某超高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

蘇志德， 張 潔， 李 放

(四川省建筑設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610000)

1 工程概況

本項(xiàng)目用地位于成都市高新區(qū)天府大道大源中心區(qū)，由2棟超高層辦公樓及其商業(yè)群房(2層)、地下室(4層)組成。1號(hào)辦公樓建筑層數(shù)(含裙樓)33層，建筑高度160.45 m； 2號(hào)辦公樓建筑層數(shù)(含裙樓)45層，建筑高度139.90 m，工程效果圖如圖1所示。本文主要針對(duì)其中1號(hào)辦公樓做論述。1號(hào)樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。

圖1 外立面效果

圖2 1號(hào)樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

2 結(jié)構(gòu)體系及超限情況

本工程所在地抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.10g。根據(jù)建筑功能需要并結(jié)合結(jié)構(gòu)受力情況，1號(hào)辦公樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—筒體結(jié)構(gòu)。根據(jù)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.3.1條，本工程屬于B級(jí)高度的鋼筋混凝土高層建筑。

規(guī)則性判斷：根據(jù)SATWE的小震彈性振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果可知，局部樓層最大位移比大于1.2，但小于1.4，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

故1號(hào)辦公樓為B級(jí)高度的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的超限高層結(jié)構(gòu)，存在兩層通高超長框架柱等抗震不利因素。

3 性能目標(biāo)及抗震設(shè)防

本項(xiàng)目抗震設(shè)計(jì)在滿足國家、地方規(guī)范外，將根據(jù)性能化抗震設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11.1條條文說明進(jìn)行抗震性能評(píng)估，并同時(shí)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)的特殊性、建造費(fèi)用、震后損失和修復(fù)難易程度等因素，本工程1號(hào)樓超限高層的性能目標(biāo)定為D級(jí)。

4 抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算與分析

4.1 小震作用下的整體計(jì)算

采用兩種不同力學(xué)模型Satwe和Midas Building進(jìn)行整體對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果基本一致，并且各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置基本合理，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 小震作用下整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.2 中震抗震性能分析

對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件(底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻和框架柱)提出中震抗震承載力不屈服的性能目標(biāo)。周期折減系數(shù)取1.0，阻尼比取0.05，不考慮風(fēng)荷載，荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，承載力抗震調(diào)整系數(shù)取1.0。

計(jì)算結(jié)果表明，中震下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角滿足不大于1/251的規(guī)范限值的要求。底部加強(qiáng)區(qū)的抗震承載力看出關(guān)鍵構(gòu)件未出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，抗震承載力滿足中震不屈服的要求。部分框架梁出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，進(jìn)入屈服階段。鋼筋混凝土豎向構(gòu)件中震下的受剪截面驗(yàn)算均滿足JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》式3.11.3-4的規(guī)定。針對(duì)個(gè)別小偏拉墻肢，按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》相關(guān)規(guī)定，按照特一級(jí)進(jìn)行抗震構(gòu)造，增大水平與豎向分布鋼筋配筋率，當(dāng)拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，用鋼筋承受拉力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，在剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，且平均名義拉力不應(yīng)超過兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

4.3 大震下整體計(jì)算結(jié)果匯總

4.3.1 地震波的選取

本工程選用了2條天然波和1條天然波，采用Midas Building進(jìn)行大震下的彈塑性時(shí)程分析。所選地震波的譜曲線特性與大震規(guī)范譜曲線滿足統(tǒng)計(jì)意義相符；如表2所示，CQC法計(jì)算的大震基底剪力為82 627 kN(X向)、93 497 kN(X向)，理想假定大震彈性時(shí)程時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)果均大于CQC法的65 %，三條時(shí)程曲線的平均值大于CQC法的80 %，計(jì)算結(jié)果滿足GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)第5.1.2條要求，因此所選地震波可用于大震分析。

表2 每組地震波對(duì)應(yīng)的基底剪力

4.3.2 彈塑性樓層位移

大震下的結(jié)構(gòu)層間位移角最大值和相應(yīng)樓層層號(hào)如表3所示。

表3 每組地震波對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)層間位移角最大值

由上表可見，大震作用下，彈塑性層間位移角最大值X方向1/179(12F),Y方向1/242(11F)滿足小于規(guī)范1/100的要求。從層間位移角的曲線來看，整體剛度較為適中，層間位移角最大值出現(xiàn)在避難層附近，可對(duì)避難層上下豎向構(gòu)件采用加強(qiáng)配箍率等措施，提高相應(yīng)部位延性和剛度。

4.3.3 大震下結(jié)構(gòu)抗震性能分析

根據(jù)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.11.3條第5款規(guī)定，大震下應(yīng)進(jìn)行彈塑性計(jì)算分析。關(guān)鍵構(gòu)件(底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻)抗震承載力驗(yàn)算結(jié)果如圖3。

圖3 1F～5F剪力墻損傷分布

圖4 柱塑性鉸計(jì)算結(jié)果

由圖3可以看出，處于第1、2應(yīng)變等級(jí)的墻體達(dá)到88 %，底部加強(qiáng)區(qū)第三層右下角一片墻有少許達(dá)到屈服，無屈服后墻體；第3、4、5應(yīng)變狀態(tài)主要集中于洞口周邊。故關(guān)鍵構(gòu)件滿足性能目標(biāo)5中抗震承載力宜不屈服的要求。非底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻大震下少數(shù)墻體進(jìn)入屈服階段，墻體屈服主要集中于洞口周邊，同一樓層豎向構(gòu)件未全部屈服。

框架柱塑性鉸計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖中圖例所示為鋼筋混凝土梁柱構(gòu)件屈服狀態(tài)，第一屈服狀態(tài)為開裂及開裂到屈曲前狀態(tài)，第二為屈服狀態(tài)，第三屈服狀態(tài)為極限狀態(tài)。底部加強(qiáng)區(qū)框架柱在裙房角部有一處開裂，處于第一屈服狀態(tài)；在頂層附近出現(xiàn)開裂，處于第一屈服狀態(tài)?？蚣苤催M(jìn)入屈服狀態(tài)。梁塑性鉸處于第一屈服狀態(tài)的梁構(gòu)件達(dá)到68.4 %，處于第二屈服狀態(tài)的梁構(gòu)件達(dá)到30.7 %，沒有達(dá)到極限狀態(tài)的梁構(gòu)件。

4.3.4 大震彈塑性時(shí)程分析小結(jié)

(1)在大震作用下條件下，結(jié)構(gòu)X、Y向的最大頂點(diǎn)位移分別為640 mm、493 mm，并最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

(2)主體結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下X、Y向的最大彈塑性層間位移角分別為1/179、1/242，滿足規(guī)范要求。

(3)大震下耗能構(gòu)件的損傷較嚴(yán)重，起到了耗能的作用。剪力墻的損傷主要集中在下部夾層和洞口周邊，采取提高邊緣構(gòu)件的縱筋、箍筋率和墻身分布筋的配筋率的措施進(jìn)行加強(qiáng)，以提高其變形能力和抗震性能。

通過大震彈塑性的分析及采取的相應(yīng)措施，認(rèn)為結(jié)構(gòu)能滿足大震下第5抗震性能要求。

5 兩層通高超長框架柱計(jì)算復(fù)核

1號(hào)辦公樓標(biāo)高H=16.800m位置核心筒內(nèi)除電梯、井道外均設(shè)置鋼筋混凝土樓板，但是核心筒與框架柱之間未設(shè)置混凝土梁、板，故此處對(duì)標(biāo)高H=10.800～22.800m位置的兩層通高超長框架柱進(jìn)行承載力復(fù)核。此處的兩層通高框架柱計(jì)算長度系數(shù)取為2.0。采用等效彈性方法，在大震不屈服狀態(tài)下對(duì)兩層通高超長框架柱的抗震承載力進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果如圖5。

圖5 大震不屈服要求下H=10.800～16.800m和H=16.800～22.800m兩層通高框架柱計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)比得出如下結(jié)論：

(1)兩層通高超長框架柱的抗震承載力滿足大震不屈服的要求；

(2)兩層通高超長框架柱在后續(xù)的施工圖設(shè)計(jì)中，配筋應(yīng)采取小震、大震不屈服下的包絡(luò)設(shè)計(jì)；

(3)其他加強(qiáng)措施包括：①核心筒內(nèi)在H=16.800m標(biāo)高設(shè)置鋼筋混凝土樓板，厚度不小于150 mm，配筋率不小于0.25 %，鋼筋雙層雙向拉通設(shè)置，以減小核心筒剪力墻的計(jì) 算高度；②H=10.800～22.800m范圍內(nèi)框架柱設(shè)置型鋼，以增強(qiáng)兩層通高超長框架柱的延性；③基頂22.800m高度范圍內(nèi)核心筒剪力墻適當(dāng)加厚，增強(qiáng)此范圍內(nèi)核心筒剪力墻的抗側(cè)剛度；④因在H=10.800～22.800m此范圍內(nèi)水平地震力主要由核心筒剪力墻承擔(dān)，不能有效地傳遞給框架柱，故嵌固端22.800m高度范圍的核心筒剪力墻應(yīng)采取加強(qiáng)措施如下：墻體水平和豎向分布鋼筋的配筋率不小于0.40%，約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋配筋率不小于1.4%，配箍特征值增大20%。

6 結(jié)論

本工程1號(hào)樓為B級(jí)高度的高層建筑，在房屋高度、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則等方面存在超限情況。但在設(shè)計(jì)中采用概念設(shè)計(jì)和抗震性能化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)抗震原則及建筑特點(diǎn)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的體系和布置進(jìn)行了加強(qiáng)。設(shè)計(jì)采用多種計(jì)算程序進(jìn)行了彈性和彈塑性的計(jì)算，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范的相關(guān)要求。同時(shí)兩層通高超長框架柱、底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻等關(guān)鍵構(gòu)件采取了更為嚴(yán)格的抗震性能目標(biāo)，保證結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

綜上所述，本工程除能夠滿足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，抗震性能目標(biāo)也滿足D級(jí)的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理有效，并且安全可行。