SRSS原理，對(duì)頂點(diǎn)位移和底部剪力進(jìn)行修正，位移和剪力修正系數(shù)分別取1.2和1.25。對(duì)推覆力分布，則采用倒三角形等多種加載模態(tài)進(jìn)行比較分析。為應(yīng)對(duì)分析模型的不確定性，工程采取了小震性能控制點(diǎn)校準(zhǔn)法進(jìn)行修正，確保結(jié)構(gòu)在彈性階段推覆分析與振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果一致，以增加非線性分析結(jié)果的可信度。

工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的靜力彈塑性分析程序PUSH進(jìn)行靜力推覆分析。經(jīng)試算比較，側(cè)推荷載采用符合地震力層間分布的倒三角形加載方式。由于工程結(jié)構(gòu)平面簡(jiǎn)單，在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性大致相當(dāng)，因此僅從X、Y兩個(gè)主軸方向進(jìn)行推覆分析。

從罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)能力－需求譜曲線圖（圖5、圖6）中可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)在X、Y方向的能力譜曲線均穿越罕遇地震需求譜曲線，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性能達(dá)到了罕遇地震的性能要求。性能點(diǎn)處X向大震下最大彈塑性層間位移角為1/270，Y向大震下最大彈塑性層間位移角為1/305，均小于1/111的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)限值。

圖5　 X向罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)能力－需求譜曲線

圖6　 Y向罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)能力－需求譜曲線

從兩個(gè)方向的推覆結(jié)果來(lái)看。推覆達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)，底部墻肢出現(xiàn)受拉裂縫多于上部墻肢，筒體連梁出鉸樓層也主要出現(xiàn)在中下部（22層及以下），墻肢裂縫主要集中在小隔墻上，而核心筒外圈等主要墻肢裂縫不多。上述結(jié)果可以說(shuō)明，結(jié)構(gòu)在大震下雖然局部墻體出現(xiàn)開(kāi)裂，但能夠達(dá)到大震不屈服的目標(biāo)。復(fù)核底部墻體的實(shí)際配筋，也比程序默認(rèn)的構(gòu)造配筋要大，已經(jīng)進(jìn)一步予以加強(qiáng)。在兩個(gè)方向的推覆作用下，框架柱始終未出現(xiàn)塑性鉸，表明其在罕遇地震作用下具有較大的安全儲(chǔ)備。

4　抗震加強(qiáng)措施

通過(guò)對(duì)彈性、彈塑性計(jì)算結(jié)果的分析，結(jié)合概念設(shè)計(jì)的方法，工程采取以下措施保證結(jié)構(gòu)的安全性、合理性及經(jīng)濟(jì)性。

（1）核心筒角部沿建筑物全高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，并提高約束邊緣構(gòu)件配筋率。提高墻體分布鋼筋配筋率，以增加墻體延性，并減小混凝土的徐變及收縮變形。底部加強(qiáng)部位框架柱內(nèi)設(shè)置型鋼，增加配筋率，箍筋間距不超過(guò)100mm，增強(qiáng)框架柱抗剪能力。

（2）嚴(yán)格控制框架柱和底部加強(qiáng)區(qū)核心筒墻體的軸壓比。除個(gè)別小墻肢外墻軸壓比不大于0.5，柱軸壓比不大于0.75。

（3）底部加強(qiáng)區(qū)、加強(qiáng)層及相鄰層的核心筒剪力墻和塔樓框架柱抗震等級(jí)提高一級(jí)，其承載力按6度中震彈性設(shè)計(jì)控制，從而保證關(guān)鍵部位達(dá)到大震不屈服的要求。

（4）在內(nèi)筒外圈墻體樓面標(biāo)高處設(shè)置暗梁，對(duì)筒體整體性進(jìn)行加強(qiáng)。

（5）加強(qiáng)層及其相鄰層樓板分別加厚到150mm、120mm，雙層雙向通長(zhǎng)配筋，配筋率不小于0.25%。加強(qiáng)層框架梁考慮軸向拉力，設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)通長(zhǎng)鋼筋的配置。

5　結(jié)語(yǔ)

超高層框架－核心筒結(jié)構(gòu)中，為提高結(jié)構(gòu)整體剛度，控制結(jié)構(gòu)位移，設(shè)置加強(qiáng)層是一個(gè)有效的技術(shù)措施。但是加強(qiáng)層的設(shè)置，將會(huì)引起結(jié)構(gòu)剛度突變，從而在地震作用下出現(xiàn)應(yīng)力集中，并易形成薄弱層。因此，從抗震概念設(shè)計(jì)上應(yīng)采取“有限剛度均勻設(shè)置”的加強(qiáng)原則，即應(yīng)強(qiáng)調(diào)盡量減少單個(gè)加強(qiáng)層的剛度，而沿結(jié)構(gòu)高度多設(shè)加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方式。這一方式有利于減少結(jié)構(gòu)剛度突變和應(yīng)力集中，避免在加強(qiáng)層附近形成薄弱層，從而有利于結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下實(shí)現(xiàn)延性屈服機(jī)制，保障結(jié)構(gòu)的安全。

工程按照“有限剛度均勻設(shè)置”這一加強(qiáng)概念，結(jié)合建筑實(shí)際情況，采用了伸臂桁架與局部桁架結(jié)合的加強(qiáng)方式，既增加了結(jié)構(gòu)整體剛度，又最大程度地減小了結(jié)構(gòu)剛度突變。通過(guò)采用ETABS及PKPM系列軟件進(jìn)行的分析表明，結(jié)構(gòu)在小震及大震作用的情況下，均滿足相應(yīng)性能水準(zhǔn)的要求。概念設(shè)計(jì)與計(jì)算分析的結(jié)合，確保了工程結(jié)構(gòu)方案的合理有效性，確保了整體結(jié)構(gòu)的安全性。該工程的設(shè)計(jì)通過(guò)了重慶市超限高層抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。

［1］傅學(xué)怡.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：598.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

The body structureheightof No.3 building ofRanjaba Plaza in Chongqing isup to 193.0m,so it isa high-rise building of Level B.The building structure is concrete frame-core tube system w ith steel reinforced concrete columns at the bottom of peripheral frame columns.Two programs are adopted to carry out response spectrum calculation under frequentearthquake and intermediate earthquake,and elastic dynamic time-history analysis on integral structure is conducted.Furthermore,pushover analysis results under rare earthquake show that the seism ic performance of the structure is sound and the structure issafeand reliable.

out-of-codehigh-risebuilding;frame-core tubestructure;localsupport;steel reinforced concrete column;limited rigidity uniform set

TU37

A

1671-9107（2016）10-0019-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.10.019

2016-06-29

文兵（1974-），男，四川射洪人，研究生，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作。