重庆冉家坝广场3号楼结构设计Structural design for No.3 Building of Ranjaba Plaza in Chongqing

文　兵，张　权，曾　铭（重庆卓创国际工程设计有限公司，重庆401120）

重庆冉家坝广场3号楼结构设计
Structural design for No.3 Building of Ranjaba Plaza in Chongqing

文兵，张权，曾铭
（重庆卓创国际工程设计有限公司，重庆401120）

重庆冉家坝广场3号楼主体结构屋顶高度193.0m，是B级高度的超限高层建筑。建筑结构为钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，外围框架柱下部采用型钢混凝土柱。该工程采用两种程序对结构进行了小震和中震作用下的反应谱弹性分析，并进行了弹性动力时程补充分析。同时，通过对结构进行大震作用下的静力弹塑性分析，证明了该工程结构具有良好的抗震性能，结构安全可靠。

超限高层建筑；框架-核心筒结构；局部支撑；型钢混凝土柱；有限刚度均匀设置

1　工程概况

冉家坝广场位于重庆渝北区龙溪街道冉家坝地块，龙山景观大道北尽端，新南路南侧。该工程塔楼地上40层，地下2层，结构嵌固端为地下二层地面，主体结构高度为193.0m（从嵌固端标高-9.30m起算），标准层层高4.50m，出屋面构架高13.50m，总计算高度206.50m。

结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。建筑抗震设防类别在裙房屋顶以下为乙类，以上为丙类。重庆地区抗震设防烈度为6度（乙类建筑按7度的要求加强其抗震措施），设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s。基本风压0.40kN/m2（50年重现期），承载力设计时按基本风压的1.1倍采用，并考虑横风向风振的影响，地面粗糙度为C类。地基基础设计等级为甲级。

2　主体结构设计

2.1结构体系

塔楼主体结构采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构体系（如图1），其中核心筒作为主要的抗侧力结构。

塔楼建筑平面形状为矩形，最大高宽比5.4（X向），标准层结构平面见图2。核心筒平面形状为矩形，尺寸为12.2×16.4m，最大高宽比15.8（X向）。核心筒底部外墙厚600mm，随高度增加顶部减少为300mm；筒内墙底部厚200～400mm，顶部减小为200～300mm。为使两个方向动力特性接近，在X向均匀设置了多道剪力墙，并适当增大了Y向墙体的开洞尺寸。

图1　冉家坝广场建筑效果图

图2　标准层平面图

外围框架柱在五层楼面标高以下部分采用型钢混凝土柱，截面尺寸为1400×1400mm，配筋率1%，含钢率4.6%。型钢混凝土柱可有效减小底部柱截面尺寸，并增加框架柱的强度及延性，改善其抗震性能。五层以上采用普通钢筋混凝土柱。

由于核心筒高宽比较大，为增加主体结构的整体抗侧刚度，同时为减小刚度突变和内力剧增，避免在加强层附近形成结构薄弱层，确保整体结构在罕遇地震下的延性屈服机制，工程采取了对结构有限刚度［1］均匀加强的方式。在第三层和两个避难层分别设置伸臂桁架和角部桁架，以减小结构在水平力作用下的侧移，同时减小外框架柱间的剪力滞后效应，协调相关竖向构件的变形，减小竖向变形差，使竖向构件受力均匀。局部桁架式加强层，在增加结构抗侧刚度的同时，最大可能地减小了构架内力不均匀分布的程度。

根据建筑设计要求，第三层为银行、办公区大堂，要求其上方为上空设计，因此第四层楼板开洞率达40.3%，约一半平面形成9.60m的结构层高。为增加本层抗侧刚度，在角部设置桁架，并沿X向在3-D轴设置伸臂桁架，见图3。施工时，在伸臂桁架中部设置后浇带，当主体结构施工完成后再行浇筑，以减少由于外框柱与混凝土筒体竖向变形差异引起的桁架杆件附加应力。在两个建筑避难层，结合建筑要求，设置角部桁架，见图4。

图3　三、四层桁架布置图

图4　避难层一、二（15F、28F）桁架布置图

由于伸臂及角部桁架的设置，不可避免地形成竖向刚度突变。为此，对相关层竖向构件、楼板进行加强处理。竖向构件按中震弹性设计，楼板按地震力计算结果及构造要求进行加厚处理，同时配筋予以加强。

2.2结构超限情况及抗震设计性能目标

根据抗规、高规及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定，工程主体结构高度超过了抗规钢筋混凝土框架-核心筒结构最大适用高度，为高规规定的B级高度高层建筑。

其他不规则情况有以下三点：（1）五层以下在考虑质量偶然偏心的水平地震作用时，楼层的最大位移比大于1.2，属于扭转不规则；（2）第四层楼板开洞面积大于楼层面积30%，为楼板局部不连续；（3）在3-4、15、28层设置加强层，为竖向抗侧力构件不连续。

为满足结构抗震设计三水准要求，该项目进行了两阶段的抗震设计并采取了相应的抗震措施。根据建筑结构抗震性能设计的要求，经综合考虑各种因素，确定采用C等级的结构抗震性能目标，其抗震性能水准如表1所示。

表1　结构的抗震性能目标

3　结构分析

3.1小震振形分解反应谱分析

工程采用SATWE及ETABS程序对结构进行小震下的反应谱弹性分析。分析时，考虑了扭转偶联振动、双向地震作用以及单向地震作用下偶然偏心的影响。为使整体质量参与系数大于90%的规范要求，共计算了21个振形，采用CQC法进行振形组合，计算结果见表2。

表2　小震下主要计算结果

结构前三阶振型分别为X向平动、Y向平动及扭转，两个程序计算的自振周期基本一致，周期比满足规范要求，整体抗扭刚度足够。位移角满足规范限值，但在偶然偏心地震作用下，Y向最大扭转位移比超过规范1.2的限值，属于扭转不规则平面。大部分楼层的剪重比均满足规范要求，仅底部局部楼层剪重比不满足要求，施工图设计时，通过放大地震力1.25倍的方式，实现剪重比达到0.006。结构刚重比大于限值1.4，小于2.7，能够通过结构整体稳定验算，但应考虑重力二阶效应。

通过对结构位移角、剪力、倾覆力矩等指标的分析，可见工程的风荷载作用是结构的控制因素，小震不起控制作用。重庆地区10年一遇的基本风压为0.25kN/m2，以此计算出的结构顶点横风向振动最大加速度为0.187m/s2，小于规范限值0.25m/ s2，满足结构舒适度要求。

从反应谱分析结果来看，各参数结果合理，结构具有合适的刚度，满足各种工况下的计算要求。SATWE与ETABS计算的结果基本一致，从力学概念和工程经验等方面进行分析判断，可以确认其合理性和可靠性。

3.2大震静力弹塑性分析

推覆分析是一个简化、实用的分析工具，其基本假定是结构地震反应仅受一个振型控制，推覆力分布模态始终保持不变，并且多自由度系统与等效单自由度系统之间的关系也始终如一。因此，推覆分析本身的不确定性主要来自于基本假定带来的高振型影响、推覆力分布模态及等效单自由度系统替代带来的模型不确定性。为考虑高振型的影响，工程应用SRSS原理，对顶点位移和底部剪力进行修正，位移和剪力修正系数分别取1.2和1.25。对推覆力分布，则采用倒三角形等多种加载模态进行比较分析。为应对分析模型的不确定性，工程采取了小震性能控制点校准法进行修正，确保结构在弹性阶段推覆分析与振型分解反应谱分析结果一致，以增加非线性分析结果的可信度。

工程采用中国建筑科学研究院编制的静力弹塑性分析程序PUSH进行静力推覆分析。经试算比较，侧推荷载采用符合地震力层间分布的倒三角形加载方式。由于工程结构平面简单，在两个主轴方向的动力特性大致相当，因此仅从X、Y两个主轴方向进行推覆分析。

从罕遇地震作用下结构能力－需求谱曲线图（图5、图6）中可见，结构在X、Y方向的能力谱曲线均穿越罕遇地震需求谱曲线，表明结构设计的抗震性能达到了罕遇地震的性能要求。性能点处X向大震下最大弹塑性层间位移角为1/270，Y向大震下最大弹塑性层间位移角为1/305，均小于1/111的结构抗震性能目标限值。

图5　 X向罕遇地震作用下结构能力－需求谱曲线

图6　 Y向罕遇地震作用下结构能力－需求谱曲线

从两个方向的推覆结果来看。推覆达到性能点时，底部墙肢出现受拉裂缝多于上部墙肢，筒体连梁出铰楼层也主要出现在中下部（22层及以下），墙肢裂缝主要集中在小隔墙上，而核心筒外圈等主要墙肢裂缝不多。上述结果可以说明，结构在大震下虽然局部墙体出现开裂，但能够达到大震不屈服的目标。复核底部墙体的实际配筋，也比程序默认的构造配筋要大，已经进一步予以加强。在两个方向的推覆作用下，框架柱始终未出现塑性铰，表明其在罕遇地震作用下具有较大的安全储备。

4　抗震加强措施

通过对弹性、弹塑性计算结果的分析，结合概念设计的方法，工程采取以下措施保证结构的安全性、合理性及经济性。

（1）核心筒角部沿建筑物全高设置约束边缘构件，并提高约束边缘构件配筋率。提高墙体分布钢筋配筋率，以增加墙体延性，并减小混凝土的徐变及收缩变形。底部加强部位框架柱内设置型钢，增加配筋率，箍筋间距不超过100mm，增强框架柱抗剪能力。

（2）严格控制框架柱和底部加强区核心筒墙体的轴压比。除个别小墙肢外墙轴压比不大于0.5，柱轴压比不大于0.75。

（3）底部加强区、加强层及相邻层的核心筒剪力墙和塔楼框架柱抗震等级提高一级，其承载力按6度中震弹性设计控制，从而保证关键部位达到大震不屈服的要求。

（4）在内筒外圈墙体楼面标高处设置暗梁，对筒体整体性进行加强。

（5）加强层及其相邻层楼板分别加厚到150mm、120mm，双层双向通长配筋，配筋率不小于0.25%。加强层框架梁考虑轴向拉力，设计时加强通长钢筋的配置。

5　结语

超高层框架－核心筒结构中，为提高结构整体刚度，控制结构位移，设置加强层是一个有效的技术措施。但是加强层的设置，将会引起结构刚度突变，从而在地震作用下出现应力集中，并易形成薄弱层。因此，从抗震概念设计上应采取“有限刚度均匀设置”的加强原则，即应强调尽量减少单个加强层的刚度，而沿结构高度多设加强层的结构加强方式。这一方式有利于减少结构刚度突变和应力集中，避免在加强层附近形成薄弱层，从而有利于结构在罕遇地震作用下实现延性屈服机制，保障结构的安全。

工程按照“有限刚度均匀设置”这一加强概念，结合建筑实际情况，采用了伸臂桁架与局部桁架结合的加强方式，既增加了结构整体刚度，又最大程度地减小了结构刚度突变。通过采用ETABS及PKPM系列软件进行的分析表明，结构在小震及大震作用的情况下，均满足相应性能水准的要求。概念设计与计算分析的结合，确保了工程结构方案的合理有效性，确保了整体结构的安全性。该工程的设计通过了重庆市超限高层抗震设防专项审查。

［1］傅学怡.实用高层建筑结构设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010：598.

责任编辑：孙苏，李红

The body structureheightof No.3 building ofRanjaba Plaza in Chongqing isup to 193.0m,so it isa high-rise building of Level B.The building structure is concrete frame-core tube system w ith steel reinforced concrete columns at the bottom of peripheral frame columns.Two programs are adopted to carry out response spectrum calculation under frequentearthquake and intermediate earthquake,and elastic dynamic time-history analysis on integral structure is conducted.Furthermore,pushover analysis results under rare earthquake show that the seism ic performance of the structure is sound and the structure issafeand reliable.

out-of-codehigh-risebuilding;frame-core tubestructure;localsupport;steel reinforced concrete column;limited rigidity uniform set

TU37

A

1671-9107（2016）10-0019-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2016.10.019

2016-06-29

文兵（1974-），男，四川射洪人，研究生，高级工程师，一级注册结构工程师，主要从事建筑结构设计及技术管理工作。