某超高层办公楼结构设计

2017-11-09李哲刚

四川建筑 2017年5期

关键词：斜柱楼板层间

李哲刚, 张晖

(中机中联工程有限公司，重庆 400039)

某超高层办公楼结构设计

李哲刚, 张晖

(中机中联工程有限公司，重庆 400039)

宝莲国际都会1号楼为结构高度超限的办公楼。文章介绍了该工程的结构设计内容以及针对超限采取的加强措施，并进行了计算分析对比。结果表明，结构设计方案合理可行，能够实现结构的抗震设防性能目标，保证结构的安全。

超限高层；超高层建筑；结构抗震性能目标；框架-核心筒结构

1 工程概况

宝莲国际都会项目位于重庆市铜梁区，主要功能为办公、住宅、车库、商业。总建筑面积约26×104m2，平面布置形式为下部大裙房，上部双塔楼。1号楼为41层的高层办公楼，建筑高度182.4 m；2号楼为40层的高层住宅，建筑高度147 m；3号楼为7层商业裙楼，建筑高度24 m。工程设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本加速度值为0.05g，抗震设防类别为重点设防类(裙楼商业)、丙类(塔楼住宅和办公)，场地类型为I1类，基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙度为B类(图1～图3)。本文主要介绍1号楼结构设计。

图1 建筑效果图

图2 办公楼、住宅楼平面位置

图3 办公楼标准层结构平面布置示意

2 结构体系

本工程裙楼地下3层，地上4层，在负一层楼板(-6.500标高)嵌固。在嵌固层以上将1、2、3号楼设缝脱开，形成独立结构单元。1号楼裙楼建筑平面总尺寸为64 m×59 m，塔楼建筑平面尺寸为47 m×39 m，塔楼标准层层高4.2 m，避难层层高5.4 m，商业裙楼层高6 m，地下室层高4 m。1号楼采用现浇钢筋混凝土框架核心筒结构，框架柱截面尺寸由1.5 m×1.3 m变化至0.8 m×0.8 m，核心筒剪力墙厚度由0.5 m变化至0.3 m。墙柱混凝土强度等级：由C60变化至C30，梁板混凝土强度等级为C40、C30。由于铜梁地区房价较低，综合考虑成本及施工难度因素，框架柱均采用钢筋混凝土柱。

3 基础形式

场区内及附近无断层通过，场地稳定，地质构造简单；场地内覆盖层为第四系素填土、残坡积粉质黏土，下伏为侏罗系中统沙溪庙组泥岩和砂岩。场地平整后，中风化岩石已经全部出露，故本工程采用独立基础、筏板基础，所有基础均以中风化岩层为持力层。基础混凝土强度等级为C40；钢筋采用HPB300、HRB400级钢筋。

4 结构超限情况、抗震性能目标及抗震等级

1号楼存在的超限主要为高度超限。对于钢筋混凝土框架核心筒结构，A级高度限制为150 m，本工程结构高度为188.9 m，超出规范限值，应进行超限工程结构抗震设计专项审查。

此外，由于建筑立面要求，结构西南角和东北角的框架柱，在标高24 m以上由竖直柱变为斜向向上的斜柱，属于设计中需要特别注意的地方，应进行计算分析和构造加强。

本工程设定结构性能目标如下：结构总体需达到高规中性能目标D级的要求,关键构件达到C级的要求。对应的性能水准如表1所示。

表1 性能目标的性能水准要求

7层以上框架及剪力墙抗震等级均为二级，7层以下框架及剪力墙抗震等级均为一级。

5 结构计算分析

结构计算分为三阶段，第一阶段进行小震下弹性计算，采用振型分解反应谱法和时程分析法进行对比，并作为设计主要依据。第二阶段进行中震弹性及中震不屈服计算，对关键部位的关键构件进行验算，并作为关键构件的设计依据。第三阶段进行大震下的弹塑性动力时程分析，验算大震下的塑性位移角，判断薄弱部位及塑性铰的发展程度，验证采取的针对性措施的有效性。结构计算软件采用PKPM和Midas Building结构计算软件。

5.1 小震弹性分析

小震下采用振型分解反应谱法计算的主要分析结果见表2。

图4为地震作用下的层间位移角。从图4可以看出，结构整体竖向刚度均匀，在9层、26层处，由于避难层的出现，使层间位移角出现局部变化，但未形成薄弱层。屋顶由于将屋顶构架建入计算模型参与计算，顶部两层刚度变小。

通过整体计算结果分析表明：结构整体稳定，周期比、质量参与系数、层间位移角、位移比、剪重比、刚度和抗剪承载力均满足设计要求。框架柱底部倾覆力矩百分比X、Y向分别为19.2 %和29.7 %。框架部分分配的楼层剪力绝大多数楼层在15 %～30 %之间，局部楼层小于15 %，局部楼层应按高规要求对框架柱承受的水平剪力进行调整。

小震弹性时程分析时，计算了7条波，各自取7条波的平均值。由图5可知，弹性时程层间位移除顶部两层外，沿楼层变化分部较为均匀。弹性时程计算结果和反应谱法计算结果基本一致。

表2 主要分析结果

(a) X向地震层间位移角

(b) Y向地震层间位移角

表3为小震弹性时程层间位移角和底部剪力汇总。弹性时程底部剪力均大于反应谱法底部剪力的65 %，7条时程曲线的结构底部剪力平均值大于反应谱法底部剪力的80 %，满足GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》5.1.2条。地震作用效应取时程法计算结果的平均值与反应谱计算结果的较大值，即采用反应谱法计算结果。

5.2 中震不屈服分析

本工程结构采用抗震性能化设计方法，关键构件的抗震性能目标为C级，性能水准在中震下预期的性能状况为：宏观损坏程度为轻度损坏；关键构件为轻微损坏；普通竖向构件为轻微损坏；耗能构件为轻度损坏、部分中度损坏；继续使用的可能性为一般修理后可继续使用。本工程的关键构件为底部加强区的剪力墙、柱和斜柱。

表3 小震时程分析与反应谱法计算得到的层间位移角和底部剪力汇总

(a) X地震层间位移角

(b) Y地震层间位移角

根据计算结果，中震不屈服工况下，墙、柱配筋结果与小震弹性计算配筋相差不大，仅较少柱配筋大于弹性分析，说明结构设计有较大的承载力富裕；梁的配筋在一些部位(与筒体剪力墙相连的梁)有较大不同，说明作为耗能构件的梁，在中震作用时已经进入屈服阶段。

从表4、表5可看到，典型剪力墙和柱子的抗剪承载力富余度较大，能够保证结构中震不屈服。

表4 一、二层中震不屈服抗剪验算(柱)

楼板在地震过程中起到传递和分配水平力、协调同一楼层结构变形的作用，尤其中间连接部位的楼板，必须起到传递两部分间剪力、保证疏散通道安全的作用，因此性能设计目标应提高，应保证其在地震作用下有足够的连接刚度。对于楼板中应力较大部位按 “中震弹性”性能目标进行设计，计算时取水平地震影响系数最大值αmax=0.12，材料强度为设计强度，各荷载工况分项系数与小震相同，不考虑地震组合时的内力调整，不考虑风荷载作用。本工程还单独计算了风荷载作用下的楼板应力，进一步验证按“中震弹性”进行设计的可靠性。经验算，中震作用下，在代表性楼层中，100 mm厚的C30楼层板压应力约在0.1～2.5 MPa之间，小于混凝土设计抗压强度14.3 MPa；拉应力在0.3～3.2 MPa之间，局部位置大于混凝土设计抗拉强度1.43 MPa。考虑楼板中的钢筋作用，通过加强楼板配筋，可以保证楼板的中震弹性性能。设计中还考虑增加较大洞口周边的楼板厚度至120 mm，进一步保证楼板的抗震性能。

表5 一、二层中震不屈服抗剪验算(剪力墙)

5.3 大震动力弹塑性分析

大震动力弹塑性分析采用两种软件分别进行计算，两种软件均采用相同的7条波，最后层间位移角和层剪力各自取7条波的平均值，计算结果见图6。

在罕遇地震作用下，各楼层的层间位移角均满足JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》3.7.5条1/100 的限值要求；剪力沿竖向分布也比较均匀，没有突变现象。两种软件计算结果基本一致。

关键竖向构件性能设计目标为C级，大震下需要达到第4性能水准的要求，即“大震不屈服”。

根据Midas软件计算结果，在大震下所有柱位移延性系数均小于1，说明柱子均未屈服。但是位于6～8层结构刚度发生变化处的柱子，尤其是角柱位移延性相对较大。此外，有3 %左右的墙体有开裂，主要集中在1～18层部分墙和连梁两边的小墙肢，但是这些墙内部的钢筋没有屈服，连梁、剪力墙、柱抗剪截面计算结果均满足要求，大震下剪力墙结构基本未屈服。关键构件达到性能目标。

(a) X向层间位移角平均值

(b) Y向层间位移角平均值

普通竖向构件在大震下可允许部分屈服，但需进行受剪截面验算，避免斜压脆性破坏。经计算，所有普通竖向构件的承载力均满足JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11.3第4条规定。普通竖向构件达到性能目标。

8 %左右的梁曲率延性系数大于1，说明部分梁端部出现屈服，处于弹塑性阶段，但绝大部分塑性转角不大。约0.5 %的框架梁曲率延性系数大于20，进入屈服状态，施工图设计时加强筒体周边与外框柱相连的框架梁两端箍筋的配筋，充分保证其延性性能，提高其抗震能力。

5.4 斜柱节点分析

本项目中出现斜柱，斜柱下部节点受力较复杂，且是关键构件。运用ANSYS有限元软件对该节点进行大震不屈服分析，根据应力分析结果对节点配筋进行设计(图7)。

先用SATWE进行大震不屈服计算，得到斜柱最大轴力、最大剪力和最大弯矩三个工况(对于本项目，三个工况重合)。然后将此内力施加在ANSYS模型的斜柱上，得到梁端主应力和节点剪力并以此验算梁端受拉是否满足要求并复核节点箍筋。

经计算，在大震不屈服工况下，节点区混凝土拉应力约为4.1～8.2 MPa，超出C60混凝土抗拉强度标准值(2.85 MPa)；压应力约为24～28 MPa，小于C60混凝土抗压强度标准值(38.5 MPa)。因此，需要在节点区增加箍筋，保证节点强度，同时还要加强与斜柱相连的框架梁纵向筋，应对斜柱产生的拉力。