某带裙房超限高层公寓结构设计

□□ 郑慧敏

(太原市建筑设计研究院，山西 太原 030009)

1 工程概况

该工程为某地块1号楼项目。项目位于城市主干道交汇处，紧邻城市地铁线。主楼采用钢管混凝土框架结构体系，设置两个加强层；裙房采用钢管混凝土框架-钢支撑体系。主楼与裙房连为一体。由于裙楼存在较多不规则，且主楼与裙房偏心距较大，引起整体结构超限。主楼及裙房均为地下4层，结构地面标高为-17.710 m；地上部分，主楼为32层，高度为149.96 m；裙房为5层，高度为27.36 m。-4～-2层主要功能为车库；-1～5层主要功能为商业，局部4～5层为影院；主楼6层及以上为公寓，其中11层、23层为避难层。裙房钢管柱伸至地下一层，主楼钢管柱伸至基础。建筑物总高为149.96 m。该工程安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。超高层建筑效果如图1所示。

图1 超高层效果图

2 地基与基础设计

该项目主楼楼层较多，竖向构件底部荷载较大，根据太原市类似工程的设计经验，主楼核心筒采用钢筋混凝土后压浆灌注桩-筏板基础，主楼及裙房框架柱采用桩-承台基础。

该工程主体核心筒区域下满布后压浆灌注桩，桩长为46.0 m，桩径为800 mm，桩端持力层为第8层粉质黏土层，抗压承载力特征值≮6 000 kN；框架柱采用柱下布桩，桩长为46.0 m，桩径为800 mm，桩端持力层为第8层粉质黏土层，抗压承载力特征值≮6 000 kN。裙房桩长为20.0 m，桩径为700 mm，桩端持力层在地面下第6层粉质黏土层，抗压承载力特征值≮3 000 kN。

3 结构超限情况

根据《山西省抗震设防超限高层建筑工程界定规定》对不规则建筑的规定，该工程超限情况有：相邻层质心相差20%、五层开洞面积为55%、设置2个加强层抗剪承载力突变、裙房北侧及中庭存在穿层柱、局部钢梁外挑超4 m。

针对上述超限情况，该工程从结构体系的选择、抗震等级的确定、设计内力调整、增强重要构件的延性(轴压比和剪压比控制、材料选取、设置边缘构件、型钢混凝土构件)等方面采取了相应的加强措施。

3.1 结构体系选择

主楼采用钢管混凝土框架结构体系，即钢筋混凝土核心筒与伸臂桁架混合，裙房采用钢管混凝土框架-钢支撑体系。钢筋混凝土核心筒和支撑承担大部分地震荷载产生的水平侧力，而剪力墙洞口连梁的设置既起着调节和保证剪力墙侧向刚度的作用，同时在遭受强烈地震时，多数连梁在墙肢屈服之前首先屈服，发挥其塑性变形能力，耗散地震能量，有效减轻主体结构构件的损坏。为增加结构整体刚度，在23层及顶层沿东西方向设置五道整层高的伸臂桁架。

3.2对底部裙楼偏置引起的扭转位移比过大所采取的措施

(1)在裙房及主楼西北角设置五道钢支撑，来减小质心刚心偏置引起的扭转位移比偏大的情况。

(2)小震下控制裙房柱轴压比<0.6，以增加结构延性。

3.3对底部裙楼部分楼板开大洞的验算及构造加强措施

(1)增加构件的性能设计，裙房开大洞四周柱性能目标定为中震弹性。

(2)由于4层顶楼板开有大洞口，局部楼板缺失面积达到55%，为如实反映该层楼板的空间工作特性，防止其因承担过多的水平剪力和变形，在楼板薄弱处较早的进入塑性变形甚至破坏状态，造成结构的安全隐患，对楼板计算采用符合其受力的弹性楼板模型进行验算，并根据中震不屈下楼板的应力图进行设计，选定该层楼板厚度为150 mm、混凝土强度等级为C35、14@150双层双向配筋，以适当提高其抗拉承载力和抗拉刚度。

3.4 增强核心筒延性的措施

为改善混凝土核心筒的延性，采取了以下措施：

(1)核心筒底部加强部位墙肢内设置型钢，钢梁与核心筒连接部位全高设置型钢，墙体轴压比控制在0.45范围内。

(2)核心筒、加强层及其上下各一层柱按特一级构造。

(3)底部加强区及加强层剪力墙墙体配筋率提高至0.6%；底部加强区剪力墙边缘构件体积配箍率提高20%。

(4)中震作用下，拉力由全截面承担。

(5)加强层及其相邻上下层核心筒墙肢应按底部加强区部位要求设置并设置约束边缘构件。

(6)水平结构体系与措施。框架梁及次梁采用H型钢梁，以利于减轻结构自重。为加强结构整体性，核心筒内采用现浇钢筋混凝土楼板，板厚为150 mm，核心筒外采用钢筋桁架楼承板，板厚为110 mm。对开洞部位楼板进行中震应力分析，加厚楼板加强其配筋。

(7)加强层结构体系与措施。为增加加强层的整体性，加强层及上一层核心筒内、外均采用现浇钢筋混凝土楼板，板厚为200 mm，采用双层双向配筋，配筋按照中震不屈下楼板受力配筋，以适当提高其抗拉承载力和抗拉刚度，协调柱与核心筒变形和传递水平力，提高抗侧及抗扭刚度。

4 上部结构设计

4.1 地震作用结构抗震基本参数

根据GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》规定，结构抗震设防类别：1～5层为乙类；6至顶层为丙类。结构分析和设计参数见表1。

表1 建筑结构及设计参数

4.2 结构体系

该项目主体结构总高度为149.96 m。基于建筑与结构综合考虑，采用钢管混凝土框架(钢筋混凝土核心筒与伸臂桁架混合)结构体系；裙房采用钢管混凝土框架-钢支撑体系。

4.3 结构抗震性能目标

参考JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》3.11节条文说明中的举例及相关说明，综合考虑该工程结构的安全性和经济性，将该工程抗震性能目标定义为C级。根据结构构件的重要性将整体结构构件分为三大类：

(1)结构构件(关键构件)：底部加强区(1～5层)、加强层(23层及32层)及其相邻层的核心筒墙；伸臂桁架、与伸臂桁架相连的框架柱；全楼角柱; 五层楼板开大洞四周框架柱。

(2)结构构件(普通构件)：非底部加强区及非加强层核心筒墙、除角柱以外的框架柱。

(3)结构构件(耗能构件)：框架梁、连梁及裙房支撑。

4.4 结构弹性分析结果

结构计算模型如图2所示，其结构弹性分析结果见表2。

表2 结构弹性分析结果

图2 结构计算模型

X、Y方向的振型参与质量为95.73%及96.07%(PKPM结果)，92.62%及93.77%(MIDAS结果)满足JGJ 3中90%的要求。

第一扭转振型周期与第一平动周期的比值为0.76(PKPM结果)和0.75(MIDAS结果)，小于JGJ 3中的限值0.85。

4.5 大震弹塑性时程分析

该工程共选择了两组天然波和一组人工波共三组地震波来进行结构的罕遇地震弹塑性时程分析。计算软件采用由广州建研数力建筑科技有限公司开发的新一代“GPU+CPU”高性能结构动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE(PKPM Seismic Analysis Usage)。结构塑性损伤情况如下：

(1)结构外框架型钢梁中最大塑性应变为0.002 3，属于轻度破坏，塑性应变区域主要集中在底部和中部。加强层支撑未出现塑性应变。其余部位未见明显塑性应变。

(2)外框架钢管混凝土柱未出现受压破坏。

(3)钢管混凝土柱中钢材没有发生塑性应变，结构整体具有较大的安全储备。

4.6 伸臂桁架典型节点分析

采用 ABAQUS6.11进行三维几何实体建模与有限元计算，如图3和图4所示。

图3 节点示意图

图4 大震工况组合作用下节点-应力分布

取 23 层伸臂桁架两个节点进行三维实体建模分析，考虑了多遇地震、中震弹性和罕遇地震三种工况组合。计算结果表明：

(1)所有荷载组合作用下节点区域的钢板应力均小于Q390的屈服应力，处于弹性工作状态，满足设计要求。

(2)竖向荷载作用下最大应力为38.89 MPa，发生在节点板与箱型斜腹杆翼缘连接处，小于Q390的屈服应力。

(3)多遇地震组合作用下，最大应力为130.1 MPa，发生在支撑与钢梁翼缘连接根部，小于Q390的屈服应力。

(4)中震不屈作用下，最大应力为291.7 MPa，发生在节点板与箱型斜腹杆翼缘连接处，小于Q390的屈服应力。

(5)罕遇地震组合作用下，最大应力为378.5 MPa，发生在支撑与钢梁翼缘连接根部，小于Q390的屈服应力。

5 结语

综上所述，该工程虽然存在裙房与主楼相邻层质心相差20%、五层开洞面积55%、设置2个加强层抗剪承载力突变、裙房北侧及中庭存在穿层柱、局部钢梁外挑超4 m等超限情况，但通过结构的合理布置调整和对关键构件的加强，可以满足JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求和该工程的抗震性能目标要求。通过对结构薄弱部位采取合理的加强和构造措施，该工程的结构安全性能得到保证，并能满足建筑物的使用要求。