某超限高層建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析與設計

楊衛(wèi)杰，陸日超，葉茂烜，余楚江

（廣州市設計院集團有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

本項目位于廣州國際金融城起步區(qū)，為超高層辦公塔樓，主塔樓結(jié)構(gòu)高223.46 m，地上48層，地下5層，建筑效果如圖1 所示。本項目采用鋼管混凝土疊合柱-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，裙樓范圍較小，可視為單棟塔樓。本項目與擬建超高層塔樓通過連廊連接，連廊與本項目通過防震縫脫開，縫寬200 mm。本項目標準層平面布置如圖2 所示，塔樓平面尺寸，長×寬為46.9 m×46.9 m，高寬比4.76。本項目26 層以下框架柱采用鋼管疊合柱，其余框架柱采用鋼筋混凝土柱，42～44 層設置斜柱層；核心筒采用鋼筋混凝土剪力墻，結(jié)構(gòu)三維計算模型如圖3所示。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Rendering

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置Fig.2 Structural Layout Plan

圖3 結(jié)構(gòu)計算模型Fig.3 Structural Calculation Model

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 結(jié)構(gòu)設計條件

2.1.1 建筑分類等級

設計使用年限50 年，設防烈度為7 度，地震動峰值加速度為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s，抗震設防分類為標準設防類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

2.1.2 風荷載

⑴《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［1］計算風荷載

本項目地面粗糙度為C 類。建筑體型系數(shù)μs=1.4，阻尼比為0.05。考慮順風向及橫風向風振的影響，重現(xiàn)期為50 年的基本風壓ω0=0.5 kN/m2，風計算結(jié)果如下：Mx=2.17×109N·m，My=2.27×109N·m，F(xiàn)x=1.58×107N，F(xiàn)y=1.57×107N。

⑵風洞試驗

由于本項目所處區(qū)域為城市建筑密集區(qū)，且為超高層建筑，受到臨近建筑干擾宜考慮風力相互干擾的群體效應［2-7］，文獻［1］提供的體型系數(shù)較為粗糙，而風洞試驗可提供較為準確體型系數(shù)及風壓值，使結(jié)構(gòu)設計更為合理經(jīng)濟。本項目風洞試驗模型及試驗方向如圖4所示。

圖4 風洞試驗模型及試驗方向示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Wind Tunnel Test Model and Test Direction

文獻［1］算法與風洞試驗結(jié)果對比如表1所示，通過風洞試驗與規(guī)范算法的比值，可以看出規(guī)范算法得到的傾覆彎矩和底部剪力更大，采用風洞試驗結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設計，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠前提下，又可節(jié)省投資。

表1 風洞試驗最不利傾覆力矩與底部剪力Tab.1 The Most Unfavorable Overturning Moment and Bottom Shear Force in Wind Tunnel Tests

2.2 結(jié)構(gòu)超限類型及程度［8］

根據(jù)文獻［2］、《建筑抗震設計規(guī)范：GB 50011—2010》［9］及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標準DBJ/T 15-92—2021》［10］的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)計算結(jié)果判斷，本項目存在高度超限（房屋高度223.46 m，為超B 級高度高層建筑）、局部存在穿層柱及斜柱（首2層、46～47 層存在局部穿層柱；42～44 層存在斜柱）等情況，本工程未有嚴重不規(guī)則項。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 多遇地震作用下彈性計算

⑴ETABS 與YJK 進行小震彈性對比分析；根據(jù)圖5、圖6 可知，分析程序所得的主要指標規(guī)律基本一致。小震計算分析結(jié)果如表2 所示，結(jié)構(gòu)沿主軸方向振動形式相近，結(jié)構(gòu)振型、周期、位移形態(tài)和量值在合理范圍內(nèi)；結(jié)構(gòu)地震作用沿高度的分布合理；有效質(zhì)量參與系數(shù)、樓層剪重比、位移角等指標均滿足文獻［2］要求。

表2 結(jié)構(gòu)主要整體指標Tab.2 Main Overall Indicators of Structure

圖5 地震及風載下（X向）最大層間位移角曲線Fig.5 Maximum Interlayer Displacement Angle Curve under Earthquake and Wind Load（X-direction）

圖6 地震及風載下（X向）層剪力曲線Fig.6 Shear Curve of the（X-direction）Floor under Earthquake and Wind Load

⑵彈性時程分析，選用5組實際記錄波+2組人工模擬波進行分析，主方向地震波加速度峰值取35 cm/s2。結(jié)果滿足文獻［2］第4.3.5-1 條要求，前三階周期范圍內(nèi)地震波加速度平均反應譜與規(guī)范反應譜相差不大于20%，如圖7所示。

圖7 小震各地震波反應譜平均值與規(guī)范反應譜曲線對比Fig.7 Comparison between the Average Value of Seismic Wave Response Spectrum and the Standard Response Spectrum Curve for Small Earthquakes in Different Regions

3.2 罕遇地震下動力彈塑性時程分析

3.2.1 前處理參數(shù)［11］

采用SAUSAGE 程序，基于顯式積分的動力彈塑性分析方法，鋼材采用雙線性動力硬化模型，混凝土采用彈塑性損傷模型，可考慮材料拉壓強度的差異，剛度強度的退化和拉壓循環(huán)的剛度恢復，其軸心抗壓和軸心抗拉強度標準值按文獻［11］表4.1.3 采用。構(gòu)件模型，梁采用一維桿件纖維束模型Timoshenko 梁，可以考慮剪切變形剛度；剪力墻及樓板采用彈塑性殼單元。彈塑性分析中的配筋數(shù)據(jù)主要按小震彈性計算結(jié)果。SAUSAGE 中結(jié)構(gòu)阻尼采用擬模態(tài)阻尼體系。選用人工波TH038TG055，天然波TH120TG045、天然波RH1TG065，地震波主方向峰值220 cm/s2，次方向峰值187 cm/s2，持續(xù)時間截取30 s。

3.2.2 抗震性能評價標準

文獻［2］將結(jié)構(gòu)抗震性能分為1～5 五個水準，相應構(gòu)件損壞程度分為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴重損壞”五個級別，具體如表3所示。

表3 計算結(jié)果與文獻［2］構(gòu)件損壞程度的對應關(guān)系Tab.3 Corresponding Relationship between the Calculation Results and the Degree of Damage to Literature［2］Components

3.2.3 主要結(jié)果

⑴結(jié)構(gòu)主要計算結(jié)果。彈塑性計算整體指標的綜合評價如下：①考慮重力二階效應及大變形，在各組地震波作用下，結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角：X向為1/182，Y向為1/171，均小于文獻［2］限值1/125［3］，且均集中于塔樓中部樓層（20～30層），表明罕遇地震下結(jié)構(gòu)剛度未完全退化，仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設防要求；②大震下框筒結(jié)構(gòu)的剪力主要由核心筒承擔。主要結(jié)果如表4所示。

表4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果匯總Tab.4 Summary of Overall Calculation Results of Structures under Rare Earthquakes

⑵構(gòu)件的損傷情況。

罕遇地震下，塔樓上部（含斜柱層）框架柱混凝土出現(xiàn)程度不同的受拉損傷，中下部柱基本完好，未見明顯的混凝土受壓損傷及鋼筋塑性應變，屬輕微損傷。

剪力墻在罕遇地震作用下：結(jié)構(gòu)X、Y向筒體開洞形成連梁，連梁作為耗能構(gòu)件，連梁產(chǎn)生較嚴重的拉、壓損傷；剪力墻墻肢受拉損傷集中于底部區(qū)，其中受壓損傷較為輕微，墻肢較為完整。

綜上所述，結(jié)構(gòu)各性能水準如圖8所示，各層連梁損傷較大，框架柱損傷區(qū)為上部區(qū)域，以拉傷為主，筒體墻肢在中部及底部主要發(fā)生輕微損傷，其余完好，結(jié)構(gòu)滿足大震不倒性能要求；為保證高強混凝土的延性、防止混凝土開裂，C70、C80 混凝土墻的墻身縱筋構(gòu)造配筋率提高至0.8%，其余底部加強區(qū)剪力墻豎向分布鋼筋配筋率提高至0.4%。

圖8 結(jié)構(gòu)性能水平分布Fig.8 Horizontal Distribution of Structural Performance

3.3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.3.1 疊合柱設計

疊合柱截面尺寸如表5所示，在小震作用下，分別計算疊合柱鋼管外混凝土、鋼管內(nèi)混凝土軸壓比；計算結(jié)果表明，疊合柱管外混凝土最大軸壓比為0.55，管內(nèi)混凝土最大軸壓比為0.63，均小于0.9，滿足文獻［2］要求。

表5 疊合柱截面尺寸Tab.5 Cross section Dimensions of Laminated Columns

在中震作用下，疊合柱均滿足抗剪彈性，抗彎不屈服的性能目標。以DHZ1（中柱）、DHZ2（角柱）為例，中震作用下，PMM 曲線計算結(jié)果表明，如圖9、圖10所示，疊合柱壓彎承載力滿足彈性要求。

圖9 DHZ1疊合柱PMM曲線Fig.9 PMM curve of DHZ1 Laminated Column

圖10 DHZ2疊合柱PMM曲線Fig.10 PMM Curve of DHZ2 Laminated Column

疊合柱節(jié)點如圖11所示，梁中部縱筋穿過鋼管滿足錨固長度。當梁較寬時，梁角部縱筋斜向錨固，并且增加梁高范圍內(nèi)的鋼管厚度，減少開孔造成的截面削弱。疊合柱與鋼筋混凝土柱之間設置1～2 層過渡層，過渡層可采用鋼管壁減薄的疊合柱或在截面中部附加芯柱的鋼筋混凝土柱。適當增強疊合柱箍筋，已達到鋼管與外混凝土共同工作目的［12-13］。

圖11 疊合柱鋼管開孔做法大樣Fig.11 Detailed of Steel Pipe Opening Method for Composite Columns （mm）

3.3.2 斜柱分析

塔樓頂部42～44 層因建筑效果層層退臺形成山型造型，結(jié)構(gòu)上采用斜柱實現(xiàn)柱內(nèi)移（柱中心內(nèi)移約3 050 mm），如圖12所示；斜柱軸力的水平分量主要由梁分擔，與斜柱相連梁與核心筒連接，以使斜柱產(chǎn)生的拉力直接傳遞至核心筒；計算結(jié)果表明，與斜柱相連的梁軸拉力約20～260 kN，樓板拉應力約為1～2 MPa；為滿足斜柱受力要求，梁按拉彎構(gòu)件設計，樓板按配筋率0.2%雙層雙向拉通［14］。

圖12 斜柱三維示意圖Fig.12 3D Schematic Diagram of Inclined Column

4 結(jié)論

基于某超高層建筑結(jié)構(gòu)分析，本文得出主要以下結(jié)論：

（1）本項目進行小震常規(guī)分析、大震動力彈塑性時程分析，主體結(jié)構(gòu)達到所設定的C 級抗震性能目標；為保證高強混凝土的延性、防止混凝土開裂，C70、C80 混凝土墻的墻身縱筋構(gòu)造配筋率提高至0.8%，其余底部加強區(qū)剪力墻豎向分布鋼筋配筋率提高至0.4%，以滿足罕遇地震下，筒體抗震性能要求。

⑵通過風洞試驗，給出本項目更準確風壓值，避免文獻［1］風計算結(jié)果與實際情況偏差較大的問題，保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下，節(jié)約工程造價。

⑶對于本項目關(guān)鍵構(gòu)件分析，從PMM 曲線分析結(jié)果表明，疊合柱可滿足壓彎承載力，給出了疊合柱的梁柱節(jié)點做法大樣及加強措施要求；對于上部區(qū)域斜柱傳力路徑分析，斜柱軸力水平分量主要由每層梁承擔，并將水平力傳至核心筒，通過加強相關(guān)梁板配筋，以滿足斜柱傳力要求。