广州某超限高层办公大楼结构设计

2021-12-08李广斌顾太华

广东土木与建筑 2021年12期

李广斌，顾太华

（1、广州市城投发展控股有限公司广州 510030；2、广州瀚华建筑设计有限公司广州 510655）

关键字：超限高层钢筋混凝土框架-核心筒结构；弹性时程分析；弹塑性时程分析；线性屈曲分析

1 工程概况

某超限高层办公大楼位于广州市未来CBD 起步区，总建筑面积约10.7 万m2，地上约8.5 万m2，地下约2.2 万m2。项目设4 层地下室，底板面标高为-18.1 m；地面以上32层，1～7层为裙楼，7层以上为标准层，标准层层高为4.2 m，室外地面算起的建筑屋面总高度为136.6 m，两向的高宽比均为2.88。地下室-1 层为商业，其余层为车库和设备用房，地上首层为大堂和商业，2 层以上11、22 层为避难层，其它层均为办公。建筑效果及标准层平面如图1、图2 所示。抗震烈度为7 度，设计基本地震加速度峰值为0.1g，地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，设计基准期为50年。办公塔楼核心筒尺寸约20 m×20 m。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

图2 标准层Fig.2 Standard Floor Plan

2 结构特点

本项目标准层建筑平面尺寸为47.4 m×47.4 m，塔楼高宽比2.88；核心筒高宽比为7.87。整体平面布置较为规则，空间布局合理，故考虑采用技术成熟的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系［1］。落地核心筒为主要的抗侧力构件，结合建筑平面及立面造型，外围布置了16 根混凝土柱（10 层开始减小截面），以稀疏框架的形式来满足高档办公楼有大面积、开阔景观视野及尽量增加实用建筑面积的功能要求，同时亦可满足地下室车库最大限度停放车辆的需要。由于建筑造型的需要，外框柱第28～30 层逐渐向核心筒呈中心对称状倾斜。结构受力体系由外框架+核心筒组成，共同构成2 道抗震防线，提供结构必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度。水平荷载产生的剪力和倾覆弯矩由外框架和核心筒2 道防线共同承受，其中核心筒承担了大部分剪力和弯矩［2］。

结构楼盖为钢筋混凝土梁板式体系，楼层核心筒区域的楼、电梯间及设备管井处，因开洞削弱及大量管线集中埋设的削弱导致楼板相对薄弱，为加强该区域楼板，板厚增至150 mm。由于本工程28～30层框架柱逐渐向核心筒呈中心对称状倾斜，28层楼盖提供阻止斜柱向外移动的约束，因此28层板厚均加至150 mm［3］。

3 超限判别及构造措施

依照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》［4］和《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》［5］，本项目存在扭转不规则（考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.37＞1.2）、楼板不连续（2 层有效宽度42.9%＜50%）、局部不规则（2、4 层局部的穿柱，28～30 层斜柱）等超限情况，结构存在3 项体型不规则项［5］，属于体型特别不规则结构，但不属于特殊类型高层建筑及超限大跨空间结构。

按照《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ 15-92—2013》［6］采用抗震性能设计，通过对结构进行小震、中震和大震作用下的计算分析，保证结构能达到性能C 的抗震性能目标，抗震构件进行小震、中震下的承载力计算配筋包络设计。将剪力墙底部加强部位、斜柱及与斜柱相连的水平构件定为抗震关键构件，在抗震性能化设计中确保其达到相应的性能目标要求。加强连接薄弱部位及斜柱起始层28 层的楼板厚度及配筋，并根据楼板应力分析结果，相应加强应力较大的部位楼板的配筋。根据楼板应力分析结果，并对斜柱及其起始楼层相交梁进行内力分析，加强起始楼层相交梁的配筋。加强剪力墙的构造配筋，以保证剪力墙在罕遇地震作用下不率先出现剪切破坏，并具有良好的压弯延性。

4 抗震性能目标

根据本工程的超限情况、结构特点和经济性的要求，选定本工程结构的抗震性能目标为性能C级，即中震构件满足性能水准3，大震构件满足性能水准4［3］。具体抗震设防性能目标如表1所示。

表1 抗震设防性能目标Tab.1 Seismic Fortification Performance Targets

5 结构整体计算与设计

5.1 多遇地震作用下整体计算

本项目采用了YJK 和ETABS 两个三维分析软件进行计算分析，计算时考虑双向地震作用、单向偶然偏心，梁弯曲刚度考虑楼板翼缘影响予以增大。小震采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法（CQC 法）进行常规分析，通过对两个模型计算结果的分析对比，确保分析结果合理、可靠。

对YJK和ETABS的计算结果进行比较分析，两种计算软件的周期、振型、总质量、剪重比和地震倾覆力矩等计算结果基本一致。结构整体周期比、位移角、位移比、剪重比、抗侧刚度比、抗剪承载力等均满足《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［7］和《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［8］要求。

结构在规定水平力作用下，各层框架部分承担倾覆弯矩所占比例如表2 所示，底层框架倾覆力矩比例X、Y方向均接近50%，满足文献［7］和文献［8］要求。

表2 弹性反应谱计算主要结果汇总Tab.2 Summary of the Main Results of Elastic Reaction Spectrum Calculation

计算得到X方向的刚重比为1.86，Y方向的刚重比为1.71，均大于1.4 的要求，需考虑重力荷载产生的二阶效应，保证结构整体的稳定性具有足够的安全储备。

该结构为框架-核心筒结构体系，外框柱为钢筋混凝土柱，框架和筒体的抗震等级均为一级，剪力墙墙肢轴压比限值为0.5，外框柱轴压比限值为0.7（剪跨比＜2，限值为0.65），剪力墙墙肢及外框柱的轴压比均满足文献［7］和文献［8］要求，竖向构件的延性得以保证。

综上所述，结构在多遇地震下各项计算指标均满足相应设计要求。

5.2 多遇地震作用下弹性时程分析

办公楼在多遇地震下弹性时程分析采用的地震波为5 组天然波和2 组人工合成的加速度时程波，每组已包含2 个方向的分量。在波形选择上，除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还应满足文献［7］和文献［8］对于底部剪力方面的相关要求。

时程作用下的结构底部剪力与规范反应谱作用下的底部剪力对比如表3 所示，可见每条波的底部剪力均不小于反应谱法的65%且不大于135%，7条波的底部剪力平均值不小于反应谱法的80%且不大于120%，满足文献［6］第4.3.5条的要求。

表3 弹性时程分析与规范反应谱的底部剪力对比Tab.3 Bottom Shear Contrast Elastic Compare Time-range Analysis with Normative Reaction Spectrum

6 罕遇地震下动力弹塑性计算

采用2 组天然波（TRB1 和TRB2）和1 组人工波（RBG1），各条波的加速度时程曲线及频谱特性比较，结果表明，各条波的弹性反应谱在基本振型周期点处与规范反应谱相差不超过20%，满足在统计意义上相符的要求。地震波峰值加速度取220g，各组波按主方向∶次方向=1∶0.85双向输入，持续时间不小于25 s。

弹塑性时程分析主要整体指标如表4 所示，最大弹塑性层间位移角满足小于1/125的预设目标。

表4 各条大震时程波下结构的整体计算指标Tab.4 The Overall Calculation Indicator of the Structure under the Wave of Each Rarely Earthquake Time History Analysis

结构抗侧构件的塑性损伤分析：

选取3 条波的包络结果，最终时刻各构件的塑性发展状况，即结构抗侧力构件在大震地震波下的最终损伤状态如图3～图5 所示。由图3～图5 可知各类构件的损伤状态如下：

⑴框架梁

由大震下梁受拉、受压状态下的破损状态（见图3）可知，部分框架梁达到轻微-轻度至中等损坏，部分达到较严重损坏，总体损伤表现为“中度损坏、部分比较严重损坏”的程度，满足表1中预先设定的抗震性能要求。

图3 大震下梁受拉、受压状态下的破损状态Fig.3 The Broken State of the Beam by Pulled and Pressurized under the Rarely Earthquakes

图4 大震下框架柱受拉、受压状态下的破损状态Fig.4 The Broken State of the Frame Column by Pulled and Pressurized under the Rarely Earthquakes

图5 大震下斜柱和与斜柱相连的水平构件的破损状态Fig.5 The Broken State of the Oblique Column and Horizontal Components under the Rarely Earthquakes

⑵上部结构框架柱

由框架柱在大震地震波下的最终损伤状态（见图4）可知，上部结构部分框架柱达到轻微-轻度损坏，其余框架柱钢筋均未屈服，混凝土压应变未超过峰值，满足“部分构件中度损坏”的抗震性能目标。

⑶斜柱和与斜柱相连的水平构件

①斜柱：由图5 可知，上部结构个别斜柱达到轻微-轻度损坏外，其余斜柱钢筋均未屈服，混凝土压应变未超过峰值，满足“轻度损坏”的抗震性能目标。

②与斜柱相连的水平构件：由图5 还可知，与斜柱相连的水平构件达到轻微-轻度损坏，其余钢筋均未屈服，混凝土压应变未超过峰值，满足“轻度损坏”的抗震性能目标。

弹塑性时程分析结果表明，在罕遇地震作用下，结构能满足“中度损坏”的要求，达到第4水准的抗震性能目标。

7 专项分析

7.1 斜柱及其起始楼层相交梁内力分析

由于本工程28～30 层框架柱逐渐向核心筒呈中心对称状倾斜，相应各层楼盖提供阻止斜柱向外移动的约束，因此也会在相应框架梁中产生拉力。为分析其受影响程度，提取大震作用下斜柱最大轴力，计算出相连框架梁承受的拉力，进行内力及配筋分析。同时可通过大震分析评估斜柱本身的损伤状态。

分析结果表明，在罕遇地震作用下，在28 层不同斜率的框架斜柱最大轴力分别为9 660 kN、8 567 kN，对应柱与竖直方向的夹角分别为18.44°和26.02°，因此主梁承受拉力分别为3 055 kN、3 758 kN，需要贯通筋分别为3 055 000/400=7 638、3 758 000/400=9 395，梁配筋设计时将分别另加7 638、9 395 的全长贯通筋，均匀地布置在梁顶、梁底和侧面，则可以满足大震下由斜柱引起的梁抗拉需求。

7.2 斜柱起始层28层楼板应力分析

由于本工程28层以上框架柱逐渐向核心筒呈中心对称状倾斜，故会存在一定程度的拱效应，相应28 层楼盖提供阻止斜柱向外移动的约束，因此会在楼板中产生相应的膜张力，呈现受拉状态。为分析其受影响程度，专门对28 层的楼板设成弹性膜模型，在YJK 中进行楼板应力分析。28层典型楼板应力分布如图6所示。

图6 典型楼板应力分布Fig.6 Typical Floor Stress Distribution

有限元分析程序YJK 分析结果表明，在常遇地震作用作用下，28 层楼板局部薄弱部位处正应力X向和Y向（设计值）最大值分别为0.8 MPa、0.8 MPa。可见小震情况下所有楼板正应力均小于ft=1.43 MPa，楼板处于弹性状态；偏于安全的以常遇地震作用下的最大正应力乘上放大系数0.23/0.08＝2.875 作为设防地震作用下的正应力，即0.8 MPa×2.875=2.3 MPa作为设防地震下的应力值，在对斜柱的起始楼层楼板150 mm板厚配双层双向10@150 拉通筋，可抵抗由斜柱产生的水平拉力。

楼板应力分析结果表明，在常遇地震及设防地震作用下，斜柱起始层楼板均能满足“无损坏”的要求，可以达到抗震性能目标。

7.3 首层、穿层柱的屈曲分析

结构整体稳定性满足《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》［9］要求，本工程首层、二层穿层柱高达10.0 m（F1～F2），为考察这些长细比较大的柱是否会先于强度破坏发生局部的屈曲失稳，采用Midas GEN软件，在整体结构模型中考虑首层穿层柱周边相关构件的边界约束条件进行线性屈曲分析。

模型按实际竖向荷载工况（1.0 恒载+1.0 活载），并在穿层柱顶所在楼层楼面位置对柱施加单位轴向压力（100 kN），如图7 所示，在F3 楼面位置对F1～F2穿层柱施加荷载进行屈曲分析后，得到首层柱对应的屈曲临界荷载Fcr=7 254 742 kN，抗弯刚度EI=2.9×107kN·m2，跨层长度为10 m，柱截面Dxt=1 600 mm×1 500 mm，根据欧拉公式Fcr=π2EI/（μl）2，可求得计算长度系数μ=0.63。由于首层、二层穿层柱所在楼层相同、柱截面相同，所求得的临界荷载及计算长度系数差别不大，故首层、二层穿层柱可只取其中1根进行屈曲分析。