东海火炬科技园6#楼超限结构设计

林挺宁

(厦门紫光科技园发展有限公司 福建厦门 361000)

东海火炬科技园6#楼超限结构设计

林挺宁

(厦门紫光科技园发展有限公司 福建厦门 361000)

东海火炬科技园6#楼位于厦门市，为超B级高度超限高层办公楼，主楼结构采用钢管混凝土柱、钢筋混凝土框架梁-钢筋混凝土核心筒。结构存在超高、扭转不规则、竖向不规则、穿层柱、斜柱等问题。工程超限结构设计主要通过小震弹性计算分析，中震抗剪弹性抗弯不屈服、大震弹塑性分析进行结构计算，对工程超限情况采取针对性措施，使结构达到安全可靠。

超限高层；抗震设计；结构设计

1 工程简介

东海火炬科技园6号楼位于厦门市集美区和同安区交界处，天马山东侧、邻近同集路，紧邻正在建设的滨海大道。地上43层，地下3层，建筑总高度184.6m。地上单体建筑面积约10万m2。主楼结构采用钢管混凝土柱、钢筋混凝土框架梁-钢筋混凝土核心筒结构。嵌固端设在地下一层底板。

2 结构设计参数

2.1 风荷载

参照国家规范[1-2]该工程结构设计风载取值如表1所示。

表1 结构风荷载取值

2.2 地震作用参数

参照国家规范[1,3]，该工程抗震参数如表2所示。

表2 结构抗震参数表

注：穿层柱、斜柱、体型收进位置及核心筒内收位置上下各2层范围内的框架柱为特一级。

3 结构布置及剖面

该工程平面标准层较多，仅截取部分标准层的结构布置如图1所示，为19层～28层的标准层。

该工程核心筒主要剪力墙厚度为700mm～1000mm；钢管柱截面尺寸D=1400×30～1000×20(穿层柱为1500×30，单位mm)；墙砼强度等级C60～C45。梁板砼等级均采用C30。结构剖面示意图及主要结构不规则如图2所示。

图1 6号楼19-28层结构平面图

图2 6号楼剖面示意图

4 结构超限分析

4.1 高度超限

该工程为钢管砼柱、钢筋砼梁框架-钢筋砼核心筒结构体系，属于框架-核心筒结构，6号楼结构总高度184.60m，超过高层建筑混凝土结构技术规程[1]B级高度限值180m，故为超B级高度的钢筋混凝土高层建筑。

4.2 结构平面及竖向不规则性

参照《建筑抗震设计规范》[3]和建质[2010]109号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[4],该工程的结构平面及竖向不规则性如表3所示。

表3 结构平面及竖向不规则性情况

4.3 其他超规范内容

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]第9.2.1条,框架核心筒结构中的核心筒宽度不宜小于筒体总高的1/12，而该工程核心筒宽度为房屋总高的1/14.58，不满足规范要求。

5 超限结构设计

为满足抗震设防的三水准目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”[3],该工程超限结构设计主要通过小震计算分析，中震抗剪弹性抗弯不屈服、大震弹塑性分析进行结构计算补充验算。

5.1 小震结构计算分析

5.1.1 多程序计算对比分析

采用两种符合实际情况的空间分析程序(PKPM系列软件SATWE和Midas-Building)进行比较分析，分别采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算地震作用，并选用较多振型以充分考虑高阶振型的影响，各振型贡献按CQC组合。具体结果如表4所示，同时对计算结果分析了结构墙柱最大轴压比、框架中地震剪力百分比、结构整体稳定性验算、舒适度，均满足现行规范要求。

5.1.2 小震弹性时程分析

根据《建筑抗震设计规范》[3],该工程采用采用PKPM系列软件进行弹性时程分析法进行补充计算,结果如表5所示。

由表5可得，7条地震波计算所得的底部剪力均不小于CQC求得的底部剪力的65%,且多条曲线计算所得的结构底部剪力平均值大于CQC法计算结果的80%，符合建筑抗震设计规范[3]的要求。且规范谱与地震波谱在统计意义上二者相符。

表4 多程序计算对比分析

注：根据高层建筑混凝土结构技术规程[1],该工程房屋高度为184.60m，根据插入法计算规范允许最大层间位移角为[1/678]。

表5 弹性时程分析七条波计算结果

5.2 结构的中震计算

基于抗震设防的性能目标设计，为保证结构重要构件及关键部位受力安全可靠，对该工程补充进行了中震抗弯不屈服和中震抗剪弹性计算分析。

5.2.1 中震抗弯不屈服验算

通过PKPM系列软件进行中震不屈服计算分析，结论如下：

(1)底部加强区墙身配筋率提高至0.8%，底部加强区的剪力墙抗弯强度能满足中震不屈服验算。中震验算时，局部的剪力墙存在受拉，局部拉应力大于墙砼的抗拉强度标准值。

(2)针对小偏心受拉且拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的墙肢，采取砼墙内增设型钢,设计考虑拉应力均由型钢承担，型钢向上延伸至不需要该型钢的楼层。

小偏心受拉的混凝土墙肢，如图3所示(核心筒另一半剪力墙计算结果基本对称于左半部墙肢，故未示意)。

图3 中震不屈服时墙体受拉示意图

(3)核心筒剪力墙在地下室负一层～三层范围内所需配筋增加较多，墙厚如图3所示，配筋详见5.2.1中(1)条所示。经分析，主要原因是基于核心筒剪力墙受拉引起暗柱配筋加大。对此，通过采取砼墙内增设型钢,设计考虑拉应力均由型钢承担，型钢向上延伸至不需要该型钢的楼层。

(4)钢管砼柱和砼框架柱均为构造配筋，处于弹性状态中。

5.2.2 中震抗剪弹性验算

通过PKPM系列软件进行中震弹性计算分析，结果如下：

(1)框架柱抗剪弹性分析

①在中震弹性分析中，各层柱抗剪均未超越截面抗剪承载力。砼柱的最大轴压比为0.90。钢管柱的最大轴压比为0.88。

②跃层柱、穿层柱在中震弹性分析中，截面抗剪满足规范要求，均为构造配筋，在施工图中对此类构件做适当加强。

(2)墙体抗剪弹性分析

在中震情况下，有墙肢出现计算配筋，通过配置满足计算结果要求的水平钢筋，确保墙肢中震抗剪弹性，并加配一定数量型钢提高抗剪承载能力。

5.3 大震分析1——PushOver静力弹塑性分析

采用PKPM中三维结构静力弹塑性PUSHOVER分析程序对该工程在大震作用下的最大层间位移，结构能力曲线、需求曲线和抗倒塌进行验算，X向、Y向的计算结果分别如图4、图5所示。

5.3.1X向计算结果

性能点最大层间位移角:1/133；性能点基底剪力(kN):174 967.4；性能点顶点位移(mm):1054.3；性能点附加阻尼比:0.223×0.70=0.156。

图4 等效单自由度体系周期T(s)——X向(0度)

5.3.2Y向计算结果

性能点最大层间位移角:1/133；性能点基底剪力(kN):168 227.4；性能点顶点位移(mm):1260.8；性能点附加阻尼比:0.134×0.70=0.094。

图5 等效单自由度体系周期 T(s)——Y向(90度)

5.3.3 PushOver静力弹塑性分析结论

通过PushOver静力弹塑性分析可得如下结论：

(1)在X向、Y向相应位移下，结构在X向和Y向荷载作用下均未发生整体垮塌，抗震性能较好。

(2)结构的能力曲线在X向和Y向均能顺利穿越需求曲线，满足规范[1，3]要求。

(3)X向和Y向性能点最大层间位移角小于[1/100]均满足规范[1]要求，满足“大震不倒”的基本要求。

(4)穿层柱、斜柱在三维结构静力弹塑性 PUSHOVER计算下未出现塑性铰，未发生剪切屈服，未形成楼层破坏机制。

(5)各层框架柱(钢管柱和砼柱)均未出现塑性铰，未发生剪切屈服，未形成楼层破坏机制。

(6)在性能点处，罕遇地震作用下，整个结构塑性铰的出现首先是梁端，且进入塑性阶段的时间也比较早，分布较广泛。底部加强区范围内，核心筒出现一定程度的塑性铰并形成斜向裂缝(首、二层核心筒较多处)，在设计中予以加强(考虑适当提高墙段边缘构件的配筋率和竖向分布筋的配筋率，并配置型钢提高核心筒的承载力)。

5.4 大震分析2——EPDA弹塑性动力时程分析

该工程采用PKPM系列软件的EPDA进行弹塑性动力时程分析，在弹塑性动力时程计算分析中得到最大层间位移角曲线、最大楼层剪力曲线、楼层有害位移曲线如图6～图8所示。

由动力弹塑性时程分析结论如下：

(1)在罕遇地震作用下，结构未发生倒塌，结构层间弹塑性位移角(X向：1/188，Y向：1/129)小于《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]的限值[1/100]。满足“大震不倒”的基本要求。

(2)大部分连梁进入塑性耗能，结构满足“强墙肢弱连梁”的抗震设计目标。

X向 主方向最大层间位移角曲线 Y向 主方向最大层间位移角曲线图6 EPDA图形结果1——最大层间位移角曲线

X向 主方向最大楼层剪曲线 Y向 主方向最大楼层剪曲线图7 EPDA图形结果2——最大楼层剪力曲线

X向 主方向最大层间有害位移角曲线 Y向 主方向最大层间有害位移角曲线图8 EPDA图形结果3——楼层有害位移曲线

(3)结构的薄弱层以结构最大有害层间位移角出现的层数和墙体裂缝的分布来判别。通过楼层有害位移曲线，可得最大有害层间位移角出现多在二层、五层。有害位移曲线在二层、五层(裙房屋面层)、十七层上下一层(竖向构件收缩层)、三十层(X向核心筒收缩层)处存在突变现象。

(4)通过对核心筒各个墙肢剖面塑性铰结果分析发现：墙体在底部九层范围以及三十层处均存在一定程度的塑性开裂情况，需进行加强(底部加强区墙身配筋率提高至0.8%)。

(5)各层柱均未出现塑性铰。特别是穿层柱和斜柱均未出现。未发生剪切屈服，未形成楼层破坏机制。塑性铰多发生在梁端，耗能。满足“强柱弱梁”的抗震设计目标。

(6)由以上分析判定，结构薄弱层的位置主要集中在二层、五层(裙房屋面层)、十七层上下一层(竖向构件收缩层)、三十层(X向核心筒收缩层)。计算结果与实际基本一致。

6 超限结构针对性措施

通过以上小震、中震、大震分析，对结构的超限项以及关键部位、薄弱部位采取的针对性加强措施如表6所示。

表6 针结构超限采取的针对性措施

7 结语

该工程属于超B级高度的平面不规则高层建筑，由于在结构设计中采取了较为合理的结构布置，提高了结构抗侧、抗扭刚度，同时通过多模型、多工况、多程序分析，对结构进行弹性、弹塑性分析，并结合超限审查专家意见，对结构的关键、薄弱部位采用性能化设计，并对结构采取了相应的抗震措施，使得结构仍具有良好的抗震性能,计算结果满足现行规范和规程的要求。

[1] JGJ 3-2010 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] GB 50009-2012 建筑结构荷载设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] 建质[2015]67号.超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].2015.

Structural Design for Super High-Rise 6# Building in DongHai Science Park

LINTingning

(Xiamen Tsinghua science park development co.,Ltd, Xiamen 361000)

DongHai Science Park 6# Building located at XiaMen, it is a super class B highly overrun high-rise office building. The building structural form is concrete-filled steel tube frame column - R.C frame beam and shear wall core tube Structural system. The building have several features, such as super-high,tensional irregularity,vertical size irregularity,cross-floor column and inclined column. Through elastic design under frequent earthquake,elastic design and un-yield design under intermediate earthquake,elastic-plastic analysis in rare earthquake, targeted measures were taken to ensure the safety and reliability of the structure.

Super high-rise building；Seismic design；Structure design

林挺宁(1985.5- )，男，工程师。

E-mail:youxiangltn@qq.com

2017-05-26

TU973+.3

A

1004-6135(2017)09-0044-05