吳小賓，彭志楨，向新岸，秦 攀，盧 挺，余天和

(中國建筑西南設計研究院有限公司， 成都 610042)

1 工程概況

成都花園城國際度假中心B區(qū)塔樓地上總建筑面積約10.6萬m2，結構高度249.95m，幕墻高度266.6m。地下3層，地上67層，大屋面以上含3層屋架層，共設置5個避難層，建筑效果圖見圖1。中低區(qū)功能為辦公公寓，標準層層高3.6m；高區(qū)功能為酒店，標準層層高3.4m。建筑平面呈長方形，X向的長度為49.55m，Y向長度為30.5m，結構Y向高寬比為8.2，核心筒Y向高寬比為23.6。

圖1 建筑效果圖

采用鋼筋混凝土框架-核心筒+伸臂桁架結構體系，結構模型見圖2，典型結構平面圖見圖3。框架柱從底層1 800×2 400(型鋼混凝土柱)逐漸收進至頂層800×800(鋼筋混凝土柱)，型鋼混凝土柱延伸至37層；底部框架柱混凝土采用C70，軸壓比不大于0.64。核心筒厚度：X向1.2～0.4m，Y向1.0～0.3m，核心筒角部設置型鋼，混凝土采用C60，軸壓比不大于0.45，各種型鋼鋼材均為Q355B。

圖2 結構模型圖

圖3 典型結構平面布置圖

本工程設防類別為乙類，結構設計基準期和設計使用年限均為50年?？拐鹪O防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，場地類別為Ⅱ類。

2 針對大高寬比設計措施

針對本項目高寬比較大的特點，對比了有無加強層方案，對結構的剛重比、剪重比、層間位移角、剪力墻名義拉應力等主要參數及結構的抗傾覆能力進行了細致的分析。

2.1 方案比選

由于建筑布置造成該結構兩個主軸方向動力性能差異較大，結構高寬比X向為5.04，Y向為8.2，核心筒高寬比X向為8.14，Y向為23.6，Y向剛度相對較弱；故在不影響建筑功能的前提下，設計時盡可能地增加了Y向剪力墻截面及Y向框架梁截面尺寸，且提高了框架柱Y向剛度。但結構在不設置伸臂加強層時，Y向剛重比依然不滿足要求，大震層間位移角接近規(guī)范限值，且周期偏大[1]。為進一步提高結構剛度及穩(wěn)定性，在中部避難層設置一道伸臂桁架加強層，加強層設置后，不僅結構剛度有較大提高，各參數也滿足有關要求，底部核心筒拉應力顯著減小，有無伸臂桁架兩種方案主要結構參數見表1。

有無伸臂桁架方案結構參數對比 表1

2.2 加強層設置

當設置一道加強層時，一般認為居中略偏高設置較為有利[2]。針對伸臂桁架設置在不同避難層位置進行了效率分析，通過主要參數對比發(fā)現，在第三避難層(37層)設置4榀伸臂桁架后，結構的剛度、整體穩(wěn)定性最好，伸臂桁架布置示意圖見圖4。

圖4 伸臂桁架布置示意

為兼?zhèn)湫始敖ㄖδ埽毂坌问讲捎肰字形[3]，并貫通剪力墻，見圖5。由于外框架伸臂之間的環(huán)帶桁架影響設備房間布置，同時為避免結構在X，Y向的剛度差別太大，外框架伸臂之間不設置環(huán)帶桁架，而設置大型鋼混凝土梁，截面為600×1 000，內含型鋼H600×200×35×35(Q355B)，以協調外框架柱之間的受力及變形。

圖5 V字形伸臂桁架立面布置

伸臂桁架腹桿截面需滿足下列要求：1)提供足夠的側向剛度協調框架及核心筒變形，使得剛重比等控制參數滿足規(guī)范要求；2)伸臂桁架承載力滿足中震不屈服；3)避免加強層剛度過大導致加強層下層薄弱層或軟弱層出現；4)與伸臂相連剪力墻不超過中度損傷[4]。

在設置一道伸臂桁架加強層的情況下，為達到綜合效果最優(yōu)，分析了不同伸臂腹桿截面對結構性能的影響，結果見表2。由表2可知，伸臂桁架截面太大時，剛度突變較大會導致加強層下層形成薄弱層，伸臂桁架伸入剪力墻可緩解剪力墻損傷。

不同伸臂腹桿截面對結構性能的影響 表2

采用ABAQUS建立三維模型對一榀貫通剪力墻的伸臂桁架進行有限元分析，與該榀伸臂桁架相連的周邊構件的內力同時作用在模型上，伸臂桁架核心筒外斜腹桿型鋼截面為H500×500×60×70，伸入剪力墻的斜腹桿型鋼截面為H500×400×40×40，鋼材均為Q355B，該剪力墻水平配筋率為0.8%。

有限元分析模型見圖6，主要分析結果見圖7。結果表明，罕遇地震下，伸臂桁架整個型鋼最大應力為307.1MPa，柱縱筋最大應力為284.8MPa，型鋼混凝土梁縱筋最大應力為264.3MPa，核心筒內鋼筋最大應力為260.7MPa，均小于鋼筋屈服應力。罕遇地震下，與伸臂桁架相連的剪力墻混凝土局部區(qū)域出現受壓損傷，最大損傷因子約為0.31，面積約20%，屬于中度損傷[4]。

圖6 伸臂桁架有限元模型

圖7 罕遇地震下伸臂桁架有限元分析結果

2.3 抗傾覆驗算

根據大高寬比項目特點，重點對水平荷載下剛度較弱的Y向結構傾覆進行驗算[5]，結果見表3。由表3可知，小、中震下結構抗力均大于效應，未出現零應力區(qū)，滿足規(guī)范要求。結構在Y向大震等效彈性方法計算下，底部出現零應力區(qū)，占比約為5.15%，小于25%。說明大震下結構不會發(fā)生傾覆。

抗傾覆驗算結果 表3

2.4 整體穩(wěn)定性驗算

采用MIDAS Gen進行結構的整體彈性屈曲分析[6]，前二階模態(tài)結果見圖8。結果表明第一屈曲模態(tài)為Y向平動，屈曲系數為12.1，第二屈曲模態(tài)為X向平動，屈曲系數為12.57，均大于10[7]，說明結構整體穩(wěn)定性滿足要求。

圖8 結構整體穩(wěn)定分析前二階模態(tài)

3 針對斜柱設計措施

由于建筑造型要求，51～55層立面局部收進，故在49～50層通過2層斜柱轉換，示意圖見圖9。3根斜柱分別位于西北角、東北角、西南角，其中X，Y向的傾斜角度為6°。針對重力荷載下斜柱間框梁，對比了斜柱與核心筒之間是否設置拉梁及是否考慮樓板[8]，分析結果見表4。從表4可知，考慮樓板作用后，斜柱間框梁拉力顯著減小；而斜柱與核心筒之間設置拉梁(截面600×700)后，隨著拉梁剛度增大，拉梁拉力增加，而斜柱間框梁拉力減小。為不影響建筑凈高，在斜柱與核心筒的樓板之間設置暗梁，其高度同板厚為150mm，寬度為1 000mm，暗梁配筋率不小于2%，按抗震鋼筋錨固。與斜柱相連所有框架梁按不考慮樓板作用進行承載力復核。

圖9 斜柱層梁柱示意圖

重力荷載下斜柱間框梁受力分析 表4

斜柱采用型鋼柱，與斜柱起始層相連的框架拉梁采用型鋼梁；同時加厚斜柱附近樓板，加強配筋，樓板厚度不小于150mm，配筋雙層雙向通長布置、間距不大于150mm且配筋率不少于0.3%；斜柱及其上下端樓層相鄰核心筒剪力墻抗震等級提高為特一級，且設置約束邊緣構件。

4 樓板應力分析

52，54層開洞形成的平面不規(guī)則及加強層樓板受力復雜，為了保證水平力傳遞和內力調整的可靠性，對樓板應力進行分析。從多遇地震下開洞層52層樓板應力云圖(圖10)可知，樓板最大拉應力1.58MPa小于樓板混凝土軸心抗拉強度標準值ftk；而從罕遇地震下伸臂加強層的剪應力驗算(圖11)可知，加強層樓板厚度(180mm)及配筋能滿足抗剪要求[9]。

圖10 多遇地震下52層樓板應力云圖/MPa

圖11 罕遇地震下伸臂桁架加強層剪應力云圖/MPa

5 性能目標

鑒于本工程為超B級高度的超限高層，同時存在加強層、斜柱、穿層柱以及樓板不連續(xù)等特點，本工程性能目標為高規(guī)[9]C類。將底部加強區(qū)核心筒、框架柱、伸臂桁架層及上下相鄰層的豎向構件及伸臂桁架、斜柱及其支承框架柱及拉梁定義為關鍵構件,其性能目標見表5。

構件抗震性能設計目標 表5

核心筒抗震等級為特一級；除加強層及相鄰上下層框架柱、斜柱及相鄰下層框架柱及拉梁抗震等級為特一級外，其余框架柱抗震等級為一級。

6 性能分析設計

滿足抗規(guī)[10]選波要求，采用2條天然波(RSN2811,RSN3818)及1條人工波(RGB3)，利用SAUSAGE及MIDAS Buliding軟件對整體模型進行大震下的彈塑性分析。

6.1 主要參數

罕遇地震下結構彈塑性層間位移角見圖12。X向、Y向最大層間位移角分別為1/228(8層)，1/224(12層)，均小于限值1/111[10]。

圖12 罕遇地震下彈塑性樓層層間位移角

罕遇地震下，彈塑性和彈性時程分析得到的結構頂點位移及基底剪力的對比見圖13。隨著結構進入彈塑性的構件越多或程度越深，結構剛度有所降低，基底剪力有所降低，地震作用力逐漸減小。由圖13可知，由于結構彈塑性的發(fā)展，結構頂點位移峰值間的往復周期明顯比彈性結構有所增長，但基本穩(wěn)定，沒有發(fā)散。說明在大震作用下，結構塑性變形進一步發(fā)展，結構剛度有所減小，但總體趨于穩(wěn)定。

圖13 罕遇地震下彈塑性與彈性模型參數對比

6.2 構件損傷分析

罕遇地震作用下，MIDAS Buliding軟件計算得到的框架柱屈服狀態(tài)見圖14，核心筒鋼筋豎向應力見圖15。由圖14,15可知，僅屋架層少量框架柱構件屈服，剪力墻鋼筋不屈服。

圖14 框架柱屈服狀態(tài)

圖15 核心筒鋼筋豎向應力/MPa

罕遇地震作用下，SAUSAGE軟件計算得到的結構豎向構件性能水平見圖16；桁架弦桿、斜柱及拉梁內型鋼塑性應變情況見圖17。由圖16,17可知，各構件基本滿足性能目標要求，具體情況如下：1)底部加強區(qū)大部分墻柱輕微～輕度損壞；加強層中與伸臂桁架相連的剪力墻大部分輕度損傷，所有剪力墻承載力滿足大震不屈服。2)底部加強區(qū)框架柱、加強層上下層框架柱、斜柱及相鄰下層斜柱包括斜柱拉梁處于彈性或輕微損壞，承載力滿足大震不屈服。3)伸臂桁架承載力可滿足大震不屈服。

圖16 罕遇地震下豎向構件性能水平

圖17 罕遇地震下關鍵構件型鋼塑性應變情況(未屈服)

7 結論

(1)大高寬比框架-核心筒結構的抗側剛度是設計關鍵點。設置加強層可有效提高結構抗側剛度，伸臂桁架的設置位置及剛度大小應進行綜合考慮，詳細分析。

(2)為減小與伸臂桁架相連剪力墻的損傷程度，宜將桁架貫通剪力墻，并適當提高該剪力墻水平配筋率；宜進行實體有限元分析復核并根據損傷情況加強。

(3)結構外框架存在斜柱時，宜在核心筒與斜柱之間設置拉梁，如無條件設置拉梁時，可設置暗梁以減少樓板開裂。