黃燦明

（廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司　廣東　順德　528300）

某核心筒偏置超限高層辦公樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃燦明

（廣東天元建筑設(shè)計(jì)有限公司廣東順德528300）

本文針對(duì)廣東順德容桂某商業(yè)辦公樓超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)工程的特點(diǎn)，重點(diǎn)探討了結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、抗震設(shè)防目標(biāo)、抗震措施等，解決核心筒偏置的超限高層出現(xiàn)豎向構(gòu)件偏拉及有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施；對(duì)樓板進(jìn)行了應(yīng)力分析，對(duì)整體進(jìn)行靜力彈塑性分析。結(jié)果顯示工程各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)比較理想，所采取措施也比較合理，較好的解決了工程中遇到的困難。

超限高層；塔樓偏置；穿層柱；抗震性能設(shè)計(jì)

1　工程概況

本工程位于廣東省佛山市順德區(qū)容桂某地塊，總建筑面積為6.21萬(wàn)m2，由二層地下室（為車(chē)庫(kù)及設(shè)備房，地下二層為人防）、四層商業(yè)裙房（局部五層）和一棟辦公塔樓組成，裙房與塔樓首層以上設(shè)置抗震縫，地下室平面尺寸約143.52m×45.15m，裙房平面尺寸為83.52m×37.5m，裙房頂標(biāo)高23.100；辦公塔樓平面尺寸為51.7m×24.8m，建筑高度為130.4m，32層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4m，其長(zhǎng)寬比為2.08、高寬比為5.25。

辦公塔樓采用鋼管混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本地震加速度為0.1g，多遇地震影響系數(shù)為0.091、特征周期0.42s（按場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告取此值），建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)。順德基本風(fēng)壓值w0= 0.6kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，塔樓范圍采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為中風(fēng)化花崗片麻巖，入巖深度不小于0.5m，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。鋼管混凝土柱鋼管及疊合柱鋼管采用Q345B鋼材，剪力墻及部分框架柱采用混凝土柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C40。

2　超限判斷及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1超限判斷及不規(guī)則類(lèi)型

辦公塔樓高度（130.4m）超限，屬B級(jí)高度高層建筑，按粵建市函[2011]580號(hào)[1]表一，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)＞120m為超限高層；存在的不規(guī)則有：二層樓面有較大的開(kāi)洞屬于樓板不連續(xù)（見(jiàn)圖1），首層～二層有兩根穿層柱，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比Y向?yàn)?.37，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

2.2設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）塔樓的核心筒偏置（見(jiàn)圖1），故不屬于超高層常見(jiàn)的框架-核心筒體系，結(jié)構(gòu)平面的不對(duì)稱(chēng)性，使得D軸×14～17軸的核心筒剪力墻在水平力作用下出現(xiàn)較大的偏心拉力。

（2）二層樓面有較大的開(kāi)洞，平面呈“凹”字形。

（3）首層～二層有兩根穿層柱，柱的實(shí)際長(zhǎng)度為9.9m。

3　結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

本工程按抗震性能目標(biāo)C（各地震水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的性能水準(zhǔn)為1、3、4）要求設(shè)計(jì)，計(jì)算方法依據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ15-92-2013）[2]3.11.3條所列各水準(zhǔn)的驗(yàn)算公式計(jì)算。設(shè)定結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵部位構(gòu)件性能目標(biāo)如表1所示。

圖1　二層結(jié)構(gòu)平面布置圖（塔樓）

表1　構(gòu)件抗震性能目標(biāo)

4　結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

分別采用SATWE和GSSAP，PMSAP軟件作輔助參考，計(jì)算結(jié)果表明，在多遇地震作用下，除了Y向扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。由于SATWE與GSSAP計(jì)算方法有一定的差別，但計(jì)算結(jié)果基本接近，說(shuō)明SATWE與GSSAP的分析結(jié)果是可靠的（如表2）。

4.2結(jié)構(gòu)的彈性時(shí)程分析

輸入地震波為兩組實(shí)際地震記錄（SATWE軟件選波），并再由《場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》提供的地震波中選取一條場(chǎng)地合成人工波USER1輸入SATWE進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析。進(jìn)行彈性動(dòng)力分析時(shí)按Ⅶ度地震Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地，50年時(shí)限內(nèi)超越概率為63.2％（小震），阻尼比為0.05考慮，選取的地震波最大加速度峰值按安評(píng)報(bào)告取為40gal（如表3）。

由以表3可看出：

表2　結(jié)構(gòu)整體分析的主要計(jì)算結(jié)構(gòu)

表3　基底最大總剪力及最大層間位移角

（1）時(shí)程分析結(jié)果滿(mǎn)足平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80％，每條地震波底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65％的條件。

（2）彈性時(shí)程分析的三組加速度時(shí)程的各樓層剪力和層間位移角的結(jié)果小于或接近于規(guī)范反應(yīng)譜結(jié)果，反應(yīng)譜分析結(jié)果在彈性階段對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用。

4.3結(jié)構(gòu)的中震（設(shè)防烈度地震）驗(yàn)算

采用SATWE軟件對(duì)設(shè)防烈度地震（中震）作用下，除普通樓板、次梁以外所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，根據(jù)其抗震性能目標(biāo)，結(jié)合《高規(guī)》[3]中“不同抗震性能水準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)要求”的相關(guān)公式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能計(jì)算分析。

本工程各構(gòu)件按廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ15-92-2013）第3性能水準(zhǔn)第3.11.3條進(jìn)行中震作用下構(gòu)件的剪壓、拉彎承載力驗(yàn)算。

剪、壓承載力：

拉、彎承載力：

對(duì)于核心筒剪力墻及邊框柱η=1.05，框架柱η=1.0，框架梁及連梁等耗能構(gòu)件η=0.7。

在計(jì)算設(shè)防烈度地震作用時(shí)，采用規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算，水平最大地震影響系數(shù)αmax=0.23，阻尼比ξ=0.06。

在中震模擬彈性計(jì)算中，框架柱剪、壓、彎承載力均滿(mǎn)足要求；少部分連梁出現(xiàn)超筋；部分核心筒剪力墻及其邊框柱出現(xiàn)拉力（集中在D軸線(xiàn)上，偏置核心筒的外側(cè)）。對(duì)受拉構(gòu)件則因應(yīng)大、小偏心受拉而分別采取不用的配筋形式。對(duì)于小偏心受拉構(gòu)件，剪力墻邊緣構(gòu)件仍按多遇地震計(jì)算結(jié)果配筋，但豎向分布筋則按照中震計(jì)算結(jié)果扣除邊緣構(gòu)件配筋量后均勻布置；邊框柱則采用鋼管混凝土疊合柱（自基礎(chǔ)頂面至9層樓面），通過(guò)核心鋼管及周邊配筋抵抗拉力。對(duì)于大偏心受拉構(gòu)件，其受拉縱筋集中配置于剪力墻邊緣構(gòu)件中，并不計(jì)入豎向分布鋼筋的貢獻(xiàn)。

中震計(jì)算的簡(jiǎn)要計(jì)算結(jié)果如表4，表4中震驗(yàn)算時(shí)層間位移角控制：按1/325。

表4　中震作用下最大層間位移

4.4樓板應(yīng)力分析

4.4.1小震反應(yīng)譜計(jì)算裙房樓板應(yīng)力

針對(duì)塔樓二層樓板大開(kāi)洞和標(biāo)準(zhǔn)層，采用PMSAP進(jìn)行小震彈性驗(yàn)算下的彈性樓板應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果顯示各工況下板局部坐標(biāo)正應(yīng)力與剪切應(yīng)力均較小，最大值在0.5MPa左右（小于C30的1.43MPa），主要集中在樓板開(kāi)洞邊角、剪力墻角與樓板交接的地方，適當(dāng)加強(qiáng)應(yīng)力此部位的構(gòu)件配筋。

4.4.2中震各塔樓樓板應(yīng)力

為滿(mǎn)足抗震性能目標(biāo)的要求，確保中震作用下轉(zhuǎn)換層樓板能可靠地傳遞水平力，采用PMSAP進(jìn)行中震彈性驗(yàn)算下的彈性樓板應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果顯示各工況下板局部坐標(biāo)正應(yīng)力與剪切應(yīng)力均在0.97MPa以下（分別小于C30抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.43MPa 及0.7ft=1.0MPa），剪力墻與板交接特別是剪力墻筒、邊緣剪力墻與板交接的地方出現(xiàn)的應(yīng)力較大，增大板厚及拉通板筋加強(qiáng)，可基本保證大部分轉(zhuǎn)換層樓板滿(mǎn)足中震不屈服。

4.5罕遇地震靜力彈塑性分析分析采用PKPM系列中EPDA&PUSH基于三維有限元空間彈塑性分析軟件PUSHOVER程序（靜力推覆分析），進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析。

4.5.1大震下靜力彈塑性分析所得的性能點(diǎn)處相關(guān)指標(biāo)如圖2～3所示。

圖2　0°方向性能點(diǎn)曲線(xiàn)圖

4.5.2Pushover計(jì)算結(jié)果分析

（1）在罕遇地震作用下，性能點(diǎn)處各層彈性位移角滿(mǎn)足性能C“層間彈塑性極限位移角限值小1/100”的要求，建筑物可實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

（2）結(jié)構(gòu)出鉸在各樓層分布均勻，出鉸先后符合抗震設(shè)計(jì)理念在罕遇地震作用下，該結(jié)構(gòu)整體和大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍具有明顯的強(qiáng)度和變形能力安全儲(chǔ)備，只在1～3層的個(gè)別剪力墻出現(xiàn)破壞，說(shuō)明下部3層個(gè)別墻比較薄弱，將在施工圖中加大該處配筋。

圖3　90°方向性能點(diǎn)曲線(xiàn)圖

（3）部分連梁出現(xiàn)塑性鉸，且出現(xiàn)在連梁兩端，這表明連梁已到了充分耗能的作用。

4.5.3罕遇地震作用下承載力驗(yàn)算

采用SATWE的大震不屈服計(jì)算，對(duì)剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的抗剪承載力進(jìn)行分析，截面抗剪滿(mǎn)足目標(biāo)性能C，第4性能水準(zhǔn)，廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高規(guī)》3.11.3-3公式（VGE+ηVek≤0.15fckbh0）的要求。

4.6結(jié)構(gòu)穿層柱分析（BUCKLING）

4.6.1穿層柱相關(guān)參數(shù)

塔樓1～2層有2根穿層柱（具體位置詳結(jié)構(gòu)平面圖），為鋼管混凝土柱，柱截面均為D1156mm×28mm，從首層樓面0.000到3層樓面9.900m，實(shí)際高度9.9m，計(jì)算高度取9.9m，提取其小震水準(zhǔn)1、中震水準(zhǔn)3和大震水準(zhǔn)4時(shí)的內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算。

4.6.2BUCKLING屈曲分析[4]

表5　穿層柱相關(guān)參數(shù)

4.6.3穿層柱受力分析（如表6）

通過(guò)驗(yàn)算，穿層柱的承載力滿(mǎn)足要求。

5　超限處理主要措施

（1）結(jié)合大震作用下的推覆計(jì)算結(jié)果及中震驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)剪力墻大偏心受拉，將受拉鋼筋集中配置在邊緣構(gòu)件中；對(duì)小偏心受拉剪力墻，將受拉鋼筋均勻配置在邊緣構(gòu)件及墻身中，受拉鋼筋均采用機(jī)械連接。對(duì)于D軸的四根偏心受拉邊框柱，采用鋼管混凝土疊合柱加強(qiáng)。提高剪力墻配筋率，以滿(mǎn)足中震計(jì)算要求。

表6　1～2層穿層柱分析

（2）對(duì)二層穿層柱位置的開(kāi)洞，主要結(jié)合樓板應(yīng)力分析結(jié)果加大平面凹角處的板配筋及厚度，并加強(qiáng)邊梁的剛度，局部位移比較大的位置加強(qiáng)暗柱配筋，并從下至上全高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。

（3）對(duì)于首層～二層穿層柱，采用的鋼管混凝土柱，經(jīng)驗(yàn)算其穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

（4）鋼管混凝土柱至鋼筋混凝土柱設(shè)置兩層過(guò)渡層，過(guò)渡層鋼筋混凝土框架柱設(shè)置芯柱并加大縱筋配筋率及配箍率。第一層鋼筋混凝土柱縱筋伸入下層鋼管中一個(gè)層高。

（5）剪力墻及框架柱按中震彈性結(jié)果配筋。

6　結(jié)論

綜上所述，本工程雖然存在多項(xiàng)不規(guī)則，但結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單、體型規(guī)則，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中充分利用概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)定抗震性能化目標(biāo)。并在抗震設(shè)計(jì)中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性、彈塑性計(jì)算分析，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性工作外，還補(bǔ)充了關(guān)鍵構(gòu)件在中震和大震下的驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)良好，基本滿(mǎn)足規(guī)范的有關(guān)要求。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果和概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強(qiáng)，以保證在地震作用下的延性。

因此，可以認(rèn)為本工程除能滿(mǎn)足豎向荷載和風(fēng)荷載作用下的有關(guān)指標(biāo)外，結(jié)構(gòu)總體滿(mǎn)足“性能目標(biāo)C”的抗震設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)是可行且安全的。

[1]《廣東省超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查實(shí)施細(xì)則》（粵建市函[2011]580號(hào)）[S].

[2]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ15-92-2013）[S].

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].

[4]鄭竹，堯國(guó)皇，黃用軍.屈曲分析確定跨層柱計(jì)算長(zhǎng)度方法的應(yīng)用[J].四川建筑，2009，29（2）：152～154.

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1673-0038（2015）04-0006-03

2015-1-9