廣州魚珠某超高層塔樓結構分析和設計

盧俊坤

（廣東省建筑設計研究院有限公司 廣州 510010）

1 項目概況

廣州某超高層塔樓位于廣東省廣州市黃埔區(qū)魚珠國際木材市場內(nèi)，項目建筑用地面積39 126 m2，總建筑面積為330 129 m2，地上總建筑面積225 871 m2，地下總建筑面積104 258 m2。其中本塔樓為商業(yè)辦公樓，共36層，建筑高度157.55 m。主要層高為4 200 mm、4 500 mm和4 800 mm。3 層地下室，負1 層主要功能為商業(yè)、停車、后勤，建筑層高為6.85 m；-2層為停車庫及設備用房，層高3.85 m；-3層為人防車庫及機械停車庫，層高為4.7 m。地下室總體深度為15.6 m?！?.000 m相對于廣州城建高程為+9.400 m，建筑室內(nèi)外高差約0.15 m。地下室底板面標高-15.6 m，相對于廣州城建高程為-6.200 m。本塔樓建筑共36 層，外包尺寸為42.38 m×42.38 m，主要層高分別為4.2 m、4.5 m、4.8 m 及5.0 m，長寬比為1.0，整體高寬比為3.72，核心筒高寬比為7.84。建筑效果如圖1所示。

圖1 塔樓建筑效果Fig.1 Design Sketch of Tower Building

2 結構體系

結合建筑平面功能、立面造型、抗震（風）性能要求、施工周期以及造價合理等因素，本工程塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系，剪力墻分布在電梯間、樓梯間等位置，共同組成核心筒，提供結構的抗側和抗扭剛度，是結構的主要抗側力構件，框架部分分布在建筑物四周，作為結構的第二道防線。

核心筒為鋼筋混凝土剪力墻；框架柱從基礎到24層采用鋼管混凝土疊合柱，25層及以上樓層采用鋼筋混凝土柱。

根據(jù)建筑物的結構體系特點、使用要求和施工條件，本工程主要采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋。各層樓蓋的主要結構布置原則如下：①地下室底板采用平板結構，板厚h=700 mm；②地下室各層板、塔樓范圍樓蓋采用無梁樓蓋，板厚h=250～400 mm，塔樓范圍內(nèi)樓蓋采用梁板結構，板厚h=120～180 mm；③2 層到第36 層采用梁板結構，核心筒內(nèi)板厚h=150 mm；其余部分板厚h=110 mm；④屋面層板厚h=150 mm。標準層結構布置如圖2所示。

圖2 標準層結構布置Fig.2 Structural Layout of Standard Floor

3 結構計算結構和分析

按照《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程：廣東省標準DBJ 15-92—2013》［1］第3.3.1 條：框架-核心筒結構7度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度為130 m（A級）、180 m（B 級），而本塔樓主屋面高度為157.55 m，其高度大于130 m，小于180 m，所以本塔樓屬于B 級高度的高層建筑，屬于超限高層建筑［1-4］，塔樓地上部分框架和核心筒抗震等級均為一級。

由于本塔樓為超限高層建筑，根據(jù)文獻［1］第3.11.3 條、5.1.14 條和4.3.4～4.3.5 條規(guī)定，做抗震性能化設計，并采用2 個不同力學模型的空間分析程序進行計算分析，選用YJK 軟件（V1.8.1.0 版）和ETABS2013 工程軟件。結構計算考慮偶然偏心地震作用、雙向地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)及施工模擬。同時，采用彈性時程分析程序?qū)ㄖ镌诙嘤龅卣鹱饔眠M行補充驗算。

本塔樓整體計算結果如表1 所示，可知在風荷載和地震作用下各構件強度和變形均滿足文獻［1］要求。另外，考慮到建筑2、3層未能形成一完整樓蓋，因此，在施工圖設計中將對相關部位的結構采取以下設計措施：①將1～3 層并層視作薄弱層，其對應于地震作用標準值的剪力乘以1.25 的增大系數(shù)；②對1～3 層的墻柱及與之相連的首層主梁、4 層墻柱與4 層主梁，采用分層與并層的結果進行包絡設計。

表1 塔樓整體計算結果Tab.1 Calculation Results of The Tower

本塔樓風振舒適度驗算結果如表2所示，在《建筑結構荷載規(guī)范：GB 20009—2012》規(guī)定的10年一遇風荷載標準值作用下，結構頂點順風和橫風向振動最大加速度計算值和塔樓樓蓋風振舒適度均滿足文獻［1］要求。

表2 塔樓風振舒適度驗算結果Tab.2 Wind Induced Comfort Calculation Results of the Tower

4 彈性時程分析和靜力推覆分析

4.1 彈性時程分析

本塔樓為高度超100 m 的建筑，抗震設防烈度為7 度，根據(jù)文獻［1］第4.3.5 條規(guī)定，需采用彈性時程分析程序?qū)ㄖ镌诙嘤龅卣鹱饔眠M行補充驗算。選取地震波為5組實際地震記錄和2條場地合成人工波USER2 和USER3，輸入YJK 進行彈性動力時程分析。進行彈性動力分析時按7 度地震Ⅱ類土，50 年時限內(nèi)超越概率為63.2%（小震），阻尼比為0.05考慮，分析結果如表3所示。

表3 地震波和基底剪力Tab.3 Seismic Wave and Base Shear

由分析結果所得：結構地震作用效果31層以下取規(guī)范反應譜法計算結果，31層以上取時程分析剪力平均值計算結果——通過在軟件中強制輸入相應樓層的地震力放大系數(shù)實現(xiàn)。

4.2 靜力推覆分析

為了驗證地震作用下結構的承載力極限和驗證結構在大震時不倒塌的結構設計目標，本塔樓進行了彈塑性靜力推覆分析。

大震下靜力彈塑性分析所得的性能點處相關指標如表4所示。

表4 靜力推覆分析結果Tab.4 Results of Pushover Analysis

由分析結果所得：①在罕遇地震作用下，性能點最大層間位移角均小于1/125，符合文獻［1］第3.11.4條的規(guī)定，建筑物可實現(xiàn)“大震不倒”的抗震設防目標；②雙向推覆過程中，整樓連梁出現(xiàn)塑性鉸耗能破壞較多，底部加強區(qū)部分墻體出現(xiàn)壓彎或拉彎破壞，但均不會連續(xù)發(fā)展，躍層墻柱未出現(xiàn)屈服，只有少量框架出現(xiàn)屈服；③上部核心筒收進處剪力墻出現(xiàn)輕度損傷，在施工圖設計時此處核心筒將適當加強配筋。

5 核心筒收進分析和躍層墻柱分析

5.1 核心筒局部收進的影響

本塔樓的W1 剪力墻15 層南側部分剪力墻不在向上延伸，基于此分析在多種工況下的剪力墻應力分布情況，典型位置應力結果如圖3、圖4所示。

圖3 核心筒剪力墻布局Fig.3 Core Tube Shear Wall Layout

圖4 X向地震單工況下墻W1 收進層最大主應力云圖Fig.4 Nephogram of Maximum Principal Stress of Wall W1 Retraction Layer under Single Working Condition of X-direction Earthquake（MPa）

上述分析顯示，在小震作用下，剪力墻在局部收進處的有效應力值均不大，只在與連梁交接部位出現(xiàn)的局部應力較大（約1 MPa）的情況，施工圖設計中對該類部分適當提高剪力墻配筋率。

5.2 跨層柱穩(wěn)定性分析

本塔樓的部分外框柱在1～3 層存在跨層情況，跨層高度為14.5 m。這類跨層柱缺乏樓層梁板的側向支撐，在整體分析中，程序已自動識別跨層柱的上述支撐情況而賦予了合適的計算長度；另外，同時利用彈性屈曲分析補充對相關跨層柱的穩(wěn)定性驗算［5］。

采用盈建科的屈曲分析功能，選取10 個屈曲模態(tài)，找到跨層柱對應的屈曲模態(tài)，查得其屈曲因子。以下列舉1根軸力較大的跨層柱的屈曲分析結果。

該跨層柱第一階屈曲模態(tài)如圖5 所示，該跨層柱長度L=14.5 m，截面尺寸為1.3 m×1.3 m，抗彎剛度EI=8.57E+06，屈曲臨界力Pcr=1 368 898 kN。

圖5 跨層柱示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Cross Story Column

經(jīng)查電算結果，在中震彈性階段，該跨層柱的最大軸力分別為47 700 kN，與上表對比可知屈曲臨界力為上述軸力的28.7 倍，可見跨層柱的穩(wěn)定性具有很大的富余。

5.3 跨層剪力墻穩(wěn)定性分析

本塔樓的核心筒內(nèi)剪力墻在1～2 層有跨層情況，穿層高度為10.05 m。躍層剪力墻缺乏樓層內(nèi)梁板的側向支撐，現(xiàn)對跨層剪力墻進行墻體穩(wěn)定驗算［6-7］。

本工程采用ETABS2015 軟件的屈曲分析功能對墻體進行穩(wěn)定性驗算，在躍層剪力墻上一層整層墻體布置1 000 kN/m2的均布荷載qr，以此作為變量進行彈性屈曲分析。通過觀察，最先屈曲的墻肢及其屈曲模態(tài)如圖6、圖7所示。

圖6 2層核心筒示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Core Tube on the Second Floor

圖7 W2、W3屈曲模態(tài)Fig.7 W2、W3 Buckling Mode

根據(jù)文獻［1］附錄D 條文說明，屈曲分析所得墻頂容許軸力設計值為λ Nr/8。通過屈曲分析結果及文獻［1］附錄D 計算所得容許軸力設計值雙控的原則來驗算墻肢穩(wěn)定性，結果如表5 所示。通過計算復核結果可知，絕大多數(shù)墻體穩(wěn)定性滿足文獻［1］要求。

表5 躍層剪力墻墻肢穩(wěn)定驗算Tab.5 Calculation of Wall Limb Stability of Shear Wall

6 疊合柱設計

本工程的鋼管混凝土疊合柱采用同期施工的方法，按《鋼管混凝土疊合柱結構技術規(guī)程：CECS 188∶2005》［8］第6.2.3 條計算得鋼管混凝土套箍指標約為1.20～2.10，疊合柱配筋大樣如圖8所示。

圖8 鋼管混凝土疊合柱配筋大樣Fig.8 Detailed of Reinforcement for Concrete Filled Stell Tubular Composite Column

同期施工的疊合柱：

對于鋼管混凝土疊合柱，本工程梁縱筋與柱內(nèi)鋼管相碰時，采用穿芯法：鋼管開中型孔洞，梁縱筋穿入管內(nèi)，并且采用鋼箍板對鋼管開洞處作補強［9-10］，如圖9、圖10所示。

圖9 鋼管混凝土疊合柱-梁穿筋節(jié)點大樣示意圖Fig.9 Detailed Drawing of Concrete Filled Steel Tubular Composite Column Beam through Reinforcement Joint

圖10 穿筋部位的鋼管開孔補強大樣示意圖Fig.10 Detailed Drawing of Reinforcement of Steel Pipe Opening at Reinforcement Position

7 基礎設計

根據(jù)本塔樓范圍內(nèi)的詳勘報告，結合地下室底板標高情況，確定本塔樓的地基基礎類型為墩筏基礎［11-12］。其中：①墩徑3.0 m、3.5 m，墩底設擴大頭，墩深約4～10 m，墩底持力層為微風化泥質(zhì)粉砂巖，要求其fak≥4 500 kPa。②筏板厚度取為2 500 mm（核心筒區(qū)域）、1 000 mm（其他區(qū)域），墩承臺厚度取1 800 mm，筏板底持力層為強風化巖，要求其fak≥500 kPa。

采用盈建科的地基基礎模塊，對塔樓范圍的墩基礎進行電算分析。經(jīng)分析驗算，可知：①墩底及筏板底持力層均滿足承載力要求；②筏板各部位的底、面配筋均處于合理范圍；③墩承臺及底板均滿足抗沖切與抗剪切的要求；④承載力占比：墩占比約為80%，板底土占比約為20%，地基土平均反力約為250 kPa；可見，本塔樓的地基基礎選型及底板厚度取值合理可行。

8 結論

本塔樓存在超高、跨層墻柱、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和樓板不連續(xù)等超限項，采用多種程序?qū)Y構進行了彈性、彈塑性計算分析，各項指標均表現(xiàn)良好，基本滿足文獻［1］的有關要求。根據(jù)計算分析結果對重要構件作如下加強：跨層柱全高加密箍，縱向鋼筋配筋率放大至文獻［1］要求的1.2 倍；跨層墻水平，豎向分布筋最小配筋率和邊緣構件配筋率都放大到文獻［1］要求的1.2 倍；核心筒剪力墻收進部位上下層墻體水平、豎向分布筋配筋率和邊緣構件配筋率都放大到文獻［1］要求的1.2倍；底部加強區(qū)剪力墻墻體水平、豎向分布筋配筋率和邊緣構件配筋率都放大到文獻［1］要求的1.2 倍。所以，本塔樓除能滿足豎向荷載和風荷載作用下的有關指標外，亦能實現(xiàn)達到設定的C 級抗震性能目標，結構是安全且可行的。另外，外框柱用疊合柱，基礎用墩基礎，施工實踐表明疊合柱和墩基礎受力性能和經(jīng)濟性均良好，值得推廣嘗試。