山东省某综合营业楼超限高层结构设计

2021-09-08董兴平

结构工程师 2021年3期

董兴平

（山东省城乡规划设计研究院，济南250013）

1 项目简介

项目为金融业综合营业楼（图1），分主楼与裙楼两个单体工程。主楼地下3层、地上20层，高度99.95 m，长约84.7 m，宽约34.0 m；首层层高6.6 m，2层、3层为5.7 m，4层为5.1 m，5～20层为4.5 m。裙楼高度23.25 m，长约72.0 m，宽约32 m；首层层高6.0 m，2层、3层为5.7 m，4层为5.4 m。地下部分：长约150 m，宽77.3～114.8 m（北宽南窄，呈梯形）；地下1层层高6.0 m，地下2层为4.8 m，地下3层为3.9 m。建筑总面积105 893 m2，其中地上66 300 m2，地下39 593 m2。裙楼使用功能1层为入口大堂和银行营业大厅，2层为会议中心，3层是中心机房，4层是工会活动空间。主楼使用功能为银行商务办公楼及中心机房、档案室等，16层布置为行政楼层，顶层布置为金融中心。地下共3层，地下1层结合下沉广场布置职工餐厅和银行管保区域；地下2层和地下3层均为车库和设备用房。

图1 效果图Fig.1 Overview of Building

本项目结构安全等级为二级，局部为一级。结构设计使用年限50年，基本风压0.45 kN/m2，重点设防类别。依据《工程场地地震安全性评价报告》，抗震设防烈度按照7度考虑，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅱ类，地震特征周期0.45 s。中震及大震作用内力计算按规范规定的地震动参数取值［1］。

2 平面特点及结构体系

2.1 抗震缝及平面特点

本项目综合营业楼分为主楼与裙楼，裙楼为L形。若主楼与裙楼连在一起，平面布置极其不规则，结构受力复杂。主楼及裙楼地上连接处设一道150 mm抗震缝，地下室连为一体。通过中震地震作用计算确定抗震缝宽度。增设抗震缝后，地上结构成为两个独立的抗震单体，设防概念清晰。

主楼及裙楼±0.000 m楼板与周边车库顶板存在高差约1.8 m。地下1层设有下沉广场，约50 m×36 m。该广场紧靠主楼南侧框架柱边缘及裙楼西侧北侧边缘，导致主楼及裙楼嵌固层均下移至地下2层顶板处，地下1层形成局部多塔楼结构。主楼及裙楼结构嵌固部位均为地下2层顶板（-5.700 m），地下1层顶板（±0.000 m）嵌固包络。

地下车库坡道紧邻地下室周边外墙，地下室东北部存在多个大面积设备房，设备房内地下2层楼板局部开大洞。地下车库坡道及设备房楼板的缺失，削弱了地下室外墙对大底盘的侧向约束。

主楼1层及2层楼板开大洞，2层楼板有效宽度Y向约3 m，北侧边缘未闭合，楼板有效宽度小于50%，两个核心筒之间联系薄弱。裙楼凹凸不规则，南侧外凸长度占比为56%，3层西侧楼板开大洞。

地下1层至地上2层，6个跃层柱位于主楼北侧及南侧外围。通高柱高度13～19 m。裙楼南侧跃层柱高度约10.3 m。

2.2 结构选型

主楼采用框架-核心筒结构双重设防体系，符合延性设计基本原则，具有多道抗震设防专线，抗震能力强。裙房平面大空间较多，刚度偏弱，局部方向为单榀框架，采用具有多道抗震设防专线的框架-剪力墙结构。

主楼与裙楼平面布置图详见图2-图5。

图2 地下1层平面图Fig.2 Layout of ground floor

图3 主楼2层平面图Fig.3 Layout of the second floor of the main building

图5 主楼及裙楼3层平面图Fig.5 Layout of third floor of main building and podium building

图4 主楼标准层布置图Fig.4 Layout of standard floor of the main building

主楼核心筒外圈剪力墙从基础底至12.150 m厚700 mm，从12.150 m至屋面为500 mm、400 mm；核心筒内墙底层截面400 mm、300 mm，随高度增加逐渐变为300 mm、250 mm、200 mm等。主楼底层跃层柱局部采用型钢混凝土柱，截面最大1 200 mm×1 300 mm，其余框架柱随高度增加逐渐变为1 000 mm×1 000 mm、900 mm×900 mm、800 mm×800 mm等。框架柱及抗震墙钢筋混凝土标号为C35～C55。裙楼柱截面为700 mm×700 mm、600 mm×600 mm、500 mm×500 mm等，剪力墙为300 mm、250 mm等，墙柱钢筋混凝土标号C30～C35。

3 结构超限判别及关键构件抗震性能目标

3.1 超限综合判别

依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质〔2015〕67号）的相关规定，判别如下：

（1）扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2。主楼2～3层Y向最大位移比1.25，大于1.20。裙楼最大位移比1.35，大于1.20。

（2）楼板不连续，主楼2层楼板开大洞，北侧边缘未闭合，楼板有效宽度小于50%。裙楼3层西侧楼板开大洞。

（3）凹凸不规则，裙楼南侧外凸长度占比56%。

（4）尺寸突变，多塔。主楼与裙楼形成一个以地下1层为大底盘的多塔楼结构。裙楼4层南楼收进39 m，长度占比56%。

（5）主楼7层、9层、11层、13层、15层、17层、19层有穿层柱，属于局部不规则。

主楼及裙楼不规则项均大于3项，属于抗震超限结构。

3.2 关键构件抗震性能目标[2-3]

根据本工程超限的特点，针对结构薄弱楼层、薄弱构件及设防关键构件采取性能化设计（表1）。结合弹性计算分析、弹塑性分析及局部位置的专项分析结果，对关键部位采取更进一步的加强措施。

表1 关键构件抗震性能目标Table 1 Seismic performance objectives of key components

本节重点介绍主楼性能化设计内容。考虑到主楼剪力墙底部加强区高度范围内剪力墙及框架柱的重要性，着重对该区域内的关键构件进行性能化加强。加强范围为嵌固层至标高12.150 m。

（1）主楼1层及2层楼板开大洞，降低了主楼的抗震性能。底部加强区内核心筒、跃层柱的抗震性能加强，地上1～3层地震作用标准值剪力放大1.25倍。

（2）加强3层以下核心筒的强度及刚度，核心筒抗剪承载力中震弹性及大震不屈服要求；小震计算时采用两层（2层、3层）合一层并层计算包络值。

（3）跃层柱保证中震弹性。小震计算时采用两层合一层并层计算包络值。

（4）3层楼板加厚加强配筋，中震楼板抗剪承载力弹性，大震下楼板抗剪承载力不屈服。

4 结构弹性分析

采用盈建科结构设计软件YJKS进行小震弹性整体分析，ETABS软件校核（表2）。结构计算采用整体及分塔包络（主楼及裙楼独立分析及组合模型分析）及嵌固层包络。考虑地震偶然偏心、双向地震作用，局部构件考虑竖向地震作用。现浇板大开洞周边楼板均定义为弹性板，考虑现浇板的实际弹性变形影响。主楼楼层标高12.150 m以下，按照薄弱层加强。主楼框架分配的楼层地震剪力标准值的最大值不小于结构底部总地震剪力标准值的15%（由10%提高至15%）［4］。

表2 主要计算结果（括号内为ETABS结果）Table 2 Main calculation results（ETABS results in brackets）

主楼楼层标高12.150 m以下采取加厚混凝土墙等措施后，楼层刚度比满足要求，整个主楼楼层未出现薄弱层。结构扭转周期比均小于0.9。X，Y两个方向的剪重比均大于1.6%。层间位移角均大于1/800，层间位移及最大位移比主楼为1.25，裙楼远端为1.35。楼层刚重比均符合整体稳定要求，内力及变形分析时不用考虑P-Δ效应。两种软件的分析结果误差很小，具有同样的规律性，结构内力计算结果准确。

5 静力弹塑性分析

为验证罕遇地震下主楼的工作性能，采用YJKS盈建科结构设计软件进行静力弹塑性分析。推覆水平荷载采用规定水平力，地震影响系数最大值取0.5，特征周期0.5 s，阻尼比5%。共进行了X+，X-，Y+，Y-四种推覆工况，考虑P-Δ二阶效应。非线性分析结果如表3所示。

表3 非线性分析结果Table 3 Nonlinear analysis results

最大层间位移角X，Y向分别出现在15层及18层，为1/349，小于规范规定的1/100，满足规范相关规定［4］。

（1）性能点处的性能状态：X向推覆，墙轻微损伤1.3%，梁3.9%，柱0.3%。墙级别为轻微损伤，出现在底部加强区以上区域。梁大部分损伤是与混凝土墙直接连接的框架梁及核心筒之间的连梁，框架柱及跃层柱基本完好。Y向推覆，墙轻微损伤0.7%，梁4.6%，柱0.4%。墙体为轻微损伤，出现在底板加强区以上区域。与混凝土墙直接相交的框架梁及核心筒之间的连梁大部分损伤，框架柱及跃层柱基本完好，见图6、图7。

图6 X向推覆性能状态Fig.6 Pushover performance status in X direction

图7 Y向推覆性能状态Fig.7 Pushover performance status in Y direction

（2）出铰分析：X向推覆，随着推覆加载，结构上部楼层西侧框架梁（框架梁与混凝土墙直接连接）出铰，而后上部楼层东侧开始出铰及核心筒外筒连梁端部破坏，框架柱基本完好，局部墙体有轻微损伤。Y向推覆，随着推覆加载，结构上部楼层南侧框架梁（框架梁与混凝土墙直接连接）出铰，而后上部楼层北侧开始出铰及核心筒外筒连梁端部破坏，框架柱基本完好，局部墙体有轻微损伤。

（3）受压损伤基本未出现，局部短墙肢受拉损伤，未有严重的破坏。

（4）水平构件（连梁、框架梁）作为第一道抗震防线耗能退出，达到了预期设防目标。

（5）随着推覆加载，剪力墙出现局部轻微损伤。在大震性能点处，剪力墙起到第一道防线作用。出铰破坏均为水平耗能构件，而框架柱基本完好，起到二道防线的作用。在大震性能点处，结构竖向构件基本保持弹性，重要构件抗震性能表现良好。

（6）加载到性能点后推覆继续加载，上部楼层框架梁及连梁损伤逐渐加重，由轻微—中等—较重—破坏退出演变。破坏的构件从上部楼层逐渐向下部楼层延伸。剪力墙底部加强区相邻上部楼层剪力墙逐渐出现破坏，同时一部分框架柱底部出铰破坏。随着破坏构件的增多，底部加强区的剪力墙也出现了轻微—中等的损伤，核心筒之间的连梁破坏退出，但底部加强区内的框架柱基本未出现损伤。

6 楼板应力分析

主楼2层为楼板开大洞，核心筒之间楼板联系较弱，为加强核心筒之间的连接性能，2层楼板加厚至200 mm。由于2层北侧楼层处未设框架梁，呈现缺口状，导致上部楼层水平地震力借助于3层楼板传递。同时为协调东西核心筒变形及工作性能，3层楼板也采取加厚处理，板厚200 mm，增大楼板面外刚度。为保证设防地震、罕遇地震下楼板的抗剪承载力性能，设计时对2层、3层楼板进行了中震及大震的应力分析。

楼板应力分析采用YJSK盈建科结构设计软件，定义楼板为弹性板。总计分为两个工况：工况1，中震应力分析；工况2，大震应力分析。

（1）工况1：3层楼板主应力除局部剪力墙附近应力集中以外，绝大部分为0.8～1.0 MPa，沿剪力墙周边最大应力可达1.8 MPa。大部分楼板剪应力为0.5～0.7 MPa，剪力墙周边最大应力可达1.3 MPa。

2层楼板主应力个别应力集中，一般为0.3～1.0 MPa，剪力墙周边最大应力可达1.8 MPa。大部分楼板剪应力为0.4～1.0 MPa，剪力墙周边最大应力可达1.4 MPa。

楼板计算配筋基本为构造要求，配筋率0.25%双层双向即可满足，局部配筋面积最大处为800 mm2。

（2）工况2：3层楼板主应力除应力集中以外，一般为1.2～1.7 MPa。楼板剪应力，绝大部分为1.5～1.6 MPa。

2层楼板主应力除应力集中以外，绝大部分为1.5～1.7 MPa。楼板剪应力，绝大部分为1.0～1.6 MPa。

楼板计算配筋基本为构造要求，配筋率0.25%，双层双向即可满足，局部配筋面积最大处为1 200 mm2。

（3）本工程楼板混凝土标号C35，双层双向配筋面积为1500 mm2。中震、大震下混凝土楼板不会导致大范围楼板开裂。

7 温度应力分析

主楼长约84.7 m，裙楼长约72.0 m，地下部分长约150 m，宽77.3～114.8 m。建筑物长度均超过《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［5］规定，应增设温度伸缩缝。考虑到建筑使用功能等因素，主楼、裙楼单体及地下部分均未增设温度收缩缝，进行温度内力计算，优化配筋结果，采取构造措施控制温度裂缝。本节主要结合主楼温度应力分析情况阐述温度应力对主楼梁、板、墙、柱内力影响规律，并采取一系列措施保证结构安全［6］。

温度应力分析采用YJKS盈建科结构设计软件。温度作用分析按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）［7］要求，考虑最大升温、最大降温工况均匀温度作用，详见规范［7］9.3.1条。计算时取整体温差（+15℃，-15℃）。温度应力荷载组合考虑恒载、活载、风载的各工况荷载组合，组合系数0.6，分项系数1.5。温度升温及降温变形如图8、图9所示。底部楼层在温度作用下承担了较大的压力和拉力。升温时结构顶部膨胀趋势明显，降温时结构顶部收缩明显。

图8 升温工况Fig.8 Heating up condition

图9 降温工况Fig.9 Cooling condition

（1）主楼顶部几个楼层的框架梁（连接内筒与边柱的框架梁）温度应力影响较大，配筋应复核加强。

（2）温度应力作用下底部楼层墙柱内力重分配，在升温及降温时会产生一定的拉压力，对墙柱轴压比影响较大。设计时应严格控制墙柱轴压比（地下3层至地上4层），防止轴压比超限，应留出一定的富裕度。

（3）主楼结构下部楼层（地下3层～地上4层）的梁板出现拉压轴力，应增设温度筋，适当增大梁板构造配筋率。

（4）主楼核心筒之间与周边的楼板，因为受到剪力墙的约束作用，导致温度应力集中，楼板配筋时应加大配筋率。

（5）局部楼层大跨度梁对温度作用较敏感，应适当加强配筋。

8 空腹梁内力分析

本工程局部大空间采用空间网格板体系（钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构），详见贵州市地方标准《钢筋混凝土空腹夹层板楼盖结构技术规程》（DB 22/48—2005）［8］。本次采用Ⅰ型空腹加层板，即底板没有薄板，简称为空腹梁。楼盖长×宽为39 m×26.4 m，网格间距1.95 m×1.95 m。采用板-空间梁柱单元有限元分析和计算，精确模拟梁板柱在荷载作用下的实际内力变形。本节进行了三种工况下的内力分析。

工况1，空腹梁上下肋及剪力键截面不变，空腹梁的高度从1 000 mm变化至1 600 mm。上下肋截面400 mm×400 mm，剪力键400 mm×400 mm。内力统计折线详见图10。

图10 内力折线图Fig.10 Internal force line chart

工况2，空腹梁高度及剪力键截面不变，改变上下肋截面。空腹梁高度1 400 mm，剪力键400 mm×400 mm。内力统计折线详见图11。

图11 内力折线图Fig.11 Internal force line chart

工况3，空腹梁高1 400 mm，上下肋截面300 mm×300 mm，改变剪力键截面，分析结果见表4。

表4 内力结果Table 4 Internal force results

对数据进行统计分析，得出结论如下：

（1）空腹梁高度取值越大，各构件内力变化越平缓。空腹梁高度较小时，空腹梁端部及跨中杆件内力变化幅度较大，上下肋、剪力键采取分段变截面设计更合理，同时应加强支座附近区域杆件。

（2）确定空腹梁的杆件截面时，上下肋轴力起决定性作用。应重点加强局部区域剪力键设计，防止剪力键斜截面过早破坏。

（3）在保证空腹梁承载力及正常使用能力状态的同时，减小上下肋截面可以取得一定的经济效果。

（4）剪力键截面在调整空腹梁的刚度方面作用较小。应在重点区域加强剪力键截面，不宜大面积增大剪力键截面。

9 结构设计难点及加强措施

（1）地下车库坡道紧邻地下室周边外墙，使地下室外墙周边形成楼板大洞口，地下室顶板水平力传导中断，导致主楼及裙楼的有效侧向约束降低。在地下车库通道部位增设垂直于地下室外墙的钢筋混凝土墙，均匀布置，增加水平力传导路径，可以增强地下室刚度及对主楼裙楼的侧向约束。

（2）主楼1层及2层楼板开大洞，降低了主楼的抗震性能。底部加强区内核心筒、跃层柱的抗震性能加强，地上1～3层地震作用标准值剪力放大1.25倍，核心筒地震力标准值放大1.1倍，框架的地震剪力标准值增加到底部总剪力标准值的15%。保证核心筒抗剪承载力满足中震弹性及大震不屈服要求；小震计算时采用两层（2层、3层）合一层计算包络值，并层计算层刚度比。底部加强区框架梁柱、抗震墙抗震等级提高一级。

（3）跃层柱采用并层计算。在性能化设计的基础上内设型钢提高框架柱的延性，外框长柱按照短柱的剪力复核承载力，跃层柱抗震等级提高至特一级。2层、3层楼层处形成闭合双向钢暗框架（型钢梁柱）。2层薄弱处楼板及3层楼板加厚加强并按照中震与大震复核平面内的承载力，达到预期性能化目标。