某超限钢筋混凝土框架—核心筒结构设计

赵变青

(太原市建筑设计研究院，山西太原 030002)

1 工程概况

太原某超限高层办公楼项目位于太原市体育路与亲贤北街交叉口之西北角。本项目建筑场地总用地面积94 290．1m2，总建筑面积约642 278．43 m2。地下2层，地面以上由1幢52层超高层办公楼及1幢高层酒店和4层裙房组成。超高层办公楼的建筑总高度为209．8 m(室外地面至大屋面高度);裙房总高度为23．80 m(室外地面至屋面高度)，为多层结构。设计使用年限为50年。超限高层办公楼建筑面积约100 000 m2，52层，标准层层高为3．8 m，1层 ～4层为商业，5层～52层为5A级写字楼，在20层和38层设有两个避难层。地下室为车库、商业和设备用房。

该工程设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为8度，基本地震加速度为0．2g，建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为一组，场地特征周期为0．45 s，抗震设防类别为丙类;建筑高度为超B级的高层建筑，取100年一遇的基本风压0．45 kN/m2，地面粗糙度类别C类。

2 结构体系及布置

本工程地下结构连为一体，地上主楼与裙房设置防震缝将结构分为相互独立的结构单元，缝宽200 mm;裙房采用框架结构体系，抗震等级为二级;主楼采用钢筋混凝土框架—核心筒的结构体系。根据JGJ 50011-2010高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称《高规》)的要求，建筑高度超过了规范规定的框架—核心筒的B级高度的限值140m，为超B级的高层建筑，根据B级高度丙类建筑抗震等级表，框架为一级，核心筒为特一级，由于建筑高度超过B级，框架、核心筒的抗震等级均采用特一级。框架柱采用型钢混凝土柱，截面由1 800×1 800，内配1 500×300×36×50的“十”字形焊接H形钢骨，钢材材质为Q345B。梁采用钢筋混凝土梁，梁高取1/15跨度，为500×800，连梁在38层以下均采用双连梁，38层以上为单连梁。核心筒内楼板采用130 mm厚的现浇钢筋混凝土楼板，双层双向拉通配筋，核心筒外围采用普通钢筋混凝土现浇楼板，为增加结构角部的刚度，结构四角均设置井字梁，保证结构中央核心筒与周边框架共同工作。为改善结构在高振型作用下的动力性能，在20层，38层结构周边框架间各设置一道有限刚度的腰桁架。腰桁架与框架柱采用铰接连接。

3 超限情况及结构的抗震性能目标

3．1 超限判定

依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建质［2010］109号文件，且参照建设部《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》建设部令第111号和《山西省抗震设防超限高层建筑工程界定规定》晋建质字［2011］221号中关于结构超限内容的有关规定对办公楼进行超限认定，见表1。

表1 结构的超限认定

根据表1可以看出，结构的超限情况为，高度超过B级，2层楼板不连续，共两条超限，为一般超限高层结构，需进行朝鲜抗震专家审查。

3．2 性能目标

参考JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程3．11节条文说明中的举例及相关说明，综合考虑本工程写字楼结构的安全性和经济性，根据结构构件的重要性将整体结构构件分为两大类:

第一类结构构件:核心筒(底部加强区，关键构件)，核心筒(底部加强区)、外框柱、腰桁架;

第二类结构构件(普通竖向构件和耗能构件):框架梁、连梁、楼板。

两类结构构件的抗震性能目标及其在不同地震水准下的结构抗震性能水准见表2。

表2 结构抗震性能水准

3．3 抗震性能设计实现方法

1)多遇地震作用下结构达到抗震性能水准1(结构完好无损)，结构设计按照规范规定的振型分解反应谱法进行计算分析与设计，同时采用弹性时程分析进行复核。

2)设防烈度地震作用下，第一类结构构件达到第3性能水准，主要通过等效弹性计算方法得到结构构件内力进行设计，同时通过中震弹性计算关键构件的抗剪承载力及中震不屈服对正截面承载力进行校核;第二类结构构件达到第4性能水准，主要通过中震不屈服计算连梁和框架梁的抗剪截面及承载力进行校核。对于框架梁以及连梁，在设防烈度下的性能水准为4，且为了满足强柱弱梁、强剪弱弯的设计理念，允许框架梁及连梁的抗弯部分进入塑性，但是不能太早，在水平地震影响系数最大值为0．31时，连梁的抗弯不能屈服。在水平地震影响系数最大值为0．4时，框架梁的抗弯不能屈服。

3)预估的罕遇地震作用下，第一类结构构件达到第4性能水准，第二类结构构件达到第5性能水准，主要通过等效弹性计算方法得到结构构件的内力来验算核心筒底部加强部位的抗剪截面。结构的弹塑性变形及薄弱部位主要通过动力弹塑性分析进行校核(见表3)。

4 计算结果

在小震弹性计算后，结构在X向的周期为T1=4．423 7 s，Y向的周期为 T2=4．362 7 s，第三周期为 T3=3．259 2 s，第一扭转振型周期与第一平动周期的比值为0．738(PKPM结果)，小于规范限值 0．85。

表3 性能目标细化表

结构的位移，X向结构最大层间位移角为1/614(在29层)，Y向结构最大层间位移角为1/644(在42层)，均大于按照规范内插以后的结构层间位移角的限值1/594，层间最大位移与楼层最大位移比均小于1．2，按照规范可以不计算双向地震，但考虑到结构高度为超B级的结构，且不存在绝对对称及刚度完全均匀的结构，在结构计算时仍然偏于安全的按双向地震作用计算。

结构的弹塑性计算采用MIDAS的动力时程进行分析计算，由计算结果可知，各主方向结构弹塑性最大层间位移角的具体数值及包络。以X方向为主向输入地震波，结构最大层间位移角分别为 1/129，1/184 和 1/134((L0196-L0197)，(L0202-L0203)，(L850-1-L850-2))，包络值1/129，小于1/100限值。以Y方向为主向输入地震波，结构最大层间位移角分别为1/124，1/166和1/129(L0196-L0197)，(L0202-L0203)，(L850-1-L850-2)，包络值1/124，小于1/100限值。最大的层间位移角X方向出现在11层，Y方向出现在38层。

5 结语

通过以上的计算结果可知，在结构超限的情况下，如果采用合理的结构形式和建筑布局，可以有效的控制结构的抗震性能，通过有效的计算和设置合理并切实可行的结构构件性能目标及加强措施，超限高层结构的结构设计并不是一个太过复杂的过程。