某塔楼偏置高层建筑的结构设计

化 明 星

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海 200092)

1 工程概况

本工程为某地准五星级酒店配套项目，总建筑面积4.7万m2。3层地下室(另含一夹层)用作设备用房及停车库，埋深13.650 m；裙房地上共12层，总高度为54.00 m，其中1层～4层为商业或餐饮；塔楼地上23层，总高度95.8 m。塔楼偏置于建筑北侧、收进于13层，裙房7层～13层楼屋面板大开洞，各层洞口上下对齐。图1为裙房平面布置图，图2为建筑剖面图。

本工程抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组为二组，场地类别为Ⅰ1类，场地土特征周期为0.25 s，结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，根据GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准，抗震设防类别：裙房1层～4层为乙类，5层～23层为丙类。

2 上部结构

2.1 结构体系

本工程根据建筑功能平面设计采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构，现浇混凝土楼盖。考虑到各层建筑使用功能的影响，剪力墙主要布置在塔楼角部楼电梯四周，各层剪力墙均落地，为主要抗侧力构件(X向框架承担的地震倾覆力矩为总倾覆力矩的45%，Y向为37%)。框架和剪力墙抗震等级均为二级。

采用钢筋混凝土梁板结构体系，裙房及塔楼楼板厚度一般为120 mm，加墙部位为130 mm或者150 mm；主楼梁截面350×750，250×600，柱截面800×800,900×900,1 000×1 000；裙房梁截面350×700,400×700,250×600，柱截面600×600,700×700；剪力墙厚度300 mm～400 mm；梁板混凝土强度等级均为C30，墙柱混凝土强度等级从上到下C35～C55逐步变化。

2.2 结构超限情况

本工程塔楼与大底盘的质心偏心距大于大底盘相应边长的20%，属于塔楼偏置，因此判定为特别不规则超限高层。此外还存在其他不规则：扭转不规则(扭转位移比为1.3)；楼板不连续(7层～12层楼板开洞处，最窄处楼板有效宽度仅42%，小于50%)；平面尺寸突变(13层竖向构件平面范围由46.8 m缩进至21.2 m，缩进大于25%)。

2.3 抗震性能设计

建筑根据规范[1,2]要求，同时综合考虑抗震设防类别、设防烈度、结构特殊性，以及震后损失程度等各项因素，确定本工程整体结构承载力参考指标和城建位移参考指标需达到JGJ 3—2010高规中性能目标C的要求：多遇地震下达到第1性能水准，设防地震下达到第3性能水准，罕遇地震下达到第4性能水准，详见表1。

表1 抗震性能目标

3 结构计算与分析

3.1 多遇地震作用下弹性整体计算

本工程采用PKPM和PMSAP两种分析软件对结构进行整体对比计算，主要结果汇总见表2。

从表2中可以看出两个不同的结构分析软件计算结果相近，说明计算模型符合结构实际工作状况，计算模型及计算结果是合理有效的，可以作为工程设计的依据。

3.2 多遇地震下弹性动力时程分析

表2 小震弹性整体模型计算结果

根据《抗规》5.1.2.3，除了基于规范加速度反应谱的振型分解反应谱法进行抗震计算外，本工程还采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。采用了5组天然波和2组人工波共7组加速度时程波，地震波均符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求。弹性时程与反应谱法基底剪力对比见表3，经比较，构件内力采用反应谱法的计算结果。

表3 小震弹性时程与反应谱基底剪力比值 %

3.3 设防地震作用下构件验算

为保证结构在设防烈度下达到“中震可修”的性能状态，对结构进行设防地震下的弹性近似计算，分别采用“中震弹性”及“中震不屈服”两种方法对关键构件验算，中震弹性方法取消了内力调整系数，保留荷载分项系数和抗震承载力调整系数，材料强度按设计强度取值；中震不屈服设计可以近似看作是中震弹性设计的承载能力极限状态，在取消内力调整系数的基础上，进一步取消荷载分项系数及承载力抗震调整系数，且材料强度取为标准值[3]，此外连梁刚度进一步折减。施工图中应取中震与小震结果包络值进行构件配筋。

3.4 塔楼偏置分析

塔楼偏置的本质为结构竖向抗侧刚度的突变，通过查看裙房上下层竖向构件剪力，可以发现塔楼的水平剪力有相当一部分通过裙房屋面楼板传递到了裙房的竖向构件，裙房屋面的楼板实际承担了转换层楼板的作用，因此除了构造加强(板厚150 mm,双层双向配筋率不小于0.25%)外，还需要对裙房屋面楼板进行进一步补充计算，以发现薄弱部位进行加强。分析地震作用下的楼板受力情况发现，裙房屋面板靠近塔楼收进部位，楼板应力较大，此外由于裙房屋面开大洞，洞口周边也出现了较大的应力集中现场，设计时应予以加强。

由于在水平力作用下塔楼的变形及扭转与裙房相互约束及影响，裙房屋面上下两层竖向构件受力相对复杂，因此需对裙房屋面上下两层框架柱进行严格控制，如抗震等级提高一级、箍筋全高加密、控制轴压比等；同时在裙房南侧增设剪力墙以控制裙房的扭转效应。

此外，由于裙房开大洞造成裙房南北侧连接仅通过洞口左右两跨楼板，连接较弱，应补充单独主楼模型复核裙房屋面上下两层主楼范围内框架柱。

3.5 罕遇地震静力弹塑性分析

本工程采用push-over法进行罕遇地震下结构静力弹塑性计算分析，罕遇地震下水平地震影响系数最大值αmax=0.72，设计特征周期Tg=0.35 s。

能力曲线、需求曲线及抗倒塌验算结果见图3。计算结果显示，主体结构在罕遇地震性能点上最大位移角X向为1/106，Y向为1/131,均小于框架核心筒结构1/100的规范限值要求。

此外，通过查看弹塑性静力推覆中塑性铰的形成过程可以发现：底部加强区核心筒剪力墙首层在X向和Y向大震性能点处受拉区翼缘墙肢出现不同程度的破坏，但是受拉破坏区并未扩展到推覆方向的墙肢，且受压区翼缘墙肢只出现少许受压裂缝但并未出现受压区混凝土压溃破坏，这说明整体结构在结构首层比较薄弱，在设计中应予以加强，可以适当提高主轴方向剪力墙角部边缘构件的配筋率及剪力墙墙肢的水平分布筋配筋率，或者在建筑功能允许的前提下，在主轴方向剪力墙角部增加端柱，以提高其抗拉和抗压承载力。主楼范围内框架柱在大震下(性能点处)只有极个别框架柱出现塑性铰，这说明剪力墙很好的充当了第一道抗震防线的作用，推迟了框架柱进入弹塑性状态。

4 结语

本工程为塔楼偏置超限高层，塔楼与裙房连接处为结构薄弱环节，设计中应予以加强，使结构满足承载力和延性要求。此外，为进一步提高结构的抗震性能，采用结构抗震性能目标设计方法，通过大量计算分析，确保了结构可以满足“两阶段、三水准、多种抗震性能目标”。