千亿商帆大楼超限结构分析

林 捷

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

千亿商帆大楼超限结构分析

林 捷

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

千亿商帆大楼犹如一艘行进中的锦帆商船，整体造型复杂，结构设计难度大，为大底盘单塔偏置的超限高层。文章重点研究了大底盘单塔偏置结构的地震响应特点，并对斜柱支撑体系的受力性能进行了分析，针对薄弱部位提出了相应的抗震加强措施，结构设计达到设定的性能目标。

塔楼偏置；性能设计；斜柱结构；楼板应力分析

1 工程概况

泉州是历史文化名城又是海上丝绸之路的起点,有着悠久的海洋文化和航海历史，结合泉州正发展成为一个港口城市，方案创作者希望能在泉州呈现一栋象征着海洋文化与历史底蕴的建筑物，因此该工程的整体造型取源于锦帆商船，以一层至四层裙房构筑船身、五层至十三层勾勒“锦帆”之意，以现代建筑材料和工艺使人留连忘返，给予泉州人民回味历史文化名城的自豪感，建筑的鸟瞰图(图1～图2)。

图1 鸟瞰图一

图2 鸟瞰图二

该工程地下三层平时为停车库，地下二层至地上四层为购物中心，五层至十一层为办公场所，南北朝向。由于地下二层至四层为大商业区，属于人员密集场所，根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50233-2008，裙房区域抗震设防类别为重点设防类，裙房以上为办公楼仍按标准设防类设计。抗震设防烈度为7度，地震作用按7度计算，裙楼区域按8度加强抗震措施，塔楼则仍按7度。结构总高度约为58m，裙房高度约为20m，结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，设计基本地震加速度值为0.15g，地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类。基本风压0.75kN/m2(50年一遇)，风载体型系数为1.35。基础采用墩基础，持力层为中风化花岗岩，有效地减小了主楼与裙房的差异沉降量。

2 结构分析

随着城市综合体项目的日益增多，裙房为大商业、塔楼为办公或酒店的建筑形式在城市中心越来越普遍。由于裙房和塔楼之间断缝会影响建筑的使用功能且容易产生渗水，目前通常采用不设缝的结构方案，但出现了塔楼偏置的情况，底盘面积较大，塔楼位于大底盘一侧，结构偏心严重，在平移震动的同时还伴随着强烈的扭转震动，对结构抗震很不利。为了减少结构偏心，可在裙房远离塔楼一侧布置适量剪力墙，同时适当降低塔楼结构刚度，使底盘的刚度分布相对均匀，质心与刚心尽量接近，以有效降低扭转效应，提高裙房结构的抗震性能。

该工程采用框架剪力墙结构体系，楼盖为现浇混凝土梁板结构，由于抗震设防类别的不同，裙房区域框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级；主楼区域框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级，裙房屋面收进部位的上、下各2层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级再提高一级。裙房的东南角为商场主入口，为整艘商船的“船头”造型，该位置采用斜柱支撑长悬臂梁结构，逐层加大出挑长度。主体结构的计算模型见图3，裙房结构平面图见图4。

图3 结构电算模型

图4 裙房结构平面图(围区示意上部塔楼)

3 结构抗震性能设计

该工程存在以下几个超限情况:

(1)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%的限值，达到23%。

(2)扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位移比达到了1.45，大于1.2的限值。

(3)裙房东南侧采用斜柱支撑长悬挑梁结构;上部塔楼东侧由于造型需要层层向内收进，边跨柱采用斜柱。

由于该工程裙房为人员密集型商业区且整体造型复杂，属于特别不规则的超限高层，结构设计难度大。基于上述情况，该工程采用性能设计方法进行深入的计算分析，加强结构的薄弱部位，确保结构能达到设定的抗震性能目标，经过业主方与超限审查专家组讨论，最终统一意见：确定该工程的结构抗震性能目标为C级。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010表3.11.1规定: C级性能目标要求结构在中震作用下满足第3抗震性能水准，在大震作用下满足第4抗震性能水准。结构各构件具体的性能目标见表1[1]。

表1 结构构件的性能目标

4 结构地震作用计算

经计算对比，该工程计算指标由地震作用控制。根据制定的性能目标，该工程分别进行了多遇地震、设防地震及罕遇地震的计算分析。

4.1 多遇地震计算分析

选用SATWE和MIDAS Building程序进行多遇地震下的弹性反应谱分析，结构计算指标见表2。

表2 结构计算指标

两种分析软件的计算结果在地震作用、结构位移及动力特性等方面均比较接近，表明计算模型能够较好地模拟结构的实际受力情况。在地震作用下主体结构的承载力与变形能力满足规范的要求；并根据高规要求进行了弹性时程的补充计算，经比较反应谱曲线能够包络住时程分析曲线，因此地震作用效应按反应谱法的计算结果。

4.2 设防地震计算分析

采用SATWE参数中的“中震弹性”及“中震不屈服”选项分别进行计算。目前程序采用振型分解法近似地按弹性理论进行计算，假定结构在中震作用下构件的刚度不发生退化，中震作用与小震作用下结构的周期值是相同的。具体中震的计算参数见表3。

表3 设防地震计算参数

该工程关键构件的中震弹性计算结果表明，底部加强区的剪力墙及斜柱的轴压比均小于规范限值，抗弯承载力满足弹性要求;普通竖向构件及耗能构件的中震不屈服验算的结果显示: 非底部加强区剪力墙未出现截面超限情况，满足抗弯不屈服、抗剪弹性的要求，除了局部楼层的连梁及框架梁出现抗剪超筋外，其余框架梁均未出现超筋或抗剪截面不足的情况。

4.3 结构在罕遇地震下的验算

通过对结构进行X、Y向的静力弹塑性Pushuover分析，得到大震下的最大层间位移角X向为1/154，Y向为1/143(图5)，均小于1/100规范限值。在推覆分析的过程中，塑性铰首先出现在结构的连梁及部分框架梁支座位置，剪力墙出现了少量的塑性铰，结构在大震作用下的破坏机制及弹塑性反应满足设计预期的损伤机制，符合概念设计的要求，结构具有足够的变形能力，整体结构能抵抗罕遇地震作用，满足“大震不倒”的抗震性能目标。

图5 大震作用下弹塑性层间位移角

5 塔楼偏置分析

《高层建筑混凝土结构技术规程》10.6章规定：“上部塔楼结构的综合质心与底盘结构质心的距离不宜大于底盘相应边长的 20%”。上部塔楼的层数多且总质量大，塔楼偏置对扭转效应影响很大，在地震作用下会产生强烈的扭转震动，扭转效应引起裙房屋面板的应力复杂且分布不均匀。在裙房屋面处同时存在两种抗震不利的因素:首先是竖向抗侧刚度突变引起的竖向不规则，其次为扭转不规则。大底盘对上部塔楼起到一定的约束作用，塔楼的振动在裙房屋面受到约束而产生了变形协调振动，上部塔楼传下来的水平力在裙房屋面通过面内刚度很大的楼板传递到裙房的竖向构件，并不完全由塔楼区域的竖向构件承担。塔楼与裙房相连的外围柱、剪力墙，从固定端至裙房屋面上一层的高度范围内，柱纵向钢筋的最小配筋率宜适当提高，剪力墙应设置约束边缘构件，柱箍筋宜在裙楼屋面上、下层的范围内全高加密[2]。

由于裙房屋面板受力复杂，为了避免裂缝过早出现而削弱楼板整体刚度。该工程采用MIDAS Buliding进行了多遇地震下楼板的详细应力分析，楼板采用壳单元进行模拟，经多种荷载组合对比，最终选定1.0恒载+0.5活载+1.3地震荷载工况为最不利工况，将本层楼板定义为弹性板，图6为水平地震作用下裙房屋面板的应力云图。

图6 裙房屋面楼板应力图

由图5可见，水平地震作用下塔楼与裙房交接处2跨区域内均出现较大的拉应力，损伤较为严重，反映了屋面板传递上部塔楼水平力的实际情况，最大拉应力达到2.05Mpa，略大于C30混凝土抗拉强度标准值2.0MPa，屋面板的转角位置及开洞周边出现应力集中的现象。设计时采用160mm厚楼板，按0.25%的配筋率设置双层双向通长筋，参考应力分析的结果，局部板面支座不足位置另附加短筋。

6 斜柱结构分析

该工程建筑体型复杂，采用斜柱结构体系实现了建筑立面沿高度的凸出或收进的造型需要，结构设计的难度加大，需要对斜柱构件、节点做法及相关范围梁板的受力性能做详细的分析，裙房东南侧“船头”斜柱立面图如图7。

图7 裙房“船头”斜柱立面图

从斜柱立面图可以看出此结构体系的不足之处在于斜柱、水平框架梁及竖向柱之间围合成三角形，从结构力学的角度看是几何不变体系，在地震作用时变形能力相对较差。斜柱的上下端节点处会产生较大水平压力和拉力，水平力通过梁与楼板传递，与斜柱连接部分的构件受力复杂，需采用合理的计算模型对其受力情况进行分析。在计算假定中将楼板设置为弹性膜，以考虑梁、板构件的轴向变形。通过计算

分析并结合抗震性能目标，该工程针对斜柱结构采取了以下的抗震加强措施：

(1)斜柱的抗震等级提高一级，柱箍筋加密；

(2)为了避免斜柱根部水平力过大对下层支承柱的不利影响，该工程在顶板以下对应斜柱位置设置了带端柱的剪力墙，保证底部嵌固端有足够的刚度；

(3)对于斜柱相连承受拉力的框架梁加强了梁纵筋和抗扭筋，纵筋采用机械连接，当梁轴力较大时还可加设型钢或预应力筋；对于承受压力的框架梁，适当增大梁的截面，箍筋全长加密；

(4)与斜柱相连区域的楼板厚度取150mm，楼板按0.30%配筋率双层双向拉通，以增强变形协调能力；

(5)外圈的弧梁加大刚度，箍筋加密，抗扭筋加大并封闭焊接，形成外圈抱箍的作用以约束斜柱[3]。

7 结语

该工程通过概念设计及性能化设计方法，使结构安全、合理且满足建筑的造型和功能需求，目前主体结构已封顶进入外墙装修阶段，现对本工程的结构设计做以下总结：

(1)裙房屋面层存在刚度突变，在裙房收进部位上下各2层的竖向构件是关键部位，构件抗震等级提高一级。从嵌固端至裙房屋面层上1层，剪力墙应设置约束边缘构件，适当降低交接处竖向构件的轴压比。

(2)大底盘单塔偏置结构可在裙房周边布置适量剪力墙，加大裙房及塔楼外围框架抗扭刚度，控制结构的扭转位移比值，减少扭转效应。

(3)应注意塔楼和裙房连接的变形协调问题，裙房屋面板的受力情况复杂，宜做楼板详细的应力分析，根据分析结果加强薄弱部位，保证楼板有足够的刚度。

(4)采用合理的计算模型分析斜柱及相连水平构件的受力特点，加强节点构造及相关构件的刚度。

(5)体形复杂的高层结构需采用不同力学模型的软件进行比较分析，对于结构的关键构件可采用性能化设计方法予以加强。

[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] 何富华，罗志国．大底盘单塔偏置建筑的结构设计[J]. 建筑结构，2013．

[3] 林宝新，贾鑫．某带斜柱框剪结构的抗震性能分析[J]．合肥工业大学学报：自然科学版，2014(6)，37.

Analysis of over limit structure of 100 billion commercial sail building

LINJie

( Fujian Architectural Design and Research Institute， Fuzhou 350001 )

Billions of ShangFan building is like a ship moving sail ship, overall modelling complex, difficult to structure design, for large chassis double offset transfinite top. Large chassis is mainly studied the seismic response characteristics of the single tower offset, and the mechanical properties of the diagonal brace system was analyzed, and corresponding seismic strengthening measures are put forward for weak positions, structure design to set performance goals.

Tower offset; Performance design; Inclined column structure; Floor stress analysis

林捷(1979.4- )，男，高级工程师。

E-mail:20392624@qq.com

2016-09-13

TU3

A

1004-6135(2016)12-0036-04