金凤大厦超限高层建筑结构设计分析

侯 刚 翁雯雯 杨秋伟,2,3 冯晓东 张 梁

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.宁波工程学院 建筑与交通工程学院，浙江 宁波 315211；3.浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心,浙江 宁波 315211；4.苏州设计股份有限公司 无锡分公司，江苏 无锡 214070)

0 引言

随着社会现代化，人们的生活质量也有了很大提高，传统的几何形式的超限高层建筑物已无法满足人们对建筑美感的要求.高度超限是现在很多建筑物主流趋势，很难在外观或是结构设计方面让人耳目一新.因此需要建筑师们不断探索与发现，如何使建筑物的美感有所提升，同时在美感提升的基础上使建筑物不规则的现象能得到改善，是结构设计师们更加关心的问题.同时，对于建筑功能的客观要求也是必不可少的，要在同一幢建筑物内满足多元化、多功能的要求[1-5].此时，斜柱高层以其独特的外观设计，被国内外一些建筑师所采用.同样也会带来很多问题，比如：侧向刚度、楼层的承载力和抗侧力构件等发生变化，这些情况也会在带斜柱超限高层中出现[6-8].不同的建筑结构有着不同的受力特性，很难找出统一规律，这就需要对各种不同类型的建筑物进行分析与研究.

针对以上可能会出现的种种问题，应如何解决需要我们进一步研究与分析，而且带斜柱的超限高层建筑出现的不规则情况更为显著，需要选用合适的计算模型对其进行受力情况下的详细分析.本文选用的是金凤大厦超限高层建筑，此建筑结构外观由斜柱构成，有独特的视觉冲击，具有很强的外观设计.对它整体性能进行分析.首先采用SATWE和ETABS进行弹性对比分析，对本工程进行结构计算分析，在此基础上再进行静力推覆分析和动力弹塑性分析，对其进行结构的抗震性能评价.采取更加牢靠的加强措施，减少破坏.通过处理实现建筑与结构的统一，所采用的结构设计和分析方法可供以后类似复杂超限高层建筑结构设计提供参考.

1 工程概况

具体工程选用深圳市金凤大厦超限高层建筑，本工程采用的是钢筋混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构，地下有3层、地上有33层.本结构总高度为149.7 m，标准层层高4.25 m，在结构设计中，本结构所采用的安全等级为二级，B级的建筑高度，7度的抗震设防烈度，丙类的抗震设防类别，50年的设计基准期，II类的场地类别，0.35 s的特征周期.本结构的标准结构层平面图如图1所示.图2、图3所示为本结构的南北立面图和东西立面图.

2 结构不规则性及抗震性能目标

2.1 结构不规则性

根据《建筑抗震设计规范》[9]对建筑不规则有不同的划分标准，本结构存在扭转不规则、刚度突变、斜柱等情况.

(1)扭转不规则：本结构最大的特点是外部采用斜柱，因此导致本结构中部分楼层的水平位移和层间位移较大，不满足规范要求.

(2)刚度突变：部分带斜柱的楼层，由于斜柱轴力对周围楼面板的影响超过对上一层楼层刚度的90%.

(3)其他不规则：斜柱.

2.2 抗震性能目标

根据本工程超限结构特点，进行性能化设计. 根据本工程的场地条件、功能和构件布置，结合抗震设防原则： “三水准两阶段”设计[9]，本工程选用的C级的抗震性能目标，依据为《高层建筑混凝土结构技术规程》[10]抗震性能设计规定，该级别水准具体见表1所示.

图1 标准结构层平面图

图2 南北立面图

图3 东西立面图

表1 结构抗震性能目标等级划分

3 结构计算分析

本工程地下一层顶嵌固，依据为《高层建筑混凝土结构技术规程》.采用SATWE和ETABS两种软件进行弹性对比分析，分析与研究本工程在两种软件计算下，整体计算指标是否满足规范要求，两个软件的计算结果差距是否明显.并且分析与斜柱相连周围的内力情况，分析它们是否满足承载力要求.

3.1 多遇地震下的弹性分析

3.1.1 多遇地震下的弹性对比分析

进行结构整体计算时，采用SATWE和ETABS两种软件对结构进行弹性对比分析，其中楼板采用的是刚性楼板，构件采用的是弹性假定，斜柱采用的是支撑斜杆，周期折减系数：小震为0.9，中、大震为1.0.如表2、表3所示为SATWE和ETABS整体计算主要结果.

由表2和表3可以看出，SATWE和ETABS两软件在整体计算时，周期比都小于规范规定的0.9，基底剪重比都大于规范规定的0.014，此时的最大层间位移角都小于规范规定的1/800，在SATWE软件分析时的周期偏大一些， 而在这两个软件分析中，结构的基底剪重比和最大层间位移角的结果相差不大.因此在结构整体计算中的各计算指标能满足规范要求，满足“小震不坏”的设防水准要求.

表2 SATWE整体计算主要结果

表3 ETABS整体计算主要结果

3.1.2 与斜柱相连构件的内力分析

本工程的特点是存在外立面的斜柱，在柱轴力的作用下对楼面板和梁造成比较大的拉力Nx，Nx=Nsin(90-a).如果轴力和(90-a)比较大时，会造成楼面板和梁承受的拉力比较大，造成楼板或梁的拉裂.对正常使用和抗震造成不利的影响.本工程的a角为87°，中震下柱的轴压力在17层为最大值N=14 400 kN，可知此跨度范围内的板和梁所受的拉力为Nx=1 500 kN.板厚为150 mm，混凝土为C30，楼面能承担的拉力为：N=8 750×150×1.43=1 876.8 kN>1 500 kN，满足规范要求.不需要其他特殊加强措施.其中斜柱的受力图形如图4所示.

图4 斜柱的受力图形

3.2 静力推覆分析及斜柱周围楼板分析

由以上分析可知，本工程在中震作用下斜柱的轴压力最大出现在17层， 轴力最大的地方为与斜柱相连处.因此，需要针对于此处斜柱相连处的楼板进行受力分析.

3.2.1 静力推覆分析

对本工程进行静力推覆分析所采用的软件为SATWE，不同方向静力推覆分析倒塌曲线如图5所示.性能点为能力谱与需求谱的交点处，通过SATWE软件分析计算，罕遇地震影响系数最大值为0.5，性能点处的X、Y向层间位移角分别为1/258、1/270，都小于规范规定的1/100.性能点处X、Y向底部剪力分别为52 429.7 kN和54 499.3 kN，满足“大震不倒”的设防水准要求.

在静力推覆分析时的X、Y向中，先进入屈服状态的是顶层的框架梁，再向其他楼层开始发展，不同的是，X向的底部连梁先进入屈服状态，然后再向其他楼层发展，Y向则是顶部连梁先进入屈服状态，然后再向其他楼层发展.由以上分析可以得出：连梁先进入屈服状态，然后是框架梁，最后是框架柱，符合结构“强柱弱梁”要求，框架柱具有良好的二道防线作用.

3.2.2 斜柱周围楼板分析

为准确分析外立面的斜柱对楼面梁板的影响，采用的软件为ETABS，选用的单元是弹性壳单元，分析中震作用下标准组合下18层X向地震正应力图如图6所示.可以看出斜柱附近(西北角和西南角)附近的板的最大拉应力均值小于1.43 MPa，满足要求.

(a)X向地震作用

(b)Y向地震作用

图6 标准组合下18层X向地震正应力(S11)/MPa

4 动力弹塑性分析

4.1 地震波输入

进行动力弹塑性分析时，优先选用的软件为Perform-3D.这款软件在用于罕遇地震下的性能分析与性能评估时实用性和精准性是比较完美的.因此在软件分析时，选择满足规范的波，本结构选择的是SATWE中弹性时程分析中的5条天然波和2条人工波，其中5条天然波分别是TH002TG035、TH004TG035、TH006TG035、TH092TG035、TH095TG035,2条人工波波分别是RH1TG035、RH4TG035.

4.2 分析结果

4.2.1 层间位移角

在七条波在作用下，如图7所示为本结构运用Perform-3D软件在大震作用下的层间位移角曲线图. 由图可直观地显示本结构在大震作用下的层间位移角满足规范规定的1/120.

4.2.2 基底剪力

从表4所示在七条波的作用下，弹性时程分析(小震)和动力弹塑性时程分析(大震)中X、Y向基底剪力中可以看出，动力弹塑性时程分析(大震)中X向基底剪力平均值是弹性时程分析(小震)中X向基底剪力平均值的2.78倍，动力弹塑性时程分析(大震)中Y向基底剪力平均值是弹性时程分析(小震)中Y向基底剪力平均值的2.74倍，同时也能看出在七条波的作用下，基底剪力无论是在弹性时程分析(小震)还是在动力弹塑性时程分析(大震)时都是无规律的. 在动力弹塑性时程分析(大震)中天然波TH006TG035的X、Y向基底剪力最大，因此选取这条波作用下的能量与构件耗能进行研究.

(a)X向 (b)Y向

表4 基底剪力

4.2.3 TH006TG035波作用下的能量与构件耗能

从图8所示的TH006TG035波作用下的能量耗能可以看出，X方向和Y方向的能量耗能基本一致，结构的模态阻尼耗能占多数，其次是结构弹性应变能，结构很少部分进入非线性应变能.如图9所示的TH006TG035波作用下的构件耗能可以看出，X方向和Y方向的构件耗能基本一致，结构的塑性耗能主要由钢筋混凝土连梁和钢筋混凝土框架梁承担，钢筋混凝土剪力墙只承担一小部分的构件耗能， 型钢混凝土柱、 混凝土柱和型钢混凝土梁没有塑性耗能，仍然处于弹性阶段，符合“强柱弱梁”要求.

5 结果分析

利用文献资料，对结构计算分析和重力弹性分析做出分析评价.何中明[11]选取的是某带斜柱的框架-核心筒建筑结构进行分析，分析结果表明：在斜柱作用下会对其相连楼面板和梁产生较大的拉力，使其更容易破坏.周洲等[12]通过SATWE和ETABS两种软件对某斜柱高层建筑结构进行整体分析，得出结论：斜柱和楼盖梁宜采用弹性方式来计算为佳，本文也是采用了这一方法模拟结构在地震下的受力状态.曹慧玲[13]对某带斜柱的超限高层建筑进行分析，分析结果表明：在荷载作用下，斜柱的倾角越大，位移也就越大， 更容易导致楼板开裂. 本文的斜柱也呈现这样的规律，17层是倾角最大的一层，最容易造成楼板或梁的拉裂.

(a)X方向 (b)Y方向

(a)X方向 (b)Y方向

Lu等[14]通过不同的实验对斜柱倾角、方向加以分析，所得结果符合规范规定.Han等[15]通过实验对斜柱的不同倾斜程度进行研究，结果表明,在荷载作用下，斜柱的倾角越大，越容易破坏.国外学者的研究更倾向于实验研究.

由于斜柱倾角越大，会造成承载力越小，因此通过对与斜柱相连的框架梁和楼面板采取加强措施.

方法一：针对与斜柱相连的框架梁入手，原来的框架梁选用的是钢筋混凝土，现可以改为型钢混凝土，这样框架梁就得到了适当的加强，与原模型对比发现，当受到相同大小的荷载作用时，破坏程度减少了一些，能更好地控制与斜柱相连的框架梁和楼面板的拉力，从而减少破坏.

方法二：针对斜柱相连的楼面板入手，可以通过增加楼板的厚度及对楼板角部增加斜筋[16]，通过加强之后与原模型对比发现，与斜柱相连的楼板内力减小，出现塑性铰的速度也得到了较好控制.因此这两种加强措施均有效，能很好地控制与斜柱相连的框架梁和楼板的受力性能.

6 结论

通过以上计算和分析表明：(1)采用SATWE和ETABS两种软件进行弹性对比分析,得出结构整体计算结果满足要求，且满足结构“小震不坏”的设防水准要求；(2)与斜柱相连构件的内力分析可得斜柱产生较大轴力时，会对周围的楼面板和梁造成较大的拉力，更容易发生破坏；(3)在静力推覆分析中可知，结构满足“强柱弱梁”、框架柱满足具有“二道防线”的基本设计；(4)由于斜柱产生较大轴力，会对周围的楼面板和梁造成影响，因此对斜柱周围的楼面板进行分析，分析结果满足设计要求；(5)采用Perform-3D软件，对结构进行动力弹塑性时程分析(大震)中，在七条波的作用下，本结构层间位移角满足规范规定的1/120，在动力弹塑性时程分析(大震)中，可以发现在天然波TH006TG035作用下的X、Y向的基底剪力最大，因此对其作用下的能量和构件耗能进行分析，分析结果表明，结构极少部分进入非线性应变能，而且结构的塑性耗能主要来自于钢筋混凝土连梁和钢筋混凝土框架梁，进一步验证了本结构满足“强柱弱梁”要求，结构能够满足“大震不倒”的设防水准要求.可以认为本工程体系合理，性能满足相关指标，满足抗震性能设计目标C级的要求.