福建海峡银行办公大楼结构超限设计

翁锦华　庄晨

(福州市建筑设计院　福建福州　350011)



福建海峡银行办公大楼结构超限设计

翁锦华庄晨

(福州市建筑设计院福建福州350011)

分析介绍了福建海峡银行办公大楼结构设计特点及结构体系，超限类型及核心筒剪力墙、跃层柱抗震性能目标，超限设计时多遇地震下多个计算程序核对及弹性动力时程分析、设防地震下关键结构构件的性能目标计算、罕遇地震下的推覆计算，以及结构设计采用的空心楼板、型钢混凝土柱、预应力梁等。

结构超限设计；抗震性能目标；空心楼板；型钢混凝土柱

1　工程概况

本工程为商业办公楼，总建筑面积65 974m2。地上26层，一层至五层为裙房，六层至二十六层为办公楼, 总建筑高度约115m，地下设二层地下室,建筑功能为停车及相关设备配套用房，地下室为全埋式，埋深约11.5m，人防单元设在地下二层；裙房与塔楼之间不设缝(图1)。

2　设计参数

本工程建筑设计使用年限50年，建筑结构安全等级二级，地基基础设计等级甲级，建筑抗震设防标准为丙类；框架-核心筒结构中，剪力墙的抗震等级二级，框架的抗震等级为二级，地下一层结构抗震等级为二级，地下二层抗震等级为三级；人防抗力级别为常六级、核六级；地下室防水等级为一级；建筑防火分类等级为一类，耐火等级为一级。

根据《福建海峡银行办公大楼工程场地地震安全性评价报告》，工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组；场地类别Ⅲ类考虑，结构阻尼比5%。反应谱特征周期0.55s，多遇水平地震影响系数最大值0.086(规范值为0.08)。

根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006年版)，工程基本风压按50年重现期0.70kN/m2采用,承载力设计时基本风压取值为0.77kN/m2，地面粗糙度为B类，风载体型系数1.3。

3　结构体系

本工程高度115m，采用框架-核心筒结构体系(图2)，主楼框架-核心筒的框架柱下部采用型钢混凝土柱，本工程地面以上部分柱最大截面1 200mm×1 200mm，最小800mm×800mm；裙房采用普通钢筋混凝土柱，地面以上部分最大截面600mm×800mm。主楼地面以上部分核心筒最外圈的剪力墙厚度为600mm，裙房端部开间地面以上部分剪力墙厚度为300mm；结构大部分均为普通钢筋混凝土梁，主要梁截面300mm×800mm、500mm×800mm，局部跨度>10.0m及主楼框架-核心筒部分的外圈框架梁截面500mm×1 000mm，次梁截面300mm×600mm；裙房报告厅厅部分因功能需要出现17.5m跨度，该部分梁采用预应力混凝土梁，主楼悬挑跨度>4.0m的挑梁采用预应力混凝土梁。

4　超限类型及抗震性能目标

本工程存在以下几方面的不规则情况：由于裙房与塔楼之间不设缝，出现塔楼偏置，单塔与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%；另外，经结构计算表明，结构扭转不规则，Y向局部楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2、小于1.40；此外，楼板不连续，二层至四层开洞宽度大于有效宽度的50%，尺寸突变，裙房以上缩进大于25%，裙房一层至四层局部有穿层柱出现。故本工程为超限高程建筑。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[1](JGJ3-2010)3.11.1条，本工程对关键部位结构构件进行性能设计，在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准详见表1。

表1　关键构件抗震性能水准表

5　超限设计主要措施、分析方法

为了确保超限设计抗震性能目标的实现，本结构采用以下主要措施及分析方法。

5.1计算程序

根据规范要求，为保证力学分析的可靠性，采用MIDAS BUILDING (2011)及PKPM的SATWE两个软件进行多遇地震下的静力计算分析(多遇地震作用下地震反应谱参数根据《地震安全性评价报告》输入)，并验证结构各部位在多遇地震作用下的性能目标。MIDAS及SATWE均为三维空间分析软件，采用壳单元模拟剪力墙，膜单元模拟楼板，适合于结构体型复杂的工程，两个软件的力学模型能够很好模拟本工程的实际情况。

比较两个程序多遇地震下的静力计算结果，取得基本一致后，进一步采用SATWE软件进行设防地震的计算分析,采用MIDAS BUILDING软件进行静力弹塑性计算分析。

5.2裙房与塔楼不设缝处理

由于建筑需要，裙房与塔楼之间不设缝，因此塔楼与大底盘之间质心间距超出底盘尺寸的20%，且整体结构的扭转位移比超过1.20，结构采取了以下几个措施保证结构的抗震性能：裙房端部开间楼梯间位置设置剪力墙，以减少扭转位移比；裙房屋面层楼板厚度适当增加；裙房屋面层上下各一层均采用抗震构造措施加强；采用塔楼带裙房和不带裙房两种模型的多遇地震的计算，复核各结构构件的配筋，保证结构在裙房破坏的情况下仍能正常使用。

5.3楼板大开洞问题的解决

本结构在二层至四层由于建筑功能需要，楼板开洞面积较大，为考虑开洞对结构的影响，在计算中采用弹性板进行计算，同时通过增加相邻层及本层洞边的楼板厚度，并双层双向配筋减少开洞对整体抗震性能的削弱。

5.4关键构件性能设计要求

由于楼板开洞，结构局部在地面至四层楼面之间出现跃层柱，在计算中对该部分柱人工定义柱的计算长度，采取中震弹性的性能设计，保证其在设防地震下仍为弹性；核心筒剪力墙底部加强区按中震不屈服复核。

5.5计算分析输入

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[1](JGJ3-2010)4.3.4条规定，本结构采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，结合本场地实际情况及结构的特点，选用两条天然波(T632，T633)及一条人工波(R631)(三条波均由《地震安全性评价报告》提出，且选取的地震波均需满足规范要求)，输入SATWE进行多遇地震下的弹性动力时程分析，按照安评报告取场地地面最大加速度为37cm/s2。计算结果取时程分析法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

采用SATWE 进行设防地震作用下的结构承载力复核，并验证结构各部位在设防地震下的性能目标，设防地震作用下地震反应谱参数根据《高层建筑混凝土结构技术规程》输入。

进行结构在罕遇地震下的推覆计算，罕遇地震作用下地震反应谱参数根据《高层建筑混凝土结构技术规程》输入。

5.6抗震构造措施

核心筒底部加强区剪力墙水平和竖向分布钢筋的配筋率不小于0.30%；底部加强区以上部位剪力墙轴压比大于0.3时，设置约束边缘构件。

6　多遇地震作用下的结构计算

6.1结构整体计算结果

地震影响系数最大值采用安评报告提供的数值αmax=0.086，Tg=0.55s，计算结果见表2。

表2　多遇地震结构整体计算结果

6.2楼层地震剪力的分配

规定水平力下底层各剪力墙承担的地震剪力及框架承担的地震剪力见表3。

表3　框架和剪力墙承担剪力、倾覆力矩情况

剪力墙承担的地震剪力约占楼层总剪力的80%～85%左右。框架承担的地震剪力占楼层总剪力大于10%。根据《高规》[1]9.1.11条，取结构底部总剪力的20%和框架部分地震剪力最大值的1.5倍二者的较小值对框架部分承担的地震剪力进行调整。

6.3竖向构件验算

结构一层柱最大轴压比为0.85，剪力墙最大轴压比为0.45，计算结果表明，在多遇地震作用下，框架柱、剪力墙均能保持弹性状态。

本工程还对去掉裙房后的塔楼部分进行多遇地震下的计算，复核这种情况下的结构构件配筋，保证结构在裙房破坏的情况下，主体塔楼仍能正常使用。

6.4弹性时程分析

工程按照安评报告，选取两条天然波(T632，T634)和一条人工波(R631)，取场地地面最大加速度为37cm/s2，输入SATWE进行多遇地震下的弹性动力时程分析，得出以下结论：

(1)在地震力作用下，结构的最大层间位移角为1/1 826(X向，15层)、1/1 319(Y向，15层),均满足规范的要求；

(2)各时程工况底部总剪力见表4，从表中可见每条地震波底部剪力均不小于CQC法结果的65%，平均底部剪力均不小于CQC法结果的80%，说明地震波选择可行。

表4　各时程工况底部总剪力　kN

工程时程分析补充计算结果满足规范的各项要求，且时程结果总体上小于规范反应谱结果，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]4.3.5条，取时程法计算结果的包络值和反应谱法计算结果的较大值作为结构设计的依据。

6.5多遇地震分析小结

通过多遇地震下的计算，结果表明：

(1)两个计算程序结果基本一致，表明计算模型能很好的模拟工程的实际情况；

(2)结构的整体稳定性验算及重力二阶效应均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]5.4的规定;

(3)大多数楼层的水平地震剪力满足《高层建筑混凝土结构技术规程 》[1]4.3.12 条规定，不满足部分已作调整;

(4)风荷载及地震作用下的楼层层间位移满足规范有关的规定限值；

(5)风荷载及地震作用下各构件强度均满足规范有关的设计规定；

(6)剪力墙、柱的轴压比满足规范有关的规定限值；

(7)结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的第一周期T1之比小于0.85，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]4.3.5条规定；

(8)结构扭转规则性验算显示扭转比小于1.4，满足《建筑抗震设计规范》[2]及《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]的规定。

总体而言，结构在风及多遇地震作用下，能保持良好的抗侧性能和抗扭性能，主要指标均满足抗震设计第一阶段的结构性能目标要求。

7　设防地震作用下的结构承载力复核

7.1本工程在设防地震作用下结构的抗震性能目标(表1)

设防地震作用下的地震计算参数按规范取值，地震影响系数最大值αmax=0.23，场地特征周期Tg=0.55s。

7.2计算条件及假定

7.2.1核心筒中震不屈服，在结构分析程序进行设防地震作用下结构承载力计算时，采用如下计算条件：

(1)地震影响系数最大值取规范提供的0.23；

(2)荷载分项系数取1.0，保留组合系数；

(3)结构计算不考虑构件抗震等级；

(4)材料强度取标准值；

(5)风荷载不参与计算。

计算结果核心筒剪力墙的配筋均未出现超筋，核心筒底层剪力墙的最大轴压比为0.44。

7.2.2跃层柱中震弹性，在结构分析程序进行设防地震作用下结构承载力计算时，采用如下计算条件：

(1)地震影响系数最大值取规范提供的0.23；

(2)荷载分项系数按规范取值；

(3)结构计算不考虑构件抗震等级；

(4)材料强度取设计值；

(5)风荷载不参与计算。

计算结果中震弹性时跃层柱最大轴压比为0.78。

7.3从中震计算的配筋及轴压比结果可以看出

(1)核心筒墙体在底部6层所需配筋增加较多，但抗弯和抗剪均不屈服，也都满足最小抗剪截面要求；七层以上核心筒墙体均为构造配筋，剪力墙不屈服，可以满足预定抗震性能目标；

(2)底部加强区核心筒墙体按中震不屈服分析底部不出现受拉区；

(3)局部跃层混凝土柱均未发生弯曲和剪切破坏，满足中震弹性要求。

因此本工程可以实现设防地震下关键结构构件的性能目标。

8　罕遇地震下的推覆计算及结论

为确保结构的安全性，实现“大震不倒”的抗震目标，工程还补充进行了罕遇地震下的弹塑性变形验算。计算采用的软件为MIDAS BUILDING，罕遇地震作用下的地震计算参数按规范取值，地震影响系数最大值αmax=0.50，场地特征周期Tg=0.55s，计算采用静力弹塑性计算方法，得到X、Y向静力弹塑性工况下罕遇地震下的能力谱和需求谱曲线，罕遇地震下的结构层间弹塑性位移角X向最大为1/267，在结构14层，Y向最大为1/261，在结构11层，最大层间弹塑性位移角结果均小于规范规定的1/100的要求；结构在罕遇地震下的变形可以实现“大震不倒”的抗震设防目标。

9　结构设计特点

9.1空心楼板的应用

本结构采用梁板结构体系，由于上部结构楼板开间及进深较大，通过多方比较及与甲方沟通，上部标准层大板(进深10.5m)采用蜂巢芯空心板，其中250mm厚蜂巢芯板等效厚度相当于138.8mm，使用了16 585m2，300mm厚蜂巢芯板等效厚度相当于156.4mm，使用了4 481m2，裙房由于大开洞未采用空心板，屋面不采用空心板；地面层未采用空心板以避免裂缝产生的不利影响，地下二层顶板采用竹芯空心板，其中人防区域采用320mm厚竹芯空心板，板顶厚度100mm，等效厚度相当于216mm满足人防要求，非人防区域采用270mm厚竹芯空心板等效厚度相当于166mm，竹芯空心板共使用了5 584m2。

空心楼板实质是密肋梁设计，本工程采用空心楼板设计，结构总重减少约76 740kN，可减少本工程直径1 200mm冲孔灌注桩约13根，以本工程冲孔灌注桩桩长50m计算，按定额节约桩基造价近百万元，另外，重量减轻，地震作用减小，主梁、柱断面、配筋也更为经济；缺点是板造价增加、浇捣混凝土施工时须注意抗浮固定。

空心楼板的适用范围为荷载大、大板、层高有要求等情况；计算板配筋时，采用实际厚度，计算主梁、柱及基础时，采用等效板厚，其经济性才能得以体现。

9.2型钢混凝土柱的应用

框架-核心筒结构中，框架的抗震等级为二级，柱轴压比要求小于0.85，本工程采用型钢混凝土柱，根据《型钢混凝土组合结构技术规程》[3](JGJ138-2001)，柱轴压比要求小于0.80，但公式变为N/(fc*Ac+fa*Aa)；采用普通钢筋混凝土柱时，断面要1 500mm×1 500mm，改用型钢混凝土柱，断面最大只要1 200mm×1 200mm，对建筑的空间利用及效果十分有利。工程型钢混凝土柱只用到11层(计算至第十层)，型钢柱与梁连接采用钢牛腿，主梁钢筋每排控制6根，中间2根焊在钢牛腿上，边上2+2根穿过钢柱，所穿钢筋孔洞均为工厂预留，不在工地现场切割，设计时牛腿的标高须注意与焊接钢筋相吻合。

9.3预应力混凝土悬挑梁及预应力大跨度梁

预应力梁设计主要是为了减小断面、控制裂缝、挠度，保证建筑净高使用，工程裙房报告厅部分因功能需要出现17.5m跨度，采用预应力混凝土梁，该部分预应力梁设计时，因刚度要求，其下柱断面平面内尺寸较大，设计时须注意其对裙房报告厅平面的影响；本工程主楼上部多层平面局部挑梁跨度达6m，工程对跨度>4.0m的挑梁均采用预应力混凝土梁，考虑竖向地震作用；由于本工程十一层以下采用型钢混凝土柱，与型钢混凝土柱相交的预应力混凝土挑梁采用双梁布置，以避开型钢混凝土柱中的型钢，更好地传递弯矩。

9.4外墙内斜与外斜的处理

本工程立面造型特殊，外部墙面为翘曲型，许多外墙向外倾斜以及向内倾斜，向外倾斜最大7.37°，4.5m单层层高内就倾斜540mm左右，设计有以下3种处理方式：

(1)砌斜砖墙，但斜度太大的有安全隐患。

(2)采用现浇钢筋混凝土板120mm～150mm，满足建筑要求，防水好，但自重大、难施工，且影响结构的刚度。

(3)采用预制复合轻质水泥纤维墙板，自重轻， 密度1kN/m2～2kN/m2左右，预制复合轻质水泥纤维墙板抗冲击、抗压、抗弯、隔声、耐火、传热均能满足设计要求，缺点是造价略高，施工时须注意接缝处防水问题、裂缝问题的处理以杜绝后患。

本工程大量斜墙部分斜度较小的采用砌斜砖墙，其余最后采用了预制复合轻质水泥纤维墙板，加快了施工进度。

9.5金库设计

根据《银行业务库安全防范要求》[4](GA858-2010)要求，库房的墙、顶板、底板应为六面钢筋混凝土整体现浇结构，库房墙体宜选用C50以上的商品混凝土， 墙体厚度应大于等于240mm。若将金库墙与主体结构连接，输入主体结构中计算，由于刚度的突变，上下层梁柱剪力墙多处会出现计算异常，本工程在金库设计时，将金库墙与主体结构柱墙脱离、与上一层梁板不连接，金库底板利用主体结构楼板、金库顶板单独设置，不利用主体结构顶板，将墙体当作荷载输入，避免了计算异常，满足了结构设计及金库设计的要求。

10　结论

超限高层福建海峡银行办公大楼结构设计采用框架-核心筒结构体系，结构大量使用了空心楼板、型钢混凝土柱、预应力混凝土梁，通过对结构的性能化设计，证明结构在风及多遇地震作用下，能保持良好的抗侧性能和抗扭性能；在设防地震下局部关键结构构件的性能目标能满足中震弹性要求、中震不屈服要求；结构在罕遇地震下的变形能满足 “大震不倒”的抗震设防目标。

[1]JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]JGJ138-2001 型钢混凝土组合结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4]GA858-2010银行业务库安全防范要求[S].北京：中国标准出版社，2010.

Structural Design Out-of-codes of Fujian Haixia Bank Office Tower

WENG JinhuaZHUANG Chen

(Fuzhou Architectural Design Institute, Fuzhou 350011)

This article introduce the structural design characteristics and structure system of Fujian Haixia Bank Office Tower ,it also discuss the out-of-codes type 、seismic performance objectives of the core shear walls and the cross-column、checking with multiple software and the elastic time processing analysis under frequent earthquake、performance-based seismic design of the key components、push-over analysis under rare earthquake. Besides, this article introduce the hollow floor、the steel reinforced concrete column and the prestressed concrete beam.

Structural design out-of-codes;Seismic performance objectives;Hollow floor;Steel reinforced concrete column

翁锦华(1966.08-)男，教授级高工。E-mail:1633166909@qq.com

2016-08-05

TU3

A

1004-6135(2016)09-0047-06