灣區(qū)中心總部綜合體高層塔樓結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)

薛衛(wèi)文，袁仲琨

（廣州漢森建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

某項(xiàng)目位于廣州市番禺區(qū)，項(xiàng)目包含1 棟超高層辦公及公寓塔樓（1#）、2 棟超高層住宅塔樓（3#～4#）及商業(yè)裙房（2#）。項(xiàng)目總建筑面積為232 822 m2，地上總建筑面積171 453 m2。1#塔樓地上54層，地上總建筑面積89 200 m2，建筑高度260 m，結(jié)構(gòu)高度240.15 m；2#商業(yè)裙樓地上7 層，屋面建筑高度34.7 m，結(jié)構(gòu)高度32.8 m；3#～4#住宅塔樓地上43 層，建筑高度150.5 m，結(jié)構(gòu)高度149.3 m。地下室共4層，總建筑面積61 369 m2，深度約19.6 m，地下1 層、地下2 層部分為商業(yè)，其余地下室均為配套地下車庫及設(shè)備用房。建筑總平面如圖1所示，建筑單體效果如圖2所示。

圖1 建筑總平面Fig.1 General Plan of the Building

圖2 建筑整體效果Fig.2 The Overall Effect of the Building

2 設(shè)計(jì)信息

本工程為超B 級(jí)高度高層建筑結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50 年，建筑安全等級(jí)為二級(jí)，該場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑的場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期Tg為0.35 s。建筑抗震設(shè)防類別按裙房以上的1#辦公公寓塔樓及3#～4#住宅塔樓按丙類，裙房及以下按乙類。

本工程場(chǎng)地基本風(fēng)壓值為0.55 kN/m2，地面粗糙度C 類。由于1#塔樓建筑高度超過200 m，需進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)計(jì)算分析表明：由于本工程X向?yàn)橹骺胤较?，風(fēng)洞PM2風(fēng)荷載及計(jì)算所得的基底剪力均略大于風(fēng)洞PM1 風(fēng)荷載，后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)采用風(fēng)洞PM2風(fēng)荷載作為設(shè)計(jì)條件。

3 結(jié)構(gòu)體系及抗震等級(jí)

本工程按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-92—2021》［1］進(jìn)行設(shè)計(jì)。1#塔樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，2#大底盤裙房為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，3#～4#樓為框支剪力墻結(jié)構(gòu)，整個(gè)裙樓不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，整體形成大底盤多塔結(jié)構(gòu)，裙房與高層塔樓連為一體，7層以上分為3個(gè)單體塔樓結(jié)構(gòu)（1#、3#、4#）。地下部分為4層框架剪力墻結(jié)構(gòu)地下室。結(jié)構(gòu)嵌固端取在地下室底板面。本工程首層～7層裙房部分抗震等級(jí)為一級(jí)，7層裙房以上抗震等級(jí)為二級(jí)。本次主要分析1#主塔樓地上部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1#塔樓結(jié)構(gòu)為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，地上54層，其中1～7 層為商業(yè)裙房，7 層以上為辦公及公寓，塔樓屋面結(jié)構(gòu)高度為240.15 m。高寬比約為6.8，核心筒高寬比約為17.1。20層及以下除了裙房商業(yè)外，其余均為辦公，辦公標(biāo)準(zhǔn)層沿四周布置15根外框柱。外框柱25層以下采用鋼管混凝土柱，25 層以上采用型鋼混凝土柱。在7層開始，因建筑造型變化，南側(cè)的4根框架柱往內(nèi)收進(jìn)為斜柱，斜率約29.2∶1；在27層開始，因建筑造型變化，東側(cè)的3 根框架柱也往內(nèi)收進(jìn)為斜柱，斜率約39∶1，為了分擔(dān)斜柱的水平分力，斜柱底部、頂部樓面梁及樓板均采取構(gòu)造加強(qiáng)措施。南側(cè)核心筒從27 層起收進(jìn)，僅保留兩個(gè)框架柱。

1#塔樓外框柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C40，典型柱截面從地下室的1 200～1 600 mm 逐步過渡至25 層的1 000～1 300 mm；26 層為過渡層，采用圓形型鋼柱，截面同25層；27層以上1 000 mm×1 000 mm～1 300 mm×1 300 mm 型鋼柱逐步過渡至屋面層的800 mm×800 mm～1 000 mm×1 000 mm 不等，39 層以上采用普通鋼筋混凝土柱。

4 結(jié)構(gòu)抗震超限情況

1#塔樓結(jié)構(gòu)高度為240.15 m，根據(jù)《高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［2］為超B 級(jí)高度建筑，另外結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、二層局部的樓板不連續(xù)、偏心布置、有局部的穿層柱及斜柱、塔樓收進(jìn)尺寸突變等不規(guī)則情況。根據(jù)《超限高層建筑建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)［2015］67 號(hào)）［3］的要求，本工程需申報(bào)抗震超限審查。

5 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

針對(duì)本工程的超限情況，采用設(shè)防烈度地震及基于性能水準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)方法。設(shè)定其結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C 級(jí)，性能水準(zhǔn)及構(gòu)件在各地震水準(zhǔn)下的損壞程度如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)及震后性能狀態(tài)Tab.1 Structure Seismic Performance Objectives and Post-earthquake Performance Status

6 1#塔樓在設(shè)防地震及風(fēng)荷載作用下計(jì)算分析

分別采用YJK 及ETABS 兩種三維空間結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行計(jì)算比較，按振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算及彈性時(shí)程補(bǔ)充分析計(jì)算，兩個(gè)軟件的計(jì)算結(jié)果接近，說明計(jì)算模型合理，計(jì)算結(jié)果有效。各項(xiàng)宏觀計(jì)算指標(biāo)均滿足文獻(xiàn)［1］要求，可作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 振型分解反應(yīng)譜法分析結(jié)果Tab.2 Results of Modal Decomposition Reaction Spectrum Analysis

7 彈性動(dòng)力時(shí)程分析

設(shè)計(jì)采用了5 組天然波和2 組人工合成波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)防地震作用下的彈性時(shí)程分析。經(jīng)計(jì)算，按反應(yīng)譜法計(jì)算的剪力及傾覆彎矩有部分樓層小于時(shí)程分析法的平均剪力及傾覆彎矩外，其余樓層時(shí)程反應(yīng)平均值與反應(yīng)譜結(jié)果接近，設(shè)防地震及風(fēng)荷載作用下，各項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)均滿足性能水準(zhǔn)3 的抗震性能目標(biāo)。

8 1#塔樓罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算

采用等效彈性（YJK程序）計(jì)算方法所得的大震作用下的底部剪力和最大層間位移如表3所示。計(jì)算結(jié)果表明大震作用下的底部剪力約為中震的2.22（X）、2.28（Y）倍，地震作用量級(jí)合理。樓層最大層間位移X向?yàn)?/424，Y向?yàn)?/477。均滿足文獻(xiàn)［1］第3.9.6 節(jié)性能目標(biāo)C級(jí)對(duì)應(yīng)的1/65位移角限值的要求。

表3 罕遇地震與設(shè)防地震基底剪力對(duì)比YJK結(jié)果Tab.3 Comparison of Base Shear Stress between Rare Earthquake and Fortification Earthquake by YJK

9 1#塔樓在罕遇地震下的動(dòng)力彈塑性分析

本工程采用SAUSAGE 軟件進(jìn)行罕遇地震作用下動(dòng)力彈塑性分析［4］。計(jì)算選擇了2 組天然波和1 組人工波，根據(jù)1#塔樓在罕遇地震下的單塔模型與多塔整體模型的動(dòng)力彈塑性分析結(jié)果均顯示設(shè)計(jì)能滿足設(shè)定性能目標(biāo)要求，罕遇地震作用的下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/86，滿足文獻(xiàn)［1］1/65 的限值要求，結(jié)構(gòu)屹立不倒。大多數(shù)剪力墻與框架柱均為輕微損傷，僅在體型收進(jìn)部位局部剪力墻有中度損傷。

10 專項(xiàng)分析

10.1 地震作用裙房樓板應(yīng)力分析［5］

采用軟件YJK 進(jìn)行彈性樓板應(yīng)力分析，分析時(shí)采用彈性膜來模擬彈性樓板，進(jìn)行了地震作用組合作用工況下的樓板應(yīng)力分析，地震最大影響系數(shù)按文獻(xiàn)［1］取值。

樓板應(yīng)力分析主要針對(duì)有較大開洞的樓層及與剪力墻相連部位的樓板，通過樓板內(nèi)力分析圖可以直觀看到結(jié)構(gòu)樓面系統(tǒng)中應(yīng)力較大及相對(duì)薄弱的部位，為樓板采取加強(qiáng)措施提供圖形和數(shù)據(jù)的依據(jù)。以下將針對(duì)樓板開洞較多、樓板應(yīng)力較大的各樓層進(jìn)行分析，給出YJK 設(shè)防地震單工況分析結(jié)果，如圖3 所示。分析結(jié)論及加強(qiáng)措施：

圖3 裙樓地震工況樓板應(yīng)力Fig.3 Floor Stress of Skirt Building under Earthquake Condition （N/mm2）

由圖3可以看出，樓板大部分區(qū)域正應(yīng)力較小，應(yīng)力較大主要集中在開洞周邊、樓層角部處的樓板，主要由于梁平面外彎矩使樓板在交接處產(chǎn)生局部變形、剛度突變形成應(yīng)力集中等因素造成。

在中震反應(yīng)譜工況組合下，6 層中庭開洞位置及核心筒角部處，樓板應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.2 MPa，樓板拉力數(shù)值在500 kN/m 左右，按不屈服計(jì)算樓板各層需附加配筋率0.35%的配筋，雙層雙向設(shè)計(jì)，其它樓板正應(yīng)力均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.2 MPa，樓板剪應(yīng)力均小于中震下的極限剪應(yīng)力2.34 MPa（0.2fc），滿足設(shè)計(jì)要求。

10.2 溫度作用裙房樓板應(yīng)力分析［6］

10.2.1 廣州市番禺區(qū)氣候條件

廣州市番禺區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫23.1 ℃，1 月最冷，平均氣溫13.9 ℃；7 月最熱，平均氣溫29.2 ℃。2014 年極端最高氣溫為39.2 ℃，1963年極端最低氣溫為-2.6 ℃。

10.2.2 結(jié)構(gòu)溫差計(jì)算

⑴施工階段結(jié)構(gòu)溫差

由于無法準(zhǔn)確確定結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的溫度，取年平均氣溫18 ℃作為結(jié)構(gòu)合攏時(shí)的溫度T0?？紤]到主體結(jié)構(gòu)在施工過程中沒有采取保溫措施，可認(rèn)為一年四季主體結(jié)構(gòu)暴露在室外，多年最高溫Ts.max取極端最高溫度39.2 ℃，多年最低溫度Ts.min取-2.6 ℃。則各層結(jié)構(gòu)在施工階段的溫差如計(jì)算如下：

施工階段最大升溫工況：

施工階段最大降溫工況：

⑵使用階段結(jié)構(gòu)溫差

在建筑物使用階段，大部分構(gòu)件均處于室內(nèi)且外露構(gòu)件都有建筑裝飾材料保護(hù)，同時(shí)作為公共建筑，室內(nèi)均有空調(diào)，因此最高溫度Tm.max取全年最熱月平均溫度29.2 ℃，最低溫度Tm.min取全年最冷月平均溫度13.9 ℃。則各層結(jié)構(gòu)在使用階段的溫差計(jì)算如下：

使用階段最大升溫工況：

使用階段最大降溫工況：

△Tm2=Tm慮季節(jié)溫差和收縮效應(yīng)的溫度荷載工況［7］

降溫工況比較不利，給出YJK 降溫荷載單工程分析結(jié)果如圖4 所示。由于6 層樓板受到框架柱、樓電梯筒的約束比較大，扣除局部應(yīng)力集中的影響，樓板最大拉應(yīng)力為2.34 MPa，中部樓板平均拉應(yīng)力不大于1.4 MPa；樓板應(yīng)力除局部應(yīng)力集中部分均未超過混凝土（C30）抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（2.0 kN/m2）。

圖4 裙樓樓板內(nèi)力最大值Fig.4 Maximum Internal Force of Podium Floor Slab （kN/m2）

10.3 塔冠專項(xiàng)分析

由于塔冠建筑造型的需要，1#塔樓的塔冠高度約28.3 m。塔冠采用鋼筋混凝土框架-核心筒體系，每層核心筒樓面處設(shè)框架梁將核心筒剪力墻與外框柱拉結(jié)，外框柱之間也設(shè)框架梁相互拉結(jié)［8］。塔冠的示意圖及三維模型如圖5 所示。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［9］計(jì)算的塔冠等效風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.0 kPa。對(duì)于塔冠，只控制塔冠最高點(diǎn)側(cè)向位移，風(fēng)荷載及地震荷載作用下位移限值按1/500（56.6 mm）控制，計(jì)算結(jié)果顯示風(fēng)荷載及地震荷載作用下位移限值分別為49.3 mm 與52.2 mm，滿足要求。塔冠單體計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力大于整體計(jì)算時(shí)的構(gòu)件內(nèi)力，因此把整體模型中的基底剪力與塔冠單獨(dú)建模的基底剪力進(jìn)行比較，確定塔冠的鞭梢效應(yīng)。

圖5 塔冠示意圖及三維模型Fig.5 Sketch of Tower Crown and 3D Model

10.4 斜柱、框梁受力分析

本工程由于造型需要，1#塔樓8～47層部分框柱采用斜柱，對(duì)斜柱起始樓層（8層），與斜柱相連的框梁受拉狀況進(jìn)行分析［10］。斜柱框梁KL1、KL2 需按受拉驗(yàn)算，結(jié)果顯示，因斜柱引起的框梁受拉應(yīng)力均小于1.0倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。斜柱框梁按拉彎構(gòu)件計(jì)算配筋較小，后續(xù)施工圖對(duì)斜柱起始樓層框梁均按拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)構(gòu)造措施。

11 結(jié)論

綜上所述，1#塔樓為超B級(jí)高度高層建筑，結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、尺寸突變（多塔）、局部不規(guī)則（斜柱）等不規(guī)則情況?？拐鹪O(shè)計(jì)中采用性能化設(shè)計(jì)方法，采取多種計(jì)算程序進(jìn)行了彈性、彈塑性的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，各種指標(biāo)均表現(xiàn)良好，滿足規(guī)范的有關(guān)要求；各項(xiàng)不規(guī)則程度得到有效控制。同時(shí)通過概念設(shè)計(jì)及各階段的計(jì)算程序分析結(jié)果，對(duì)關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強(qiáng)，在構(gòu)造措施方面亦相應(yīng)作了處理。本工程能滿足地震和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)，抗震性能目標(biāo)達(dá)到C 級(jí)，本工程的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可行并且安全。