蘭州和平明珠項(xiàng)目高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫俊濤 ［1.上海市建筑科學(xué)研究院（集團(tuán)）有限公司,上海 200032；2.上海建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032］

1 工程概況

本項(xiàng)目位于蘭州市榆中縣和平鎮(zhèn)，緊鄰蘭州中心城區(qū)城關(guān)區(qū)?；啬蟼?cè)緊鄰牡丹路，北側(cè)臨近和電四支渠，西側(cè)為張掖銀海商貿(mào)有限公司銀海商貿(mào)樓。

項(xiàng)目總建筑面積為 59 579.29 m2，其中地上建筑面積為 38 313.25 m2，地下建筑面積為 21 266.04 m2。包含 2 棟高層住宅、裙房商業(yè)和地下室。1 號(hào)、2 號(hào)樓為高層住宅，其中 1 號(hào)樓 30 層，建筑高度為 98.1 m；2 號(hào)樓 27 層，建筑高度為 91.35 m；3 號(hào)樓裙房為 3 層商業(yè)用建筑，建筑高度23.15 m。地下室分為 3 層，局部地下夾層為非機(jī)動(dòng)車停車庫(kù)，地下 1 層為商業(yè)，地下 2、3 層為機(jī)動(dòng)車停車庫(kù)。建筑效果見(jiàn)圖1。

圖1 建筑效果圖

1 號(hào)樓為高層商住類建筑，地上 1 層、2 層、3 層層高分別為 7.6 m、6.1 m、6.1 m，作為商業(yè)使用，抗震設(shè)防類別按重點(diǎn)設(shè)防（乙類）進(jìn)行設(shè)計(jì)；其他標(biāo)準(zhǔn)層為住宅，層高2.90 m, 抗震設(shè)防類別按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙類）進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)使用年限 50 年，安全等級(jí)二級(jí)。根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》以及甘肅省標(biāo)準(zhǔn) DB 62/T 25—3055—2011《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》，榆中縣和平鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度為 8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值 0.45 s，剪力墻抗震等級(jí)地下 1 層～地上3 層為一星級(jí)（計(jì)算一級(jí)，構(gòu)造特一級(jí)），其余各層剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)?；撅L(fēng)壓為 0.3 kN/m2，地面粗糙度為 B類，體型系數(shù)取 1.4。基礎(chǔ)采用樁筏聯(lián)合基礎(chǔ)。

2 1 號(hào)樓主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)不規(guī)則性情況

(1) 高寬比：高層建筑的高寬比是對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度、抗傾覆能力、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟(jì)合理性的宏觀控制。根據(jù) JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，8 度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑，高寬比 ≤5。本樓結(jié)構(gòu)高度98.1 m，平面最小回轉(zhuǎn)半徑為 4.3 m，對(duì)應(yīng)有效寬度 14.9 m，高寬比為 6.584，遠(yuǎn)超規(guī)范。應(yīng)對(duì)整體的承載力、穩(wěn)定、抗傾覆及變形等進(jìn)行更詳細(xì)的分析，并采取合適的加強(qiáng)措施。

(2) 平面凹凸不規(guī)則：根據(jù)建筑及結(jié)構(gòu)平面，中部凹凸尺寸為相應(yīng)邊長(zhǎng)的 36.8% 且 ＞30%，對(duì)抗震不利。應(yīng)對(duì)凹凸部位的樓板應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)分析并采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施保證水平力的可靠傳遞。

(3) 豎向剛度突變：?jiǎn)误w地上 3 F 層高 6.1 m，4 F 層高2.9 m，剛度突變，形成軟弱層對(duì)抗震不利，應(yīng)按規(guī)范對(duì)相應(yīng)層進(jìn)行計(jì)算分析，并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施和設(shè)計(jì)。同時(shí)通過(guò)合理結(jié)構(gòu)布置，避免層受剪承載力不足，同時(shí)出現(xiàn)薄弱層。

(4) 基礎(chǔ)部分：IV 級(jí)（很嚴(yán)重）濕陷性地基，最大濕陷深度 29.5 m。樁基設(shè)計(jì)時(shí)考慮地基土濕陷引起的負(fù)摩阻力；地基計(jì)算對(duì)應(yīng)大高寬比下結(jié)構(gòu)抗傾覆能力，多遇地震下控制基底不出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)；并進(jìn)行罕遇地震下樁基極限承載力驗(yàn)算。

2.2 小震彈性結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

多遇地震下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，本工程采用了 SATWE 和MIDAS BUILDING 軟件進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算，同時(shí)補(bǔ)充了動(dòng)力時(shí)程彈性分析計(jì)算。結(jié)構(gòu)嵌固端為地下室頂板，計(jì)算同時(shí)考慮了雙向地震作用及偶然偏心作用影響，樓板分別采用了剛性樓板假定及彈性樓板假定。動(dòng)力時(shí)程分析采用了 1 組人工波及 2 組天然波；地震波選取考慮了地震波動(dòng)力特性（頻譜特性、峰值、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)）等同規(guī)范譜在統(tǒng)計(jì)意義上相符。主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 結(jié)構(gòu)前 3 階周期及振型方向、周期比

表2 結(jié)構(gòu)的彈性響應(yīng)

表3 時(shí)程分析基底剪力結(jié)果

由表1、表2 可知，小震作用下響應(yīng)遠(yuǎn) ＞ 50 年一遇風(fēng)荷載，地震時(shí)起控制作用。結(jié)構(gòu)最大層間位移角滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)剛度比較富裕，位移比 ≤1.2，周期比 ≤0.85，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小，剪重比大于規(guī)范限值，地震力計(jì)算值合適。整體結(jié)構(gòu)滿足小震不壞的彈性要求。

由表3 可知，3 條波時(shí)程計(jì)算的基底剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 65%，3 條波計(jì)算的基底剪力平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 80%，時(shí)程分析地震力 ＜CQC ( Complete Quadratic Combination，即完全二次振型組合) 法計(jì)算地震力，可取 CQC 法計(jì)算地震作用效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 樓板應(yīng)力分析

針對(duì)平面的凹凸不規(guī)則及中部有效板寬度較小，抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮樓板平面內(nèi)變形的影響，同時(shí)，為了確保樓板在小震下的彈性，對(duì)每層樓板進(jìn)行了地震作用下樓板應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。除較大剛度豎向構(gòu)件附近及洞口、角部應(yīng)力集中區(qū)域外，在水平地震作用下計(jì)算的樓板應(yīng)力均小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（C 35 混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為 2.2 N/mm2）。

圖2 1 號(hào)樓標(biāo)準(zhǔn)層 X 向地震樓板應(yīng)力

圖3 1 號(hào)樓標(biāo)準(zhǔn)層 Y 向地震樓板應(yīng)力

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，1 號(hào)樓細(xì)腰區(qū)域樓板厚度加厚為 150 mm,樓板配筋采用地震作用和豎向荷載組合設(shè)計(jì)值進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，并在容易發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。按小震作用下實(shí)際樓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及豎向地震內(nèi)力包絡(luò)值進(jìn)行樓板配筋，保證中震及大震作用下，本區(qū)域樓板不發(fā)生屈服破壞，保證水平力的可靠傳遞。

2.4 動(dòng)力彈塑性分析及性能設(shè)計(jì)

1 號(hào)樓運(yùn)用 PKPM-SAUSAGE 軟件進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析計(jì)算，以便判斷分析結(jié)構(gòu)大震下的破壞部位和形式；判斷構(gòu)件的承載力及延性，進(jìn)行性能設(shè)計(jì)；驗(yàn)算結(jié)構(gòu)大震下的位移是否滿足規(guī)范要求，以實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

彈塑性分析時(shí)，地震波選取了 RH 2 TG 0459（人工波，TG=0.50），TH 031 TG 050（天然波，TG=0.50），TH 112 TG 050(天然波，TG=0.50)分別進(jìn)行X、Y兩主方向的彈塑性動(dòng)力響應(yīng)。地震波主方向加速度為 400 cm/s2，次方向加速度為 340 cm/s2。計(jì)算材料模型直接在應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的水平上模擬非線性：桿件（梁、柱、斜撐等）非線性模型采用纖維束模型；剪力墻、樓板采用彈塑性分層殼單元。整體分析時(shí)不采用剛性樓板假定，阻尼模型采用了修正的瑞利阻尼，反應(yīng)高頻部分的動(dòng)力響應(yīng)。性能標(biāo)準(zhǔn)采用了 JGJ 3—2010 中的 5 個(gè)水準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的構(gòu)件損壞程度則分為“無(wú)損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”5 個(gè)級(jí)別。在 PKPM-SAUSAGE 中構(gòu)件的損壞主要以混凝土的受壓損傷因子、受拉損傷因子及鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變程度作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)應(yīng)上述 5 個(gè)級(jí)別。主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5，圖4～圖6。

表4 彈塑性分析基底剪力結(jié)果

表5 彈塑性分析大震位移計(jì)算結(jié)果

圖4 大震作用下彈塑性層間位移角曲線

圖5 大震作用下墻柱性能統(tǒng)計(jì)

從上述計(jì)算結(jié)果可看出，大震彈塑性基底剪力約為小震彈性基底剪力的 3～5 倍，符合罕遇作用下結(jié)構(gòu)剛度退化、阻尼增加結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性，所選地震波計(jì)算的地震響應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)；大震作用下最大層間位移角小于國(guó)家及地方規(guī)范高寬比超限建筑 1/135 的限值要求，結(jié)構(gòu)符合“大震不倒”的設(shè)計(jì)原則；大震作用下，耗能連梁出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的損壞，起到了很好的耗能作用；大震作用下絕大部分豎向墻體僅出現(xiàn)輕度損壞或輕微損壞，整體抗震性能良好，極少量剪力墻（角部、凹口部位）出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)p壞，結(jié)構(gòu)存在少量薄弱部位，應(yīng)采取抗震加強(qiáng)措施進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)良好的抗震性能，結(jié)構(gòu)整體符合 D 級(jí)抗震性能目標(biāo)。

3 1 號(hào)樓結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

(1) 針對(duì)結(jié)構(gòu)平面腰部較窄、連接較弱，適當(dāng)增加本區(qū)域樓板厚度，最小配筋率為 0.25%；對(duì)整層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析，滿足小震不開(kāi)裂、中震不屈服的性能要求, 按樓板應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行配筋。適當(dāng)提高本區(qū)域框架梁及連梁的縱向配筋率。

(2) 針對(duì)結(jié)構(gòu)層高 6.1 m 變化為 2.9 m 的樓層，按照 GB 50011—2010 對(duì)軟弱層或薄弱層要求地震剪力乘以 ≥1.15的增大系數(shù)。

(3) 針對(duì)大高寬比，抗震驗(yàn)算時(shí)，對(duì)多遇地震下寬度方向彈性層間位移角最大值按 1/1 050 控制。控制基礎(chǔ)底面不出現(xiàn) 0 應(yīng)力區(qū)；罕遇地震作用下寬度方向彈塑性層間位移角限值按 ≤1/135 控制；進(jìn)行罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算。

(4) 針對(duì)抗震薄弱部位，個(gè)別薄弱部位（角部、凹口）豎向構(gòu)件抗剪、抗彎按中震不屈服復(fù)核。

(5) 外縱墻軸壓比限值較規(guī)范降低 0.1；底部加強(qiáng)部位外縱墻墻身水平及豎向分布配筋率 ≥0.35%；約束邊緣構(gòu)件設(shè)置范圍較規(guī)范增加上延一層；縱向約束邊緣構(gòu)件配箍特征值增大 10%，縱向配筋率 ≥1.30%。

(6) 底部加強(qiáng)部位剪力墻連梁加強(qiáng)箍筋配置，對(duì)跨高比＜2.5 的連梁，增設(shè)斜向交叉鋼筋，增強(qiáng)抗剪及塑性變形耗能能力。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，在高烈度區(qū)采用條形平面的大高寬比建筑以滿足建筑通風(fēng)、采光、視線要求的高標(biāo)準(zhǔn)住宅越來(lái)越多地得到應(yīng)用。此時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆治鍪侄魏痛胧?，取得一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)、具有良好抗震性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是有積極現(xiàn)實(shí)意義的。本文結(jié)合本人實(shí)際主持設(shè)計(jì)的高寬比住宅結(jié)構(gòu)，介紹了常規(guī)高度下的大高寬比結(jié)構(gòu)的小震彈性和大震彈塑性分析、性能設(shè)計(jì)，以及針對(duì)大高寬比建筑的結(jié)構(gòu)抗震加強(qiáng)措施，以期為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同行們，在類似工程設(shè)計(jì)時(shí)提供一些參考意見(jiàn)。