建筑结构超限设计可行性分析之中震性能分析——以萝岗奥园广场H-6号楼为例

全良

（广东省建筑设计研究院 广东广州 510010）

1 工程概况

萝岗奥园广场项目基地位于广州广州萝岗区，基地北靠香雪大道、东临开萝大道、南临开创大道、西临香雪八路。其中本文以超限办公塔楼H-6为例来展开说明，本工程用地面积为52914m2，总建筑面积为286172m2，其中，地下建筑面积为73759m2，地上建筑面积为212413m2，包含了两层地下室，一栋34层塔楼及其综合商业裙楼。建筑物的主要功能：裙房部分为商业；塔楼部分为办公、商铺、避难层等；地下室部分为停车库和设备用房等，地下一层局部为商业，地下二层为核六级及核五级人防地下室。塔楼外包尺寸为36.5×36.5，主要层高为5.0/4.2m，长宽比为1.0，高宽比为 4.0。

本工程建筑剖面图见图1，结构整体电算模型三维图见图1及图2。

图1 建筑立面图

图2 结构模型三维图

2 设计条件

2.1 设计基准期及结构设计使用年限

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001），本工程的设计基准期为50年，结构的设计使用年限为50年。本工程建筑结构安全等级为二级；地基基础设计等级为甲级。

2.2 地震作用

（1）本工程抗震设防烈度为Ⅶ度，II类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.1g，特征周期0.35s（规范值）、0.35s（安评值）。

（2）根据建筑提供的建筑面积和人数，本工程综合商业区商业面积为3.2万m2，营业面积为2.9万m2，商业区人流约1.1万人；高层塔楼的办公建筑面积2.8万m2，办公经常使用人数5000人。根据《建筑工程抗震设防分类标准》第6.0.5条、6.0.11条及《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第3.1.1条，裙房屋面（5层楼面）以上的高层办公塔楼抗震设防分类为标准设防类，裙房屋面以下的部分抗震设防分类为重点设防类。

2.3 工程场地安全性评价

根据广东省地震工程勘测中心提供的《工程场地地震安全性评价报告》，有关结论如下：

本工程场场地存在饱和砂层和淤泥类软弱土层，但由于场地位于地震烈度Ⅵ度区，可不考虑砂土液化的影响和软土震陷的影响，场地地震稳定性良好，适宜新建本工程。

3 结构布置、选型

3.1 结构体系

本工程塔楼采用框架－核心筒结构体系，核心筒尺寸约为16.7m×16.5m，筒体外壁厚由底部650mm向上逐步收至400mm。应甲方要求，外围框架柱全部采用普通钢筋混凝土柱，由底部直径1700mm、1550mm向上逐步收至1300mm、1200mm。塔楼高宽比4.0，核心筒高宽比9.0。

塔楼南侧大堂位置因为建筑空间要求，形成四层通高的穿层柱，穿层柱按实际长度计算长细比进行稳定验算，适当加强穿层柱周围柱的抗震措施。

3.2 楼盖体系

根据结构体系特点、使用要求和施工条件，本工程均采用现浇钢筋混凝土梁板体系，整体性良好。各层楼盖的主要布置原则如下：

（1）地下室底板采用平板结构，板厚h＝500mm。

（2）地下室负一层除塔楼区域外，其余均采用带柱帽的无梁楼盖，板厚h=350mm（六级人防区）、250mm（非人防区）。塔楼范围为采用梁板结构，板厚h=150mm。主要梁截面：400×800。

（3）首层（地下室顶板），塔楼及裙楼范围采用梁板结构，板厚h=150mm。其余位置采用无梁楼盖，板厚h=400mm。

（4）首层以上塔楼商业和办公位置采用梁板结构，板厚主要为150mm（核心筒内部）、120（其余区域）。

（5）屋面层板厚h=150mm。

3.3 计算嵌固层的确定

本工程由于结构地下一层相关部位楼层侧向刚度小于地上一层的侧向刚度的2倍，因此地下室顶板不作为嵌固端，工程计算嵌固层确定为地下室负一层楼面。

3.4 主要构件尺寸

3.4.1 剪力墙

塔楼位置剪力墙，除电梯井道剪力墙厚度为200～300mm，筒体外围墙厚 650～400mm。

3.4.2 框架柱

地下室及裙楼采用钢筋混凝土柱，主要截面：600×1200、600×1000、600×600。

塔楼采用钢筋混凝土柱，由底部φ1700mm、φ1550mm向上逐步收至φ1300mm、φ1200mm。

3.4.3 框架梁

采用钢筋混凝土梁，塔楼框架梁主要截面为400mm×800mm。

4 结构的中震验算

4.1 性能目标

本工程主塔楼结构抗震性能目标选C级，结构构件实现抗震性能要求的层间位移角指及结构构件的承载力设计要求以《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.11章节规定为标准。

本工程结构构件性能设计目标要求为：关键构件（塔楼核心筒剪力墙、塔楼外围框架柱）、普通竖向构件（裙楼框架柱）及耗能构件（塔楼核心筒剪力墙连梁、楼面框架梁）在多遇地震（水准1）层间位移角要求1/800，结构整体性能完好无损，仍处弹性阶段；设防地震（水准3）中，关键构件及普通竖向构件抗剪无损坏（弹性），抗弯轻微损坏并不屈服，耗能构件抗剪轻微损坏并不屈服，抗弯轻度损坏允许部分屈服，；罕遇地震（水准4）要求层间位移角为1/100，整体性能为中度损坏。

4.2 计算参数

采用SATWE软件对设防烈度地震（中震）作用下，除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力，根据其抗震性能目标，结合《高规》中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，进行结构构件性能计算分析。本工程的框架柱、核心筒剪力墙等关键构件的正截面承载力以及其他构件的承载力验算按中震弹性和中震不屈服的计算方法计算，中震计算参数如表1。

表1 中震计算参数

4.2.1 中震验算的整体计算结果

按按弹性楼板计算的简要计算结果如表2。

表2 中震计算简要结果

塔楼中震作用下部分耗能构件（框架梁、连梁）的屈服分布如图3～4所示（图中画圈的地方）（节选）。

4.2.2 中震作用下构件破坏情况

（1）采用中震弹性方法计算，所有竖向构件的抗剪配筋均未出现超筋的情况，属抗剪弹性。

（2）采用中震不屈服验算时，核心筒剪力墙、塔楼钢筋混凝土框架柱和裙房框架柱均未出现正截面承载力不足的情况，底部加强区的剪力墙配筋较小震作用下并无明显增大，其他剪力墙和框架柱的配筋也未出现明显增大情况，能实现“抗弯不屈服”的性能目标。

（3）中震不屈服计算结果下，塔楼和裙楼的框架梁满足抗剪截面验算，部分楼层框架梁出现正截面承载力不足。与小震下框架梁配筋相比，中震下框架梁的配筋增加显著，框架梁支座底筋增大约10%，支座面筋增大约50～150%，箍筋无明显增大。

图3 第4层中震作用下梁屈服分布图

（4）中震不屈服计算结果下，连梁满足抗剪截面验算，中低区部分楼层连梁出现屈服。与小震下连梁配筋相比，中震下连梁的配筋增加显著，框架梁纵筋增大约50～150%，箍筋增大约50～100%，具体如表3。

5 结论

综上所述，本工程虽然属于B级高层建筑，但结构形式比较简单、体型规则，我们在设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标。同时在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了关键构件在中震的验算，计算结果表明，多项指标均表现良好，基本满足规范的有关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。因此，可以认为本工程除能满足“中震下主要构件不屈服、震后可以修复”的抗震设防目标，该结构是可行且安全的。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）.

[2]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2010]109号）.

[3]《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》（粤建市函[2011]580号）.