合肥绿地中心D楼超限高层结构设计

柯春明，范一江，陈丽华

（1.华东建筑设计研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230086；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院， 安徽 合肥 230086）

随着我国经济的快速发展，建筑用地日益紧张，为在有限的土地空间上取得更大的建筑使用面积，对超高层建筑有了更多的建造需求。20世纪90年代以来，混合结构在我国超高层建筑中迅速发展。混合结构体系可以有效地将钢、混凝土以及钢-混凝土组合构件进行组合，与钢筋混凝土结构相比，可以减轻自重、加快施工速度、节约结构占用的面积及空间。对于200 m以上超高层建筑，其经济性、防灾、抗风、抗震、防连续倒塌等性能均有优越性。本文探讨了混合结构体系在242 m超高层建筑中的具体运用，对于结构设计人员、教学研究人员有一定的参考价值。

1 工程概况

合肥绿地中心坐落于包河区（宿松路、二环路交口西南角）。项目规划242.65 m超高层一栋（D座），80 m高度办公楼1栋，100 m高度办公楼1栋，130 m高度办公楼1栋，住宅4栋，以及12万m的商业中心，总建筑面积约42.3万m。建筑效果图见（图1）。

图1 建筑效果图

本楼为合肥绿地中心D座超甲级办公楼，总建筑面积为132000 m，建筑高度为242.65 m，地下室埋深为16.2 m，为砼柱（型钢）-钢梁-砼核心筒结构型式。本楼平面尺寸为45.8 m×45.8 m（长×宽），结构总高度为242.65 m，长宽比为1，高宽比为5.3。本楼砼核心筒平面为24.5 m×20.9 m（长×宽），于46F楼面（标高193.3 m）处收进为16.8 m×20.5 m，其筒体X向（Y向）高宽比为9.9（11.6）。

本楼抗震按乙类7度（0.10 g）设防，框柱及砼核心筒墙抗震等级为特一级、框梁为一级。Ⅱ类场地，Tg=0.35 s，W=0.35 kN/m，地面C类粗糙度，风荷载计算时考虑群体效应。

2 结构布置

2.1 概述

D座办公楼，地面之上57层，地面之下3层，其中地下室层高分别为6.6 m、4.8 m、4.8 m；1-4层为商业，层高为5.5 m、5.2 m、5.2 m、5.2 m；5-57层，层高为4.1 m；设备层以上层高为5.6 m、3.7 m、3.2 m。

本楼基础选用灌注桩（旋挖成孔、桩端后注浆），单桩承载力取6000 kN（d=800 mm），筏形承台板厚约4 m。

2.2 结构主要构件信息

表1 结构主要构件信息

3 结构超限情况、抗震性能目标及结构分析方法

3.1 结构超限情况

本楼属于超B级的一般不规则高层建筑。

3.2 抗震性能目标

抗震性能的目标设为C级，具体控制指标见表2。

表2 抗震性能目标

3.3 地震作用下的结构分析方法

本楼结构分析方法详表3。

表3 结构分析方法

4 结构计算分析

4.1 小震下弹性反应谱分析

分别选择Satwe、Midas Building建立三维空间模型并计算、对比。计算显示，两种软件的计算结果基本一致，可初步判定模型是准确、可信的。主要对比数据详见表4、表5。

表4 弹性分析的位移变形结果

表5 弹性分析的内力结果

振型有效质量参与系数X 97.92% 96.72%Y 97.84% 96.56%楼层最小剪重比（地震剪力调整系数）X 1.25%（1.024） 1.28%（1.0）Y 1.20%（1.067） 1.22%（1.049）楼层侧向刚度比最小值（层号）X 1.1387（33F） 1.1210（4F）Y 1.1432（32F） 1.1042（4F）最小楼层抗剪承载力比（层号）X 0.88 （4F） 0.9703（44F）Y 0.89 （4F） 0.9938（33F）稳定性（刚重比）X 2.25（地震） 2.34（地震）Y 1.94（地震） 1.99（地震）轴压比最大值剪力墙 0.42 0.43框架柱 0.61 0.62

4.2 小震弹性时程分析

本楼选择北京某工程技术有限公司提供的双向波（5道天然波、2道人工波）进行分析，弹性时程分析主要结果详见表6。由表6可知，计算得到的底部剪力平均值小于CQC法的底部剪力数值，按CQC法进行设计是可行的。

表6 弹性时程分析结果

4.3 中震作用分析

4.3.1 中震验算

通过Satwe进行中震分析，按中震弹性计算对底部加强部位剪力墙进行抗剪弹性判别，按照中震不屈服计算对底部加强部位剪力墙的抗弯能力、非底部加强部位剪力墙、框架梁、连梁进行屈服判别。

4.3.2 跃层柱中震弹性验算

2层、32层越层柱方向的地震内力，按同层普通柱考虑多道防线的地震剪力与越层柱地震剪力之比，放大越层柱在该方向的所有地震内力（M、N、V），然后计入计算长度（底层计算高度取10.7 m），进行相关的中震弹性设计。

4.3.3 二层大开洞边楼板分析

对二层大洞口边的楼板按弹性楼板考虑平面内、外的刚度（楼板单元按弹性膜6计算）进行分析，以保证楼板能满足其抗震性能要求。对楼板大洞口边缘楼板及其上层楼板采用双层双向配筋，拉板最小配筋率为0.35%；局部应力较大位置根据中震计算结果加大配筋，并控制钢筋应力。

结论：在中震作用下，各项控制指标均达到抗震性能目标水准3的要求。

4.4 大震动力弹塑性时程分析

4.4.1 分析模型

本工程选用Midas Building系列软件中的结构大师（Structure Master 2013）进行大震下的动力弹塑性时程分析。砼材料的本构关系采用了单轴受压应力－应变本构模型，钢筋本构关系采用简化的二折线模型，墙单元的剪切特性材料本构关系使用剪力退化三折线模型。钢筋砼梁/柱滞回曲线采用可以考虑刚度和强度退化的修正武田三折线模型，钢筋砼梁/柱非线性单元类型选择为弯矩-旋转角单元（M -θ），剪力墙采用纤维模型来模拟。本楼大震分析时，选用了在统计意义上和反应谱（规范）比较接近的三组地震波，分别为人工波A（L765-1、L765-2）、天然波B（L0223、L0224），天然波C（L0397，L0398）。各地震动特征周期和本工程场地比较接近，有效持时大于5倍结构基本周期，且大于15 s，天然波和人工波都采用了水平双向地震输入。

动力弹塑性分析前，对本工程先行计算并取得计算数值。为简化设计，按计算数值超配15%确定实际配筋数值，在此基础上进行动力弹塑性分析。

4.4.2 计算结果分析

结构基底剪力（在各地震动作用下）达到小震数值的3.9～5.5倍，地震作用量级合理，各地震动作用下最大层间位移角（弹塑性）分布规律一致，未发生异常突变情况，最大层间位移角为1/140（规范限值1/100），初步判断结构达到“大震不倒”的性能目标基本要求。

杆系（梁、柱）构件，其输出状态两种：开裂、屈服前为状态1，屈服、屈服后为状态2。墙应变等级（剪切向纤维）划分，按延性系数（μ=总应变/屈服应变）为5个等级：分别μ=0.6、0.8、1.0、2.0、4.0，第3等级为屈服状态。剪力墙剪切向弹塑性状态列于（表7），框架梁、连梁最终塑性状态列于（表8）。

表7 剪切弹塑性状态比例（剪力墙）

表8 弯曲弹塑性状态比例（梁端）

综上所述，大震作用下：

框柱（大部分）处于第一屈服状态，这主要是因本工程柱内设置型钢，采用的滞回模型曲线为与砼柱一样的修正武田三折线，其屈服强度定义与砼柱相同，第一屈服阶段定义为柱外边缘受弯开裂至受压一侧最外端的砼达到极限应变之间的状态。而钢梁的第一屈服状态为截面外侧开始屈服至全截面应力达到屈服应力之间的状态，这就容易造成柱子在较小的荷载下也能出现第一阶段的铰。同时本工程定义的型钢混凝土柱近似开裂面P—M—M值与屈服面相比均较低，柱子开裂至第二屈服之间塑性发展空间很大，从柱延性系数数据可看出，虽然柱较早地出现了第一屈服状态的铰，但整个过程中，柱均一直处于第一屈服状态，塑性铰未发展，延性系数值均较小。从框架梁的延性系数数据也可看出，整个过程中梁延性系数均比柱大，塑性铰发展程度大于柱，因此我们认为结构能满足强柱弱梁的要求。

结论：在大震作用下，未发生整片墙剪切屈服、破坏，连梁弯曲屈服普遍先于框架梁，结构具备良好的多道防线及耗能体系，各指标达到设定目标（水准4）的要求。

5 非结构荷载作用、设计策略及措施

5.1 非结构荷载作用

5.1.1 差异沉降效应

本楼采用旋挖机械钻孔桩，桩基直接落在中风化岩层上，采取桩端后注浆以减少桩底沉渣的影响，控制建筑物的绝对沉降量。适当加强底部楼层的框架梁，且其与筒体相连的节点均采取铰接方式，适当减少底部加强区墙、柱轴压比数值，以提高竖向构件抵抗非结构荷载的能力。

5.1.2 砼收缩和徐变影响

为考虑补偿施工期间和将来使用过程中的轴向压缩影响，本工程应采取以下措施：严格控制混凝土制作工艺，通过试验确定混凝土合适的配合比，并据此精确计算施工期间和使用期间的收缩徐变量；控制内筒的轴压比，适当在筒内设置构造型钢，增加筒体配筋量；在施工和使用期间，建立完整的变形监测系统，加强变形监测，并在施工期间根据监测数据随时调整后期的预留量；楼板配筋采用双层双向方式并适当加强。

5.2 设计策略及措施

（1）最小墙身配筋率提高：底部加强区0.40%，其它部位时0.35%（水平、竖向）。对于个别剪切屈服超过5级应变等级的墙，边缘构件当为约束时纵筋配筋率不小于1.5%，如为构造则按约束处理。

（2）轴压比大于0.30的边缘构件按约束边缘构件配筋。

（3）连梁剪力过大时，加强配箍率、腰筋。

（4）对于越层柱，箍筋全长加密，并按中震弹性设计。

6 综合分析结论

综上分析结果，结论如下：

通过Satwe和Midas/building两种程序的对比计算，结果表明，结构构件在多遇地震下均处于弹性工作状态，层间位移角等各项指标满足规范要求，可保证小震不坏。弹性时程分析结果表明，结构各层刚度均匀无突变，层间变形比较均匀，没有明显薄弱部位。通过大震动力弹塑性时程分析，表明结构在大震下的抗震性能满足防倒塌设计目标，整体结构最大弹塑性变形值小于规范限值，整体结构和主要抗侧力构件仍具有充足的强度和变形能力安全储备，可保证大震不倒。综上所述，本工程抗震设计可达到预期的性能目标，在规范规定的地震作用下可以保证结构安全可靠。