某超高层办公楼结构设计分析

苏志德， 张 洁， 李 放

(四川省建筑设计研究院， 四川成都 610000)

1 工程概况

本项目用地位于成都市高新区天府大道大源中心区，由2栋超高层办公楼及其商业群房(2层)、地下室(4层)组成。1号办公楼建筑层数(含裙楼)33层，建筑高度160.45 m； 2号办公楼建筑层数(含裙楼)45层，建筑高度139.90 m，工程效果图如图1所示。本文主要针对其中1号办公楼做论述。1号楼标准层结构平面如图2所示。

图1 外立面效果

图2 1号楼标准层结构平面

2 结构体系及超限情况

本工程所在地抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.10g。根据建筑功能需要并结合结构受力情况，1号办公楼采用现浇钢筋混凝土框架—筒体结构。根据JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.3.1条，本工程属于B级高度的钢筋混凝土高层建筑。

规则性判断：根据SATWE的小震弹性振型分解反应谱法计算结果可知，局部楼层最大位移比大于1.2，但小于1.4，属于扭转不规则。

故1号办公楼为B级高度的扭转不规则的超限高层结构，存在两层通高超长框架柱等抗震不利因素。

3 性能目标及抗震设防

本项目抗震设计在满足国家、地方规范外，将根据性能化抗震设计的概念进行设计。根据JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11.1条条文说明进行抗震性能评估，并同时综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素，本工程1号楼超限高层的性能目标定为D级。

4 抗震设计的计算与分析

4.1 小震作用下的整体计算

采用两种不同力学模型Satwe和Midas Building进行整体对比分析，计算结果基本一致，并且各项指标满足规范要求，说明结构体系、结构布置基本合理，对比结果如表1所示。

表1 小震作用下整体计算结果对比

4.2 中震抗震性能分析

对关键构件(底部加强区剪力墙和框架柱)提出中震抗震承载力不屈服的性能目标。周期折减系数取1.0，阻尼比取0.05，不考虑风荷载，荷载分项系数取1.0，承载力抗震调整系数取1.0。

计算结果表明，中震下结构的最大层间位移角满足不大于1/251的规范限值的要求。底部加强区的抗震承载力看出关键构件未出现超筋现象，抗震承载力满足中震不屈服的要求。部分框架梁出现超筋现象，进入屈服阶段。钢筋混凝土竖向构件中震下的受剪截面验算均满足JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》式3.11.3-4的规定。针对个别小偏拉墙肢，按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》相关规定，按照特一级进行抗震构造，增大水平与竖向分布钢筋配筋率，当拉应力小于混凝土抗拉强度标准值时，用钢筋承受拉力，当拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时，在剪力墙内设置型钢承担拉力，且平均名义拉力不应超过两倍混凝土抗拉强度标准值。

4.3 大震下整体计算结果汇总

4.3.1 地震波的选取

本工程选用了2条天然波和1条天然波，采用Midas Building进行大震下的弹塑性时程分析。所选地震波的谱曲线特性与大震规范谱曲线满足统计意义相符；如表2所示，CQC法计算的大震基底剪力为82 627 kN(X向)、93 497 kN(X向)，理想假定大震弹性时程时，每条时程曲线计算所得结果均大于CQC法的65 %，三条时程曲线的平均值大于CQC法的80 %，计算结果满足GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)第5.1.2条要求，因此所选地震波可用于大震分析。

表2 每组地震波对应的基底剪力

4.3.2 弹塑性楼层位移

大震下的结构层间位移角最大值和相应楼层层号如表3所示。

表3 每组地震波对应的结构层间位移角最大值

由上表可见，大震作用下，弹塑性层间位移角最大值X方向1/179(12F),Y方向1/242(11F)满足小于规范1/100的要求。从层间位移角的曲线来看，整体刚度较为适中，层间位移角最大值出现在避难层附近，可对避难层上下竖向构件采用加强配箍率等措施，提高相应部位延性和刚度。

4.3.3 大震下结构抗震性能分析

根据JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.11.3条第5款规定，大震下应进行弹塑性计算分析。关键构件(底部加强区剪力墙)抗震承载力验算结果如图3。

图3 1F～5F剪力墙损伤分布

图4 柱塑性铰计算结果

由图3可以看出，处于第1、2应变等级的墙体达到88 %，底部加强区第三层右下角一片墙有少许达到屈服，无屈服后墙体；第3、4、5应变状态主要集中于洞口周边。故关键构件满足性能目标5中抗震承载力宜不屈服的要求。非底部加强区剪力墙大震下少数墙体进入屈服阶段，墙体屈服主要集中于洞口周边，同一楼层竖向构件未全部屈服。

框架柱塑性铰计算结果如图4所示。图中图例所示为钢筋混凝土梁柱构件屈服状态，第一屈服状态为开裂及开裂到屈曲前状态，第二为屈服状态，第三屈服状态为极限状态。底部加强区框架柱在裙房角部有一处开裂，处于第一屈服状态；在顶层附近出现开裂，处于第一屈服状态。框架柱未进入屈服状态。梁塑性铰处于第一屈服状态的梁构件达到68.4 %，处于第二屈服状态的梁构件达到30.7 %，没有达到极限状态的梁构件。

4.3.4 大震弹塑性时程分析小结

(1)在大震作用下条件下，结构X、Y向的最大顶点位移分别为640 mm、493 mm，并最终仍能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。

(2)主体结构在各组地震波作用下X、Y向的最大弹塑性层间位移角分别为1/179、1/242，满足规范要求。

(3)大震下耗能构件的损伤较严重，起到了耗能的作用。剪力墙的损伤主要集中在下部夹层和洞口周边，采取提高边缘构件的纵筋、箍筋率和墙身分布筋的配筋率的措施进行加强，以提高其变形能力和抗震性能。

通过大震弹塑性的分析及采取的相应措施，认为结构能满足大震下第5抗震性能要求。

5 两层通高超长框架柱计算复核

1号办公楼标高H=16.800m位置核心筒内除电梯、井道外均设置钢筋混凝土楼板，但是核心筒与框架柱之间未设置混凝土梁、板，故此处对标高H=10.800～22.800m位置的两层通高超长框架柱进行承载力复核。此处的两层通高框架柱计算长度系数取为2.0。采用等效弹性方法，在大震不屈服状态下对两层通高超长框架柱的抗震承载力进行复核，结果如图5。

图5 大震不屈服要求下H=10.800～16.800m和H=16.800～22.800m两层通高框架柱计算结果

通过对比得出如下结论：

(1)两层通高超长框架柱的抗震承载力满足大震不屈服的要求；

(2)两层通高超长框架柱在后续的施工图设计中，配筋应采取小震、大震不屈服下的包络设计；

(3)其他加强措施包括：①核心筒内在H=16.800m标高设置钢筋混凝土楼板，厚度不小于150 mm，配筋率不小于0.25 %，钢筋双层双向拉通设置，以减小核心筒剪力墙的计 算高度；②H=10.800～22.800m范围内框架柱设置型钢，以增强两层通高超长框架柱的延性；③基顶22.800m高度范围内核心筒剪力墙适当加厚，增强此范围内核心筒剪力墙的抗侧刚度；④因在H=10.800～22.800m此范围内水平地震力主要由核心筒剪力墙承担，不能有效地传递给框架柱，故嵌固端22.800m高度范围的核心筒剪力墙应采取加强措施如下：墙体水平和竖向分布钢筋的配筋率不小于0.40%，约束边缘构件纵向钢筋配筋率不小于1.4%，配箍特征值增大20%。

6 结论

本工程1号楼为B级高度的高层建筑，在房屋高度、扭转不规则等方面存在超限情况。但在设计中采用概念设计和抗震性能化设计方法，根据抗震原则及建筑特点，对整体结构的体系和布置进行了加强。设计采用多种计算程序进行了弹性和弹塑性的计算，各项指标均满足规范的相关要求。同时两层通高超长框架柱、底部加强区剪力墙等关键构件采取了更为严格的抗震性能目标，保证结构的整体抗震性能。

综上所述，本工程除能够满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，抗震性能目标也满足D级的要求，结构设计合理有效，并且安全可行。