Y型平面高层塔楼结构设计

洪海波，陈学伟，郑 宜

（1、中新广州知识城投资开发有限公司 广州 510555；2、WSP科进香港有限公司 香港 999077；3、广东城建达设计院有限公司 广东佛山 528200）

1 工程概况

广州某超高层建筑项目包括商业裙房2层、塔楼53层、地下室5层，地下建筑功能主要为车库和机房，塔楼与宴会厅和商业裙房用连廊连接［1］，如图1所示。塔楼与宴会厅和塔楼与商业裙房之间的抗震缝设置如图2所示。本文介绍Y型平面超高层塔楼的结构设计方法。某塔楼建筑面积为274 137.00 m2，塔楼房屋高度为282.90 m（B1层室外地面至主屋面），超过最大适用高度（190 m）约49%，属于超限高层建筑结构，需要进行超限审查。

图2 抗震缝设置示意图Fig.2 Layout of Aseismic Joint

本项目位于广州市地区，根据《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［2］，风荷载基本风压为0.50 kPa，地面粗糙度为C类，风荷载体型系数偏于保守取1.40。由于本工程属于对风荷载比较敏感的高层建筑，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。建筑结构设计使用年限50年，结构安全等级一级。塔楼构单元内经常使用人数超过8 000人，根据《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［3］和《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ 15-92—2013》［4］，抗震设防类别为重点设防类（乙类），抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，多遇地震下水平地震影响系数最大值为0.08（阻尼比为3.5%），设计地震分组为第一组，场地土类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s。

2 结构体系与布置

本项目综合考虑了施工周期及装配式评分要求，结构采用钢管混凝土柱框架（钢管混凝土柱+钢梁框架）-核心筒的结构体系。塔楼建筑平面为Y形（长边约110 m、短边约100 m），外轮廓按回转半径计算高宽比约为5.74。该建筑由3个核心筒组成，每个核心筒宽约11 m，长约34 m。将Y形平面折分成3个翼部，每个翼部塔楼的高宽比超出文献［4］要求，因此协调3个翼部的变形至为关键，采用大截面箱形梁连接3个核心筒，提高结构的抗侧与抗扭能力。塔楼结构整体模型如图3所示。

图3 整体计算结构三维模型Fig.3 3D Model of the Structure

外框柱间距约为10.8 m，外框柱与核心筒距离约为9.7～12.1 m；外框梁和内框梁均采用钢梁，通过计算表明，框筒的连系钢梁即使作为刚接也不能提高抗侧刚度，且由于刚度导致钢结构节点构造复杂，因此连系梁采用铰接处理。楼面钢梁的设计假定为：核心筒与外框柱的连接梁采用两端铰接、外框柱与外框柱的连接梁采用两端刚接、次梁采用两端铰接。

核心筒外楼盖采用钢梁+钢筋桁架楼承板，核心筒内楼盖采用现浇钢筋混凝土梁板。

低区采用钢管混凝土剪力墙，高区采用钢筋混凝土剪力墙，钢管内混凝土强度等级为C70，钢材强度等级为Q390，从嵌固端到37BF层，柱截面由φ1 700×40逐步减小至φ1 300×40；高区由于建筑功能从办公楼变为酒店，外框柱采用圆形钢管混凝土柱和矩形钢管混凝土柱，从38层至顶层，混凝土强度等级由C50逐步减小至C40，办公区外框柱数量为24根，酒店区外框柱数量为20根。在两个区之间的避难层46F和大堂层47F采用斜柱以及转换桁架进行过渡，圆钢管截面按50～100 mm收进。通过计算表明，转换桁架同时具备加强层效应，减少结构的层间位移角。

核心筒材料主要采用钢筋混凝土，从嵌固端到顶层，混凝土强度等级由C70逐步减小至C40，厚度由1.0 m逐步减小至0.5 m。此外，在48F以上，将减少东北位置的1个核心筒。底部加强部位为B1F～6F，为满足抗震性能要求，B2F～8F的核心筒剪力墙内嵌钢管，形成钢管混凝土剪力墙核心筒，以满足轴压比和中大震受拉受剪的要求。

3 结构超限情况及抗震性能目标

3.1 超限内容

按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》［5］，塔楼超限内容为：①高度超限，房屋高度为282.90 m，超过了钢管混凝土柱框架-核心筒结构的最大适用高度（7度区最大适用高度为190 m）；②扭转不规则，考虑偶然偏心的X向规定水平力作用下最大扭转位移比为1.36；③楼板不连续，大部分楼层存在有效宽度小于50%的情况；④尺寸突变，47F竖向构件缩进位置大于25%；⑤局部不规则，斜柱构件、塔楼存在3个不连续的转换桁架。

3.2 抗震性能目标

结构抗震性能目标取C级，小震、中震和大震下的性能水准分别为1、3、4，即关键竖向构件应保证中震弹性、大震不屈服。各性能水准对应的震后性能状况如表1所示，结构构件抗震性能目标如表2所示。表2中依据《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程：广东省标准DBJ 15-151—2019》［6］：结合性能水准要求，针对本工程结构的特点和超限内容［7］，结构构件实现抗震性能要求的层间位移角指标。

表1 各性能水准结构预期的震后性能状况Tab.1 Objectives of Structure under Earthquake for Different Seismic Performance Level

表2 结构构件承载力设计要求Tab.2 Design Requirements of Member Capacity

4 小震与中震性能分析

4.1小震与风荷载分析

采用YJK及ETABS软件对结构进行小震及风荷载分析。结构小震反应谱采用规范谱；结构风洞试验在华南理工大学土木与交通学院风洞实验室进行，结构设计风荷载采用规范风荷载和风洞试验提供的等效静力风荷载的包络值。

小震分析结果如表3所示，从表3中可以看出，两种软件的计算结果比较吻合，风荷载分析结果如表4所示，各项指标均符合文献［4］的要求。

表3 小震作用下结构性能分析主要结果Tab.3 Results of Structural Performance Analysis un⁃der Frequent Earthquake

表4 风荷载作用下最大层间位移角、首层剪力Tab.4 Max Story Drift and Base Shear under Wind Load

结构周期比为0.88，小于0.90；结构最大扭转位移比为1.36。

YJK软件计算的层间位移角曲线如图4所示。不同方向地震作用的X、Y向位移角均远小于1/500，说明结构具备足够的侧向刚度，满足文献［4］的要求；层间位移角与位移曲线突变是由剪力墙缩进与转换桁架的加强层效应引起的。

图4 结构在小震作用下的层间位移角Fig.4 Story Drift of Structure under Frequent Earthquake

4.2 中震性能分析

采用YJK软件进行中震构件性能分析。底部加强区剪力墙满足中震抗剪弹性性能指标，非加强区剪力墙满足中震不屈服指标。由分析结果可知，在双向水平地震下，由于核心筒占比较大，局部核心筒剪力墙承受偏拉作用，但由轴拉力产生的名义拉应力均小于1.0ftk，如图5所示，按计算配置受拉钢筋即可满足偏拉承载力要求。因此，核心筒剪力墙的含钢率由轴压力控制，剪力墙含钢率为1.5%。

图5 受拉剪力墙构件的分布Fig.5 Layout of Shear Walls Bearing Tension

5 大震弹塑性时程分析

采用Perform-3D程序［8］对塔楼进行弹塑性时程分析。通过小震弹性时程分析选取2组人工波和5组天然波（GM1～GM5），7组地震波作用下的结构基底剪力均在振型分解反应谱法计算基底剪力的65%～135%范围内，7组地震波作用下的平均基底剪力在振型分解反应谱法计算基底剪力的80%～120%范围内，地震波的反应谱分析结果如图6所示，满足文献［4］关于地震波选取的要求。分别按0°、90°为主方向进行双向弹塑性时程分析，并以结果最大值进行结构抗震性能评估。

图6 地震波反应谱曲线与规范谱对比Fig.6 Response Spectrum Comparison from Earthquake Waves and From Code

计算模型仅考虑地上结构，在简化模型中将塔冠质量施加在塔楼屋面，采用Perform-3D建立结构三维非线性整体分析模型，该计算模型与弹性计算的YJK模型对应，Perform-3D弹塑性模型如图7所示。

图7 结构Perform-3D模型Fig.7 Perform-3D Structure Model

梁和柱采用纤维截面来模拟，梁采用一维纤维单元模拟，柱采用二维纤维单元模拟。梁柱均采用塑性区与弹性杆系拼接形成单元（集中塑性模型）。详细非线性计算分析及假定在韩小雷等人的研究［9-10］中有详细的描述。经过弹塑性分析所得结构层间位移角曲线如图8所示，最大层间位移角为1/139，满足小于1/100的要求。结构在X方向和Y方向的非线性耗能比例最大值分别为9.90%和10.95%。

图8 结构在大震作用下的层间位移角Fig.8 Story Drift of Structure under Rare Earthquake

X方向大震作用下基底剪力为115 997 kN，Y方向为114 784 kN，大震与小震基底剪力的比值为6.28（X方向）与6.16（Y方向），表明大震达到有效耗能的属性。

对框架梁、钢管柱、剪力墙墙件转换桁架等关键构件进行弹塑性评估，满足性能目标要求。中上部的核心筒的连梁是主要耗能构件，出了较多的塑性变形仍满足变形要求，如图9、图10所示。柱墙构件处于未屈服状态，表明关键构件在大震作用下满足性能目标的要求。

图9 结构梁构件及柱构件在大震下的正截面性能分布Fig.9 Flexure and Axial Performance of Beams and Columns under Rare Earthquake

图10 结构剪力墙在大震下的正截面性能分布Fig.10 Flexure and Axial Performance of Shear Walls under Rare earthquake

6 结论

本文所述塔楼房屋高度超过最大适用高度190 m、且存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、局部不规则（包括穿层柱、斜柱、局部托柱转换、夹层）等4项不规则情况。塔楼采用钢管混凝土柱框架-核心筒结构。结构设计时针对其Y形平面的特点及装配率评分标准要求，采用了钢管混凝土框架-钢筋混凝土剪力墙的结构形式，通过在底部采用C70混凝土及钢管混凝土墙来减少底部墙肢厚度。根据建筑功能特点，中低区采用圆钢管混凝土柱，高区采用矩形钢管混凝土柱，对整体结构体系及布置进行钢构件的截面细化，且设置有效的耗能机制，使之具有良好的结构性能。3个核心筒通过大截面箱形截面钢梁相连，保证3个翼部协调工作，提高结构的抗侧及抗扭刚度。

本工程进行了小震中震下的弹性分析，大震下对关键构件进行不屈服及弹性验算，以及采用Perform-3D软件进行结构弹塑性分析，完成基于性能的抗震分析。在大量分析的基础上，对结构提出了相应的超限加强措施。目前该工程已通过超限审查。