杭州“星創(chuàng)城”超高層結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1 工程概況

本項(xiàng)目位于杭州市余杭區(qū)良渚新城，功能為辦公樓，結(jié)構(gòu)地下2層，地上46層，頂部3層為幕墻構(gòu)架，建筑高度為200 m，平面建筑尺寸44.40 m×43.30 m，建筑面積79 500 m2。見圖1、圖2。

圖1 鳥瞰圖

圖2 塔樓透視圖

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，主體結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306—2015）》，擬建場地的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05 g，根據(jù)地勘報(bào)告，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)特征周期為0.45 s。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》50年一遇的基本風(fēng)壓為0.45 kN/m2，地面粗糙度為B類，50年一遇的基本雪壓為0.45 kN/m2［1］。

2 地下室和基礎(chǔ)

根據(jù)地勘報(bào)告，本工程樁基類型采用鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)采用平筏基礎(chǔ)，以滿足承載力和沉降的要求。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)和樁基設(shè)計(jì)等級(jí)均為甲級(jí)，上部嵌固部位為地下室頂板。場地內(nèi)潛水位埋深0.4～3.9 m，潛水位對(duì)基坑抗浮影響較大，地下室長期潮濕的環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生微蝕性，地下室抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，抗浮設(shè)計(jì)水位取4.000 m。本工程鉆孔灌注樁樁徑800 mm，樁長不小于56 m，持力層均為⑩3中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，樁端進(jìn)入持力層深度不小于2 m，單樁承載力特征值9 800 kN。

3 上部結(jié)構(gòu)體系

本工程采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，建筑標(biāo)準(zhǔn)平面層接近正方形，局部凹進(jìn)，平面尺寸為44.4 m（X向）×43.3 m（Y向），高寬比為4.5。核心筒體連續(xù)完整，尺寸為20.15 m（X向）×17.55 m（Y向），核心筒最大高寬比為4.80。第12層、第23層、第34層作為避難層，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2 m，避難層層高5.1 m。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置

本工程地上46層，結(jié)構(gòu)高200 m，如采用鋼筋混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)不僅自重較大，梁高也因?yàn)檩^高而影響建筑凈高，而且高度超過了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的A級(jí)高度，屬于超限結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了自重較輕、構(gòu)件截面較小且不超限的鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒組合結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)具有良好的抗震承載力和變形能力，鋼筋混凝土核心筒與外圍鋼管混凝土外框架柱協(xié)同受力，形成良好的二道防線，從而實(shí)現(xiàn)大震不倒的要求［2］。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

本工程分別采用YJK和MIDAS Gen程序?qū)Y(jié)構(gòu)的主要影響結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，相互驗(yàn)證。

4.1 周期對(duì)比

YJK和MIDAS Gen兩種軟件前3階振型和周期見表1。由表1可見，兩個(gè)程序前兩階周期為平動(dòng)，第三周期為扭轉(zhuǎn)，周期比最大0.65，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ 3—2010）》（以下簡稱《高規(guī)》）不超過0.85的要求。

表1 周期對(duì)比

4.2 最大層間位移角

本工程建筑高度200 m，根據(jù)《高規(guī)》第3.7.3條要求，高度在150～250 m之間的高層建筑，其樓層層間最大位移與層高之比可線性插入取用，本工程經(jīng)過計(jì)算為1/615。各工況下最大層間位移角見表2，各樓層彈性層間位移角曲線見圖4、圖5。

由表2可知，在地震作用和風(fēng)荷載作用下，X、Y向最大彈性層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/615的要求。由圖4、圖5可以看出，兩種程序計(jì)算結(jié)果顯示的最大層間位移角數(shù)值比較接近，且變化趨勢相似。

圖4 地震荷載作用下的層間位移角曲線

圖5 風(fēng)荷載作用下的層間位移角曲線

表2 最大層間位移角對(duì)比

4.3 樓層剛度比

根據(jù)《高規(guī)》3.5.2條規(guī)定，對(duì)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)層高變化時(shí)剛度變化不明顯，本樓層側(cè)向剛度不宜小于上部相鄰樓層的90%；當(dāng)本層層高超過相鄰上層層高的150%時(shí)，本樓層與上一樓層側(cè)向剛度比值不宜小于1.1；對(duì)結(jié)構(gòu)底部嵌固層，本樓層與地下室剛度比值不宜小于1.5［2］。YJK和MIDAS計(jì)算的X向和Y向剛度比見圖6。從圖6中可以看出，兩個(gè)程序的剛度比曲線趨勢相似，計(jì)算結(jié)果基本吻合。該項(xiàng)目本層與上一層層高比均小于1.5，層剛度比均大于規(guī)定限值0.9，且在結(jié)構(gòu)底部嵌固等，剛度比大于1.5。由于地下室及頂部幕墻構(gòu)架層層高變化較大，地下室頂板作為嵌固端，因此剛度比曲線存在突變［3］。

圖6 側(cè)向剛度比曲線

4.4 剪重比

對(duì)于長周期結(jié)構(gòu)，加速度對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)可能影響不是最大，地震動(dòng)態(tài)作用中的地面運(yùn)動(dòng)速度和位移對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)起控制作用，基于上述這點(diǎn)考慮，規(guī)范提出了剪重比的要求。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50011—2010）》（以下簡稱《抗規(guī)》）第5.2.5條，要求X向和Y向樓層的最小剪重比為0.80%［3］。YJK和MIDAS對(duì)剪重比的計(jì)算結(jié)果見圖7，兩個(gè)程序計(jì)算結(jié)果趨勢相同，數(shù)值略有偏差但在誤差許可范圍內(nèi)。從圖6中可以看出，存在少部分樓層在結(jié)構(gòu)底層的剪重比不滿足抗規(guī)要求的限值，對(duì)于剛度小的樓層應(yīng)乘以不小于1.15的增大系數(shù)進(jìn)行調(diào)整［4］。

圖7 剪重比曲線

5 彈性時(shí)程分析

使用YJK計(jì)算軟件進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析，將樓層位移、層間位移角和樓層剪力的結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜分析結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)程序地震波篩選結(jié)果選取1組人工波和2組天然波，3條波均滿足《高規(guī)》規(guī)定的持續(xù)時(shí)間、有效加速度峰值、基底反力和頻譜特性的要求。時(shí)程分析的結(jié)果見圖8。

由圖8結(jié)果顯示，3條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值大于規(guī)范要求的振型分解反應(yīng)譜法的80%并小于120%，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力均大于規(guī)范要求的振型分解反應(yīng)譜法的65%且不大于135%，地震波能達(dá)到規(guī)范對(duì)基底剪力的要求。從主要計(jì)算結(jié)果圖中可以看出，除頂部外，CQC法的層間位移角曲線在絕大部分范圍均大于3條地震波對(duì)應(yīng)的平均層間位移角曲線，僅在頂部略微小于3條地震波對(duì)應(yīng)的平均層間位移角曲線，說明非常有必要考慮高振型產(chǎn)生的鞭梢作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)頂部樓層相關(guān)部位的構(gòu)件豎向剛度進(jìn)行加強(qiáng)，最終滿足了規(guī)范要求［4］。

圖8 時(shí)程分析結(jié)果

6 結(jié)語

1）通過YJK和MIDAS Gen軟件計(jì)算比較分析，本工程采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)是比較合適的，兩種軟件經(jīng)過比較計(jì)算后發(fā)現(xiàn)結(jié)果均能滿足規(guī)范要求，這種結(jié)構(gòu)也很好地滿足了建筑效果和建筑使用功能的要求。見圖9。

圖9 北立面透視夜景

2）彈性時(shí)程分析的計(jì)算結(jié)果表明，地震作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角、最大層間位移和最大樓層剪力滿足規(guī)范規(guī)定的要求。但頂層部分樓層層間位移角較分解反應(yīng)譜法的結(jié)果偏大，應(yīng)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)部分樓層的整體剛度。