洪海波，陳學(xué)偉，鄭 宜

（1、中新廣州知識城投資開發(fā)有限公司 廣州 510555；2、WSP科進(jìn)香港有限公司 香港 999077；3、廣東城建達(dá)設(shè)計(jì)院有限公司 廣東佛山 528200）

1 工程概況

廣州某超高層建筑項(xiàng)目包括商業(yè)裙房2層、塔樓53層、地下室5層，地下建筑功能主要為車庫和機(jī)房，塔樓與宴會(huì)廳和商業(yè)裙房用連廊連接［1］，如圖1所示。塔樓與宴會(huì)廳和塔樓與商業(yè)裙房之間的抗震縫設(shè)置如圖2所示。本文介紹Y型平面超高層塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。某塔樓建筑面積為274 137.00 m2，塔樓房屋高度為282.90 m（B1層室外地面至主屋面），超過最大適用高度（190 m）約49%，屬于超限高層建筑結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行超限審查。

圖2 抗震縫設(shè)置示意圖Fig.2 Layout of Aseismic Joint

本項(xiàng)目位于廣州市地區(qū)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［2］，風(fēng)荷載基本風(fēng)壓為0.50 kPa，地面粗糙度為C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)偏于保守取1.40。由于本工程屬于對風(fēng)荷載比較敏感的高層建筑，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍采用。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級一級。塔樓構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)超過8 000人，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［3］和《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 15-92—2013》［4］，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，多遇地震下水平地震影響系數(shù)最大值為0.08（阻尼比為3.5%），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地土類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s。

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

本項(xiàng)目綜合考慮了施工周期及裝配式評分要求，結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土柱框架（鋼管混凝土柱+鋼梁框架）-核心筒的結(jié)構(gòu)體系。塔樓建筑平面為Y形（長邊約110 m、短邊約100 m），外輪廓按回轉(zhuǎn)半徑計(jì)算高寬比約為5.74。該建筑由3個(gè)核心筒組成，每個(gè)核心筒寬約11 m，長約34 m。將Y形平面折分成3個(gè)翼部，每個(gè)翼部塔樓的高寬比超出文獻(xiàn)［4］要求，因此協(xié)調(diào)3個(gè)翼部的變形至為關(guān)鍵，采用大截面箱形梁連接3個(gè)核心筒，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)與抗扭能力。塔樓結(jié)構(gòu)整體模型如圖3所示。

圖3 整體計(jì)算結(jié)構(gòu)三維模型Fig.3 3D Model of the Structure

外框柱間距約為10.8 m，外框柱與核心筒距離約為9.7～12.1 m；外框梁和內(nèi)框梁均采用鋼梁，通過計(jì)算表明，框筒的連系鋼梁即使作為剛接也不能提高抗側(cè)剛度，且由于剛度導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，因此連系梁采用鉸接處理。樓面鋼梁的設(shè)計(jì)假定為：核心筒與外框柱的連接梁采用兩端鉸接、外框柱與外框柱的連接梁采用兩端剛接、次梁采用兩端鉸接。

核心筒外樓蓋采用鋼梁+鋼筋桁架樓承板，核心筒內(nèi)樓蓋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板。

低區(qū)采用鋼管混凝土剪力墻，高區(qū)采用鋼筋混凝土剪力墻，鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C70，鋼材強(qiáng)度等級為Q390，從嵌固端到37BF層，柱截面由φ1 700×40逐步減小至φ1 300×40；高區(qū)由于建筑功能從辦公樓變?yōu)榫频?，外框柱采用圓形鋼管混凝土柱和矩形鋼管混凝土柱，從38層至頂層，混凝土強(qiáng)度等級由C50逐步減小至C40，辦公區(qū)外框柱數(shù)量為24根，酒店區(qū)外框柱數(shù)量為20根。在兩個(gè)區(qū)之間的避難層46F和大堂層47F采用斜柱以及轉(zhuǎn)換桁架進(jìn)行過渡，圓鋼管截面按50～100 mm收進(jìn)。通過計(jì)算表明，轉(zhuǎn)換桁架同時(shí)具備加強(qiáng)層效應(yīng)，減少結(jié)構(gòu)的層間位移角。

核心筒材料主要采用鋼筋混凝土，從嵌固端到頂層，混凝土強(qiáng)度等級由C70逐步減小至C40，厚度由1.0 m逐步減小至0.5 m。此外，在48F以上，將減少東北位置的1個(gè)核心筒。底部加強(qiáng)部位為B1F～6F，為滿足抗震性能要求，B2F～8F的核心筒剪力墻內(nèi)嵌鋼管，形成鋼管混凝土剪力墻核心筒，以滿足軸壓比和中大震受拉受剪的要求。

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

3.1 超限內(nèi)容

按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》［5］，塔樓超限內(nèi)容為：①高度超限，房屋高度為282.90 m，超過了鋼管混凝土柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度（7度區(qū)最大適用高度為190 m）；②扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的X向規(guī)定水平力作用下最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.36；③樓板不連續(xù)，大部分樓層存在有效寬度小于50%的情況；④尺寸突變，47F豎向構(gòu)件縮進(jìn)位置大于25%；⑤局部不規(guī)則，斜柱構(gòu)件、塔樓存在3個(gè)不連續(xù)的轉(zhuǎn)換桁架。

3.2 抗震性能目標(biāo)

結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)取C級，小震、中震和大震下的性能水準(zhǔn)分別為1、3、4，即關(guān)鍵豎向構(gòu)件應(yīng)保證中震彈性、大震不屈服。各性能水準(zhǔn)對應(yīng)的震后性能狀況如表1所示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能目標(biāo)如表2所示。表2中依據(jù)《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-151—2019》［6］：結(jié)合性能水準(zhǔn)要求，針對本工程結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和超限內(nèi)容［7］，結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)抗震性能要求的層間位移角指標(biāo)。

表1 各性能水準(zhǔn)結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況Tab.1 Objectives of Structure under Earthquake for Different Seismic Performance Level

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)要求Tab.2 Design Requirements of Member Capacity

4 小震與中震性能分析

4.1小震與風(fēng)荷載分析

采用YJK及ETABS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震及風(fēng)荷載分析。結(jié)構(gòu)小震反應(yīng)譜采用規(guī)范譜；結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗(yàn)在華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載采用規(guī)范風(fēng)荷載和風(fēng)洞試驗(yàn)提供的等效靜力風(fēng)荷載的包絡(luò)值。

小震分析結(jié)果如表3所示，從表3中可以看出，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果比較吻合，風(fēng)荷載分析結(jié)果如表4所示，各項(xiàng)指標(biāo)均符合文獻(xiàn)［4］的要求。

表3 小震作用下結(jié)構(gòu)性能分析主要結(jié)果Tab.3 Results of Structural Performance Analysis un?der Frequent Earthquake

表4 風(fēng)荷載作用下最大層間位移角、首層剪力Tab.4 Max Story Drift and Base Shear under Wind Load

結(jié)構(gòu)周期比為0.88，小于0.90；結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.36。

YJK軟件計(jì)算的層間位移角曲線如圖4所示。不同方向地震作用的X、Y向位移角均遠(yuǎn)小于1/500，說明結(jié)構(gòu)具備足夠的側(cè)向剛度，滿足文獻(xiàn)［4］的要求；層間位移角與位移曲線突變是由剪力墻縮進(jìn)與轉(zhuǎn)換桁架的加強(qiáng)層效應(yīng)引起的。

圖4 結(jié)構(gòu)在小震作用下的層間位移角Fig.4 Story Drift of Structure under Frequent Earthquake

4.2 中震性能分析

采用YJK軟件進(jìn)行中震構(gòu)件性能分析。底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足中震抗剪彈性性能指標(biāo)，非加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足中震不屈服指標(biāo)。由分析結(jié)果可知，在雙向水平地震下，由于核心筒占比較大，局部核心筒剪力墻承受偏拉作用，但由軸拉力產(chǎn)生的名義拉應(yīng)力均小于1.0ftk，如圖5所示，按計(jì)算配置受拉鋼筋即可滿足偏拉承載力要求。因此，核心筒剪力墻的含鋼率由軸壓力控制，剪力墻含鋼率為1.5%。

圖5 受拉剪力墻構(gòu)件的分布Fig.5 Layout of Shear Walls Bearing Tension

5 大震彈塑性時(shí)程分析

采用Perform-3D程序［8］對塔樓進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。通過小震彈性時(shí)程分析選取2組人工波和5組天然波（GM1～GM5），7組地震波作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力均在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算基底剪力的65%～135%范圍內(nèi)，7組地震波作用下的平均基底剪力在振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算基底剪力的80%～120%范圍內(nèi)，地震波的反應(yīng)譜分析結(jié)果如圖6所示，滿足文獻(xiàn)［4］關(guān)于地震波選取的要求。分別按0°、90°為主方向進(jìn)行雙向彈塑性時(shí)程分析，并以結(jié)果最大值進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評估。

圖6 地震波反應(yīng)譜曲線與規(guī)范譜對比Fig.6 Response Spectrum Comparison from Earthquake Waves and From Code

計(jì)算模型僅考慮地上結(jié)構(gòu)，在簡化模型中將塔冠質(zhì)量施加在塔樓屋面，采用Perform-3D建立結(jié)構(gòu)三維非線性整體分析模型，該計(jì)算模型與彈性計(jì)算的YJK模型對應(yīng)，Perform-3D彈塑性模型如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)Perform-3D模型Fig.7 Perform-3D Structure Model

梁和柱采用纖維截面來模擬，梁采用一維纖維單元模擬，柱采用二維纖維單元模擬。梁柱均采用塑性區(qū)與彈性桿系拼接形成單元（集中塑性模型）。詳細(xì)非線性計(jì)算分析及假定在韓小雷等人的研究［9-10］中有詳細(xì)的描述。經(jīng)過彈塑性分析所得結(jié)構(gòu)層間位移角曲線如圖8所示，最大層間位移角為1/139，滿足小于1/100的要求。結(jié)構(gòu)在X方向和Y方向的非線性耗能比例最大值分別為9.90%和10.95%。

圖8 結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間位移角Fig.8 Story Drift of Structure under Rare Earthquake

X方向大震作用下基底剪力為115 997 kN，Y方向?yàn)?14 784 kN，大震與小震基底剪力的比值為6.28（X方向）與6.16（Y方向），表明大震達(dá)到有效耗能的屬性。

對框架梁、鋼管柱、剪力墻墻件轉(zhuǎn)換桁架等關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行彈塑性評估，滿足性能目標(biāo)要求。中上部的核心筒的連梁是主要耗能構(gòu)件，出了較多的塑性變形仍滿足變形要求，如圖9、圖10所示。柱墻構(gòu)件處于未屈服狀態(tài)，表明關(guān)鍵構(gòu)件在大震作用下滿足性能目標(biāo)的要求。

圖9 結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件及柱構(gòu)件在大震下的正截面性能分布Fig.9 Flexure and Axial Performance of Beams and Columns under Rare Earthquake

圖10 結(jié)構(gòu)剪力墻在大震下的正截面性能分布Fig.10 Flexure and Axial Performance of Shear Walls under Rare earthquake

6 結(jié)論

本文所述塔樓房屋高度超過最大適用高度190 m、且存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變、局部不規(guī)則（包括穿層柱、斜柱、局部托柱轉(zhuǎn)換、夾層）等4項(xiàng)不規(guī)則情況。塔樓采用鋼管混凝土柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)針對其Y形平面的特點(diǎn)及裝配率評分標(biāo)準(zhǔn)要求，采用了鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，通過在底部采用C70混凝土及鋼管混凝土墻來減少底部墻肢厚度。根據(jù)建筑功能特點(diǎn)，中低區(qū)采用圓鋼管混凝土柱，高區(qū)采用矩形鋼管混凝土柱，對整體結(jié)構(gòu)體系及布置進(jìn)行鋼構(gòu)件的截面細(xì)化，且設(shè)置有效的耗能機(jī)制，使之具有良好的結(jié)構(gòu)性能。3個(gè)核心筒通過大截面箱形截面鋼梁相連，保證3個(gè)翼部協(xié)調(diào)工作，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)及抗扭剛度。

本工程進(jìn)行了小震中震下的彈性分析，大震下對關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行不屈服及彈性驗(yàn)算，以及采用Perform-3D軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性分析，完成基于性能的抗震分析。在大量分析的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)提出了相應(yīng)的超限加強(qiáng)措施。目前該工程已通過超限審查。