某国际中心超限高层结构设计

2018-07-09钱钧珑

福建建筑 2018年6期

钱钧珑

(厦门市建设工程施工图审查所福建厦门 361004)

1 工程概述

某国际中心位于厦门市思明区观音山商务营运中心地块，混凝土框架-核心筒结构。因东侧门厅一～四层挑空造成结构平面、竖向有多项不规则，属超限高层结构。

该工程地上23层，建筑功能为高层办公楼，底层高6.0m，二层以上各层高均为4m，主屋面高度94m。地下室3层，层高由下而上分别为3.80m、3.50m、3.9m,其功能为地下车库；其中，地下三层为平战结合的核六级、常六级甲类防空地下室(平时为车库)。

抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度值0.15 g，场地特征周期0.40 s，建筑场地类别Ⅱ类。

设计采用SATWE、PMSAP程序进行小震反应谱弹性计算对比分析，并采取相应的抗震构造加强措施，使结构具有较好的抗震性能，以满足现行规范各项抗震设防设计要求。主楼平面形状近似为矩形，核心筒位于楼层平面中部，一～四层穿层柱采用型钢混凝土框架柱。主楼采用旋挖桩复合桩基，其余采用筏板基础。

该项目2011年5月通过抗震设防专项审查，之后进行施工图设计；2012年3月开工，2016年竣工。大楼建成实景如图1所示，主要建筑平面如图2～图4所示。

图1 大楼建成实景

图2 一层平面图

图3 二～四层平面图

图4 标准层平面图

2 基础设计

2.1 工程地质概况

项目地处厦门本岛东部，场地原始地貌属剥蚀残丘地貌，现状较为平整，地形整体起伏变化不大。场地基岩由花岗岩构成，无人为采空区、地面沉降和岩溶等不良地质作用。拟建场地土层自上而下依次为：①人工填土、②粉质粘土、③残积砂质粘性土、④-1全风化花岗岩、④-2砂砾状强风化花岗岩、④-3碎块状强风化花岗岩、④-4中风化花岗岩，各土层的物理力学综合指标如表1所示。

表1 天然地基岩、土工程特性指标值一览表

注：表内带“*”者为变形模量。

该工程±0.000相当于黄海高程16.00m。地下水位埋深为2.80m～6.30m，抗浮设计水位按设计地面标高以下1 m考虑。场地仅在表层分布有松散软弱的人工填土①层，且层厚较薄；场地内无可液化、可震陷的地层，建筑抗震属可进行建设的一般地段。

2.2 基础设计

地下室底板位于第③层残积砂质粘性土层，经深度和宽度修正后的地基承载力特征值为300kPa。

主楼范围内，上部荷载标准值扣除地下水浮力后约为450kN/m2。地基承载力不满足上部荷载要求，故主楼范围基础采用旋挖桩复合桩基，桩径800mm～1200mm。桩端持力层为④-1全风化花岗岩、④-2强风化花岗岩，桩端进入持力层5m，桩长约20m，单桩竖向抗压承载力特征值为5000kN。

地下室范围，地基承载力可满足上部荷载要求，采用600mm厚平板式筏形基础。

底板标高处的地下水浮力为130kN/m2。抗浮采用直径800mm的旋挖灌注桩，桩长约20m，单桩竖向抗拔承载力特征值为1600kN。

为消除主楼和地下室之间沉降差，在主楼和地下室之间设置沉降后浇带，后浇带在主楼结构封顶且沉降稳定后封闭。

3 结构体系

该工程无裙房，主楼采用框架-核心筒结构体系，主楼平面尺寸为43.5m×25.2m，高宽比为3.73。核心筒尺寸为21.1m×9.4m，外围框架柱距为7.7m～8.7m。主要结构平面如图5～图7所示。

地下室楼盖采用钢筋混凝土梁板结构，顶板和地下一层楼板板厚均为180mm；地下二层楼板除人防区采用250mm厚外，其余均为120mm。

图5 二～四层结构平面布置图

图6 五层结构平面布置图

由于地下一层东侧局部外露，上部结构的嵌固部位设于地下二层顶板处，地下二层侧向刚度大于上部结构底层的2倍。

上部结构核心筒抗震等级为二级，框架抗震等级为二级；地下二层以上地下室剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为二级；地下二层以下地下室剪力墙抗震等级为三级，框架抗震等级为三级。

图7 标准层结构平面布置图

底层核心筒外墙墙厚500mm，二层以上逐步减少至250mm，内墙为250mm、200mm。门厅一～四层挑空，8根穿层柱采用型钢混凝土柱框架柱，柱截面为1200mm×1200mm。其余框柱采用钢筋混凝土柱，底层柱截面为1200mm×1200mm，二层以上逐步减少至700mm×700mm。

楼盖结构采用钢筋砼梁板体系。框架梁截面为400mm×900mm、550mm×700mm；二～四层楼板厚度均为150mm，标准层和屋面板厚度为120mm。

该工程建筑高度不高，除核心筒长向偏置外，结构平面布置较为对称、规则；但东侧门厅一～四层挑空，二～四层无楼板，也无框架梁与框柱连接，形成8根18m高穿层柱(结构柱高19.1m)，门厅穿层柱实景如图8所示。门厅挑空造成结构平面、竖向有多项不规则，属超限高层结构。

图8 门厅穿层框柱实景

4 超限结构设计

4.1 超限情况认定

依据现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[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]等规定，该工程属超限高层结构。主要存在以下4种超限情况。

4.1.1扭转不规则

在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力弹性水平位移(层间位移)的最大值大于该楼层平均值的1.2倍。

4.1.2楼板不连续

二～四层东侧楼板挑空，开洞面积均大于相应楼层楼面面积的30%。

4.1.3偏心布置

二～四层东侧楼板挑空，相邻层上下质心偏差较大，大于相应边长的15%。

4.1.4其他不规则

二～四层东侧楼板挑空，挑空处无楼板，也无框架梁与框柱连接，形成穿层柱。

4.2 针对超限情况的抗震措施

主楼抗侧力体系由钢筋混凝土核心筒、框架组成，门厅挑空造成结构平面、竖向有多项不规则。针对该工程超限情况，结构设计采取以下抗震措施：

4.2.1穿层柱采用型钢混凝土框架柱

为增加二～四层楼板开大洞处穿层框架柱的刚度、延性，穿层柱采用型钢混凝土框架柱，并结合建筑装修要求尽量加大柱断面，以减少扭转效应的影响，改善结构的抗震性能。穿层柱按中震弹性进行强度设计并采取针对性的抗震措施，即抗震等级按一级控制，且轴压比控制不大于0.7。除进行强度计算外，穿层柱还进行稳定性验算。

劲性钢筋混凝土结构具有钢结构和混凝土结构的双重优点，与钢结构相比，可节省造价，增加构件、建筑物的刚度；与砼结构相比，可减少截面和重量，增大构件延性，增大构件强度，提高建筑物的抗震性能。型钢混凝土框架柱充分发挥了钢(受拉)和混凝土(受压)两种不同材料的特点，通过二者的协同作用，提高钢筋混凝土结构的承载能力。穿层柱采用型钢混凝土框架柱，内设双向“工”字形钢，截面采用WH-600×200×20×25。按照《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138-2001规定，含钢量大致控制在4%左右；其次，柱箍筋在满足配箍率的情况下优先考虑较小直径的箍筋，并全长加密。

框架梁和型钢混凝土框架柱之间的连接，一般需将梁钢筋穿过型钢，以实现梁柱刚结。该工程在满足框架柱刚度、延性的要求下设置翼缘较小的型钢，大部分梁钢筋可从型钢两侧通过，仅少量的钢筋需穿过型钢，施工较为方便。

4.2.2增加核心筒及重要构件的延性

(1)为减少二～四层楼板开大洞对建筑物抗震性能的影响，底部加强区高度提高到五层，剪力墙抗震等级按一级控制。底部加强区剪力墙及非穿层柱按中震抗剪弹性、抗弯不屈服复核。控制底部加强区框架柱和剪力墙的轴压比，使其比规范要求从严0.05。筒体角部约束边缘构件全高设置，并适当提高楼板局部缺失楼层核心筒剪力墙的配筋率。

(2)核心筒墙体中洞口的分布对墙体的抗震能力有极大的影响，设计中力求墙体中的洞口对称和规则；其次，在连梁中适当布置斜向钢筋，以提高连梁的抗剪能力，提高墙体的抗震性能。

(3)针对筒体两侧楼板开洞问题，除筒体两侧剪力墙进行稳定性验算外，还将楼梯梯板嵌入相邻剪力墙内，以减少剪力墙无支约束长度。

(4)在筒体外墙与框架梁交接处加设暗柱，对于墙厚较小者则加设扶壁柱，以加强核心筒与外围框架的连接，使二者协同工作，增强墙体的稳定性。

4.2.3减少扭转效应

考虑到核心筒长向偏置，为增加核心筒体的延性，加大筒体刚度，除采用较厚的核心筒外墙外，还通过调整墙体厚度，使结构的刚度中心和荷载中心、结构平面中心尽量重合。

此外，调整抗侧力构件布置使之均匀对称，减少质心与刚心之间的偏心，以减少结构的扭转效应。

4.2.4控制刚度比

通过加大地下室结构刚度，使楼层侧向刚度大于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍，并通过相应构造措施，确保地下室二层顶板满足上部结构嵌固要求。

由于首层结构层高为7.1 m，第二层高为4m，相邻层侧向刚度差异较大,在满足建筑功能的前提下，加大首层核心筒外墙的的截面尺寸，控制底层和二层的侧向刚度比满足规范要求。

4.2.5加强薄弱部位的楼板刚度

(1)针对二～四层楼板局部开大洞，除楼板板厚加厚至150 mm外，结构计算考虑楼板弹性变形，主体计算采用弹性板模式。

(2)加大二～四层梁、板配筋，控制二～四层楼板配筋率不小于0.3%，并严格控制梁、楼板裂缝。

(3)二～四层楼板在门厅处挑空，五层为楼板完整的第一层，故参照二～四层采取梁板加强措施。

5 结构分析的主要结果汇总及比较

5.1 主要计算参数及计算假定

该工程结构整体计算采用SATWE程序，并采用PMSAP程序做进一步的比较分析。

结构抗震计算采用振型分解反应谱法计算，计算考虑双向水平地震作用下的扭转影响。结构阻尼比在多遇地震作用下的弹性分析时取0.05，水平地震影响系数最大值为0.12，罕遇地震影响系数最大值为0.72。地震作用分别考虑双向地震作用和质量偶然偏心的不利影响，取二者最不利者作为结构设计的依据。对于部分楼层楼板开洞的情况，采取弹性楼板的假定，以考虑楼板刚度变化对水平力分配的影响。

采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算结构响应时，各振型贡献按CQC组合，选用较多的振型以充分考虑高阶振型的影响，建筑物质量参与系数超过90%。主体结构除采用振型分解反应谱法计算分析外，还采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。底部剪力、楼层剪力和层间位移取两种方法计算结果的大值进行相关构件设计。

5.2 SATWE与PMSAP程序计算结果比较

5.2.1结构动力特性

动力反应谱分析运用《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001的反应谱进行，并考虑多方向的水平地震作用效应。

前6阶模态的振动周期计算结果列于表2～表3。第一阶和第二阶模态分别为X、Y向平动，扭转模态为第三阶，扭转周期与平动周期的比值小于0.9。

表2 SATWE结构动力特性(空间振型)

表3 PMSAP结构动力特性(空间振型)

5.2.2结构位移响应

反应谱法及风荷载作用下的结构最大响应位移计算结果列于表4～表7。层间位移角及位移比均满足规范要求，地震作用下的剪重比在正常范围内，且满足最小地震作用的要求。

表4 地震作用下结构表现(SATWE)

表5 地震作用下结构表现(PMSAP)

表6 风荷载作用下结构表现(SATWE)

表7 风荷载作用下结构表现(PMSAP)

5.2.3计算结果分析

对SATWE和PMSAP两个不同力学模型软件的分析结果进行比对，可知结构的自振周期、层间位移、层间剪力、剪重比等指标相差不大，说明SATWE程序计算结果可靠，可用于施工图设计。

5.3 结构柱墙内力分析

5.3.1地震倾覆弯矩

一～六层框架柱、墙承担的地震倾覆弯矩占比如表8所示。由计算结果可知，框架柱承担的地震倾覆弯矩适当。

表8 一～六层框架柱地震倾覆弯矩百分比

5.3.2地震剪力

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第6.2.13条第1款规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架-抗震墙结构和框架-核心筒，任一层框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框架-抗震墙结构、框架-核心筒分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。表9为一～六层框架柱、墙承担的地震倾覆弯矩占比，表10为一～六层0.2Q0调整系数。