交通银行某分行营业大楼超限结构设计分析

王国铨

(林产工业规划设计院厦门分院 福建厦门 361004)

1 工程概况与主要设计参数

项目坐落于福建省某市区，占地面积1.1hm2，总建筑面积55 000m2。营业大楼由两层地下室、20层塔楼、5层裙楼构成；首层结构层高为5.1m，其余各层结构层高均为4.5m，建筑高度91.3m(裙房高度21.8m)。项目建筑鸟瞰图及剖面图，如图1～图2所示。结构主要设计参数，如表1所示。

2 基础设计

根据该营业大楼项目《岩土工程勘察报告》，场地内土层⑩卵石层[厚度为16.20m～21.20m，顶面标高为-40.69～-35.63m]，其力学强度较高、岩层厚度较厚中风化花岗岩，可选作桩基持力层，但其埋藏深度大，顶面标高为-64.69m～-67.43m]。典型地质剖面、底板承台标高示意如图3所示。

图1 鸟瞰图

图2 剖面图

表1 主要设计参数

综合考虑上部重力荷载等因素，主楼、裙房及地下室均采用冲孔灌注桩基础方案，以⑩卵石作为桩基基持力层，主塔楼选用1200mm桩径，裙房部分根据柱底内力需要选用1000mm、1200mm桩径；裙楼和地下室区域进行抗浮验算，裙楼和纯地下室位置上浮力大于结构与底板重量，结果表明存在抗浮问题。基此，设置了抗拔桩，抗拔桩选用800mm、1000mm、1200mm 3种桩径。各桩有效桩长为45m～48m。

图3 典型地质剖面图

3 主体结构设计分析

3.1 结构体系设计

主楼塔楼采用框筒结构，裙房采用框架结构(为加强结构抗扭刚度，在裙房楼、电梯间设置剪力墙)。裙房北侧大悬挑、裙房屋面、塔楼屋面6m构架采用设置斜撑加强，主要结构截面、混凝土强度等级参数，如表2所示。

主楼及裙房地下室顶板区域结构板厚度为180mm，纯地下室部分结构板厚度为200mm。塔楼标准层结构楼板板厚为120mm。因该项目存在塔楼偏置，在塔楼第六、第七层处结构楼板加厚至150mm。结构典型平面布置图如图4所示。

表2 主要结构截面、混凝土强度等级参数

(a)三层 (b)塔楼标准层 (c)十七层图4 结构典型平面布置图

3.2 超限情况说明及抗震性能目标

根据《超限高层专项审查要点》[1](20150512)有关规定进行细则分析，该项目A级高度。主要存在以下结构不规则项：

①扭转不规则[1]：考虑偶然偏心时，Y向裙房最大位移比为1.39，裙房以上楼层塔楼最大位移比为1.35，略超过规范1.2的限值但均小于1.4；

②凹凸不规则[1]：塔楼平面B/Bmax=43.2%﹥规范30%限值；

③塔楼偏心偏置[1]：第六、七层质心相差为相应边长的(X向16.7%，Y向18.1%)，大于规范15%的限值；

④楼板不连续[1]：为满足建筑空间要求，第五层楼板有效宽度为43.6%，小于50%的限值；

⑤构件间断[1]：裙房北面外围框架第三、四层采用支撑托柱转换，存在竖向构件局部不连续；

⑥局部不规则[1]：第二层、第十一、第十三、第十五、第十七、第二十层存在局部穿层柱。

综合考虑塔楼的设防类别、烈度、场地条件、地震损失、修复代价等因素，该结构抗震性能设计目标控制为C级。根据结构构件的重要程度，将结构构件分为普通构件和关键构件。其中，关键构件包括穿层柱、支撑挑柱。结构性能设计目标如表3所示。

3.3 结构抗震分析

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[2]第3.4.4条有关规定，项目属特别不规则高层结构，组织抗震专家进行了论证。

采用SATWE软件结构分析，并用MIDAS Building软件进行结构内力、位移、周期比、振型数等项目的比对计算分析。小震弹性计算结果对比分析，如表4所示。在地震工况与风荷载工况下，两种软件的计算结果吻合度良好，且相应的指标满足要求。

表3 性能设计目标

表4 SATWE及MIDAS Building弹性结果对比分析

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[3]第4.3.4、4.3.5条的有关规定，采用SATWE软件进行小地震作用下时程分析计算。根据场地特点，按满足频谱特性、有效峰值和持续时间3条原则[3]，选取7条地震波(其中天然地震波5条、人工地震波2条)，按1∶0.85进行双向输入分析。规范谱与各地震波谱平均值对比图，如图5所示。

表5是弹性时程分析底部剪力与CQC法比较，比较结果表明，7条波每条波计算出的底部剪力均处于CQC反应谱法计算结构的0.65～1.35倍之间，7条波的平均均值在CQC反应谱法计算结构的0.8～1.2倍之间。既可以保证满足规范的最低安全需求，又能体现安全性和经济性的平衡，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[3]相关规定。

图5 规范谱与各地震波谱平均值对比图

表5 弹性时程分析底部剪力与CQC法比较

该工程采用PKPM Satwe-pushover分析了结构在大震作用下的反应。如图6～图7所示，能力谱-位移曲线相对上升平滑，随体系周期的增大递增，能力谱曲线在X和Y两方向均与需求谱相交，得到性能点。在大震作用下，该项目结构在抗倒塌能力充裕度较大。结构X向、Y向性能点最大层间弹塑性相对位移角分别为1/214、1/267，均能满足JGJ3[3]对混凝土框筒结构层间弹塑性最大位移角1/100的规定，符合“大震不倒”的基本思路。

图6 X向Push-over抗倒塌验算图

图7 Y向Push-over抗倒塌验算图

3.4 抗震加强措施

针对超限结构情况特点、薄弱环节，结构抗震加强措施如下：

(1)抗侧力构件布置做到合理、均匀对称，控制塔楼周边与核心筒之间刚度比。在裙房周边楼、电梯间布置混凝土墙体；加强塔楼与周边框架之间的连接，尽可能减少塔楼核心筒墙体，使裙房层间位移比控制在1.4以内，塔楼层间位移比控制在1.35以内。

(2)针对第六、七层X向质心相差16.7%，Y质心相差向18.1%情况，第六、七层主楼区域楼板采用150mm厚；同时，此区域楼板钢筋采用双层双向拉通，楼板配筋率≥0.25%，保证结构塔楼和结构底盘的整体作用。

(3)针对建筑平面局部开洞造成楼板有限宽度小于50%情况，楼板开洞周围一跨范围区域楼板采用150mm厚；运用Gen软件在大开洞区域结构板进行应力分析；在后期施工图中，对此区域楼板采用楼板应力最大值双层双向加强配筋，增强楼板的水平剪力传递能力，保证大震下结构的整体性。

(4)为满足建筑功能需要，裙房屋顶楼局部外挑6m并做6m构架支撑幕墙。采用混凝土支撑穿越三、四层并拉结构架柱顶的方式加强，如图8所示。外挑柱抗震设计时计入竖向地震作用效应，保证外挑柱在各个工况作用下的安全度。

图8 外挑结构构架做法示意

(5)局部楼层框架柱为“穿层柱”。设计时除应满足中震下穿层柱抗弯不屈服，且满足柱内剪力按本层其余非穿层框架柱承受地震剪力平均值得1.2倍进行复核。该项目通过穿层柱抗震等级提高一级、对穿层柱楼层处的全层地震剪力放大1.2倍的方法，复核穿层柱部位配筋，增大安全系数。同时，该部位框架柱纵筋在“穿层”范围连续设置，且其箍筋全高加密。

4 结论

(1)对大底盘塔楼质心偏置结构，可在裙房周边楼、电梯间周边处设置混凝土墙体，调节裙房楼层的扭转位移比。

(2)局部楼板大开洞结构，开洞周边区域楼板除应采取双向配筋、增大楼板配筋率等构造措施外，还应进行楼板应力分析，保证楼板在大震下的水平剪力传递能力。

(3)对于支撑挑柱、穿层柱薄弱构件，宜合理设置抗震性能目标，并进行相应水准的弹塑性计算，合理增加安全系数，保证薄弱构件在各个工况下的安全度。

(4)本文提出的超限结构抗震设计思路、针对并结构超限情况、薄弱环节、重要部位进行的抗震加强措施，能够保证结构实现抗震设防设计目标。