某商业广场超限结构设计研究

张学深 邓侣伟

(江西同济建筑设计咨询有限公司 江西南昌 330077)

1 工程概况

某商业广场位于湖南省长沙市，建筑主要功能为商业、影院、公寓等，总建筑面积约384 124 m2。其中88#楼、89#楼为超高层综合体，裙房部分为商业，建筑整体效果如图1所示。88#楼地上55层，地下3层，高度约205.5 m；89#楼地上45层，其中裙房4层，地下3层，高度约206.2 m，本文以89#楼为例，介绍其超限结构设计相关内容。

图1 建筑效果图

89#楼采用框架-核心筒结构体系，标准层结构平面尺寸为42.0 m×42.0 m，高宽比为4.9，核心筒尺寸14.82 m×23.40 m，核心筒高宽比为13.90，下部设置三层地下室，底板埋深约14 m，该项目地下室平面尺寸约265.5 m×236.59 m，结构超长。

±0.000相当于绝对标高34.8 m，塔楼基础采用桩筏基础，筏板及桩基皆以砾砂层为持力层，其中桩基采用桩侧及桩端后注浆技术，可以有效提高其单桩承载力。地下室抗浮设计水位29.5 m，地下室及裙楼局部抗浮不足之处局部设置抗浮锚杆。

2 设计参数

2.1 设计标准

结构设计基准期50年，设计使用年限50年。

5层楼面以下安全等级为一级，抗震设防类别为重点设防类，5层楼面以上安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类，桩基及基础设计等级为甲级，5层楼面以下框架、核心筒抗震等级为一级，5层楼面以上框架、核心筒抗震等级为二级。

2.2 自然条件

(1)基本风压：0.35 kN/m2(重现期50年)，地面粗糙度类别为C类；基本雪压：0.45 kN/m2(重现期50年)。

(2)抗震设防烈度为6度，5层楼面以下抗震措施烈度为7度；5层楼面以上抗震措施烈度为6度；建筑场地类别Ⅲ类；设计地震分组为第一组；场地特征周期0.45s。

3 工程地质及水文条件

3.1 工程地质

自上而下依次为人工填土(分为杂填土①-1和素填土①-2)、粉质黏土②、粉质黏土③粉土④、粉砂⑤、圆砾⑥、砾砂⑦。该工程地质情况如表1所示。

表1 土层设计参数

3.2 水文条件

场地地下水主要为上层滞水和孔隙承压水，上层滞水赋存于素填土层中，主要接受大气降水的入渗补给，向场地低洼地段蒸发、排泄。孔隙承压水主要赋在粉砂、圆砾、砾砂等第四系松散岩类孔隙水，具承压型，水量较丰。该层地下水与浏阳河水具水力联系，在丰水期主要受大气降水及浏阳河水补给，在枯水季节则直接被蒸发或侧向径流排泄。

4 基础设计

该工程89#楼为超高层建筑，采用框架-核心筒结构体系，柱底内力大，且超高层建筑对水平荷载敏感、差异沉降敏感。根据地勘报告揭示的地质情况及报告建议，基础拟采用桩筏基础，因89#底板下部大部分区域已位于砾砂层，圆砾层局部缺失或层厚不一，桩基础持力层采用砾砂⑦，桩长约25 m～28 m，采用桩侧、桩端后注浆工艺。

该工程地下室底板面标高为20.45 m，根据勘察报告，基坑开挖后，底板标高处的岩土层大部分区域为圆砾层或砾砂层，二者工程力学性能差异较小，厚度相对较大，且场地内普遍分布，地基土较均匀，皆为良好的天然地基基础持力层。

5 结构布置及设计特点

5.1 结构布置

各层平面结构布置图如图2～图6所示。

图2 2层平面结构布置图

图3 3层平面结构布置图

图4 4层平面结构布置图

图5 5层平面结构布置图

图6 标准层平面结构布置图

5.2 设计特点

(1)超长、超宽、超高：地下室长×宽为265.5 m×236.59 m，89#楼总高度约206.2 m，为B级高度高层建筑。

(2)大开洞：四层楼面存在楼板大开洞，楼板不连续。

(3)穿层柱：由于四层楼面存在大开洞，导致南侧、北侧主楼框架柱存在跃层。

(4)型钢混凝土柱：基础顶至10层核心筒周边框架柱采用型钢混凝土柱，其中角柱内部型钢伸至28层。

(5)由于功能限制，东西两侧中部框架梁搭在核心筒连梁上。

(6)由于功能限制，主楼四角框架柱皆为超短柱。

6 结构超限情况及抗震性能目标

6.1 结构超限情况

根据住房和城乡建设部印发的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[1]，89#楼存在高度超限、局部穿层柱、楼板不连续等多项不规则，为超限高层。不规则项超限判别如表2所示。

表2 结构不规则项超限判别表

6.2 抗震性能目标

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)[2]中关于结构抗震性能化设计方法，该工程抗震性能目标定为C级，具体如表3所示。

表3 结构抗震性能列表

7 整体分析

7.1 小震反应谱计算分析

该工程采用SATWE及YJK两种软件进行小震弹性对比分析。采用振型分解反应谱法计算，并考虑偶然偏心及双向地震作用，计算结果如表4所示。两种软件分析得出的结构响应基本一致，主要计算指标均能满足规范要求。

表4 多遇地震下结构弹性分析结果

7.2 小震作用下的弹性时程分析

该工程采用人工波RH1TG045、RH4TG045和天然波TH010TG045、TH002TG04、TH120TG045、TH001TG045和 TH114TG045共七条，采用SATWE软件进行弹性动力时程补充分析。每组地震波计算所得基底剪力均大于反应谱计算结果的65%，基底剪力平均值大于CQC法计算结果的80%，满足规范[3]对弹性时程分析法输入地震波的基底剪力要求。

弹性时程分析计算出的基底剪力、楼层剪力平均值略大于CQC法计算结果，施工图设计时，根据时程分析计算结果将CQC法基底剪力、楼层剪力进行相应放大，包络设计。

7.3 大震动力弹塑性时程分析

采用SAUSAGE软件进行大震下的动力弹塑性分析，选用了两组天然波TH049TG045、TH043TG045和一组人工波2TG050，共3组地震波进行分析，各组地震波均按地震主方向为X向、Y向分别进行加载，主方向与次方向的加速度峰值比值为1∶0.85。

所采用地震波满足国家《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第4.3.5条规定——多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

为判断模型的合理性，列出SATWE模型与SAUSAGE 模型周期与质量对比，如表5所示,大震基底剪力及大震位移如表6～表7所示。

表5 SATWE模型与SAUSAGE模型周期与质量对比

表6 弹塑性大震基底剪力和剪重比表格

表7 弹塑性大震位移表格

对动力弹塑性时程分析所得整体计算结果进行分析如下：

(1)由上述数据可以看出，各条地震波作用下计算的结果最不利X向最大层间位移角达到1/269，最不利Y向最大层间位移角达到1/166，均小于弹塑性层间的规范限值(1/100)，该工程在大震下的变形满足要求。

(2)罕遇地震下结构底部的地震剪力约为多遇地震下的4～5倍，部分构件进入了塑性阶段；性能分析表明大部分梁、柱处于轻微～轻度损坏状态，满足抗震性能目标要求。核心筒剪力墙、框架柱、框架梁损伤如图7～图9所示。

图7 核心筒剪力墙损伤云图

图8 框架柱损失云图

图9 框架梁损伤云图

8 关键构件抗震措施

(1)穿层柱：柱内设置钢骨，严格控制小震作用下的轴压比。设计中将穿层柱的抗震等级提高一级，箍筋通高加密。

(2)短柱、超短柱：严格控制短柱、超短柱轴压比，柱内设置型钢。对于超短柱，将柱内型钢向上延伸至28层，箍筋规格不小于d14，箍筋通高加密，并适当提高箍筋体积配箍率。

(3)核心筒连梁：部分框架主梁搭接在核心筒连梁上，对该处连梁进行性能化设计，按中震弹性进行设计。连梁内设置交叉暗撑，提高其抗震性能。

9 结论

本文针对结构具体特点，设定了适宜的抗震性能目标；并采用多种软件，针对各性能水准进行了相应计算分析。针对该工程楼面大开洞、穿层柱、超短柱等特点，在计算分析基础上，采取针对性的抗震加强措施。分析结果表明，结构可以满足相应的抗震性能目标。