某超高塔楼部分结构设计的分析

郭艳坤李超

1中州大学（450044）2河南省省直机关房屋建设开发公司（45003）

设计与施工

某超高塔楼部分结构设计的分析

郭艳坤1李超2

1中州大学（450044）2河南省省直机关房屋建设开发公司（45003）

对某超高层塔楼钢筋混凝土框架-核心筒结构的超高层建筑，先后使用ETABS、SATWE软件对结构进行了分析，并对分析结果进行比较，从而论证设计的结构超限问题。

塔楼；结构设计；分析

1 工程概况

深圳某超高层塔楼建筑面积1万m2，用途为办公，建筑物主体高度250m，核心筒部分及屋顶钢架高度为280m，高宽比为7.7，地上65层。工程的结构设计年限为50年，塔楼部分的安全等级为二级，7度抗震设防,场地特征周期为0.35s，基本地震加速度为0.1g，建筑场地为II类，抗震设防类别为丙类，设计地震分组为一组。一号塔楼的主体平面为矩形，标准层的结构平面布置图见图1。

图1 一号楼标准层平面图

2 结构设计策略

深圳市地区的特点为风荷载大、地震作用相对较小，因此结构设计的关键是提高建筑结构的抗侧刚度。钢-混凝土混合结构体系中，钢梁的刚度仅为同高度的混凝土梁的30%左右。计算结果表明,混合结构体系很难满足规范对结构的刚度要求。若要满足要求，则必须设置2～3个加强层，这样将带来结构受力的复杂性和设备层使用的不便性。因此，该塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。

由于核心筒的特点是高宽大，如何充分发挥核心筒的抗侧效率是个难题。在设计中通过加厚筒体翼缘墙体的厚度来增加抗侧刚度，而筒体翼缘墙体的厚度随着建筑高度增加逐渐减小来获得较大的使用空间。这种设计方法成功满足了规范对结构的刚度要求,而且避免了在设备层设置加强层，使得设备管道可以顺利通过。

对于该塔楼采用的框-筒结构体系,外框架体系将作为有效承重支撑，大部分竖向荷载通过轴力的方式向下传送。由于结构的层数较多，外框架柱承受竖向荷载较大。为了减小框架柱的截面面积，以增加有效使用面积，考虑采用钢-混凝土组合结构柱。在组合结构柱的选型上,我们对型钢混凝土柱、钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱进行了深入比较和论证。钢管混凝土叠合柱同时具有钢管混凝土和型钢混凝土的优点，刚度、强度均大，耐火性能好，因此外框架柱采用了钢管混凝土叠合柱。

考虑到钢筋混凝土与钢管混凝土叠合梁柱节点的施工便利，该工程根据钢筋混凝土梁的实际配筋在钢管上开矩形孔洞使梁中纵向钢筋可以顺利通过，管壁开孔的截面损失率不超过50%。采用钢管混凝土叠合柱方便了施工，减少了施工工期。

3 结构整体计算结果

3.1 弹性计算结果

在设计中对整体结构的自振特性分别采用ETABS和SATWE分析软件进行了分析计算。两种不同软件的计算结果如表1所示，计算结果较为接近，从侧面反映出结构模型和分析的正确性。平动为结构的主要振型，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.67，满足《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3-2002）的要求。

风荷载及小震作用下的结构反应计算是结构设计中的重要内容。结构在风荷载及小震作用下结构最大的层间位移如表2所示。可见，在风和地震作用下的层间位移角在规范限值之内。

表1 周期计算结果

表2 风荷载及小震作用下结构最大的层间位移

在偶然偏心影响的水平地震作用下，层间位移和其平均值之比值、楼层竖向构件的最大水平位移和其平均值之比值均在规范限值之内，从而证明结构抗扭刚度较好。

地震作用下楼层剪重比同样是结构整体分析时需要分析的重要内容。计算结果表明，在13层以下的各层沿X向和Y向的层间地震剪力不能满足规范的最小剪重比要求，因此程序对该部分地震剪力进行了1.15倍调整，以提高该部分地震抗剪承载力。图2分别给出了X向和Y向地震作用下的框架和核心筒倾覆力矩沿楼层的变化情况。计算结果表明，基底框架和核心筒X向倾覆力矩分别为1 121019kN·m和2349918kN·m，Y向倾覆力矩分别为948767kN·m和2586129kN·m。计算结果表明,本塔楼结构中核心筒所占倾覆力矩沿结构高度始终大于50%总地震倾覆力矩。

3.2 弹性时程分析

采用三条地震波，包括一条地面人工波和两条天然波,对结构进行弹性时程分析。表3给出了3条地震波和规范反应谱的计算结果，图3对应的层间剪力值与楼层的关系曲线。通过对结构的弹性时程分析结果可以得到：1）每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于振型分解反应谱法的80%，地震波的选择满足规范要求；2）CQC法的层间剪力曲线基本能反映所选的三条地震波对应的平均层间剪力曲线。但在结构顶部少数楼层,CQC法的地震剪力偏小,说明设计反应谱在长周期阶段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足，施工图设计将对顶部楼层的地震剪力进行调整。

(a)X向地震作用下的倾覆力矩

图2 倾覆力矩分配

表3 基底剪力计算结果(KN)

(a)X向

图3 地震作用下的层间剪力值

3.3 中震不屈服分析

由于该塔楼为超限结构，为确保结构的安全可靠，进行了在中震（设防烈度）下的抗震计算，使这些重要的抗震构件（剪力墙、柱、连梁和框架梁），在中震作用下不屈服。

通过中震不屈服分析和判断可以得出结论：结构体系中竖向构件在中震情况下保持着良好的弹性性能，而水平构件特别是连梁则有较多的进入屈服状态，通过调整连梁、框架梁的配筋以及对部分连梁截面调整，才使主要水平构件不屈服。这从设计上保证了中震不屈服概念的具体落实，也体现了地震中各构件的屈服顺序基本上先是连梁屈服，后是部分框架梁屈服，而竖向构件则没有出现屈服的情况。

3.4 静力弹塑性分析

虽然规范中仅仅对大震分析的结构进行了界定，但对于大震分析的主要方法所言甚少。该项目采用静力推覆分析研究结构在罕遇地震作用下的工作性能。静力推覆分析可以较好地揭示结构在大震下的屈服过程，展示出结构构件出现屈服、内力重分布的发展过程以及结构达到预定的变形限值。对不同材料及应用范围的结构构件弹塑性、变形性能进行明确规定的国际规范有美国规范ATC40、FEMA273、FEMA35、ACI318等。控制构件塑性变形能力，可以将结构构件变形控制在轻微变形、严重变形等范畴。从对使用者生命财产的危害程度角度，结构构件可以分为震后可完全使用水准、震后可立即进住水准、生命安全水准、震后不倒塌水准的结构。

通过静力弹塑性推覆分析，得出如下结论：1）结构方案完全满足规范要求的“小震弹性、中震可修、大震不倒”抗震设防性能目标。2）结构方案同时也满足本报告设定的小震弹性、中震允许部分次要水平构件出现塑性、大震允许部分连梁和框架梁出现较多塑性铰但不出现危及生命安全的严重变形的抗震设防性能目标。3）塑性铰主要发生在连梁、部分框架梁局部位置,且主要分布于建筑物的中下部，这在一定程度上与中震分析的结果是吻合的。也就是说，中震分析时构件界面利用率最大的部位在推覆分析中将首先出现屈服,且随着推覆的进展，部分塑性铰的发展也与中震结果中构件界面利用率具有一定的相关性。4）竖向构件中框架柱未出现塑性铰，剪力墙在大震下未出现塑性铰，说明竖向构件具有良好的抗震性能。5）通过结构在大震下的变形和塑性铰出现位置和发展状态，可以确定现设计是安全的，抗震构造措施是适当的。同时，局部位置塑性铰发展较为严重的构件需要改善其延性性能和配筋等，以调节其抗震变形能力，尽量将其变形控制在生命安全范围以内。

4 结论

根据建筑物自身特点，此超高层建筑塔楼采用钢筋混凝土框-筒结构，在地面至26层的外框柱使用了钢管混凝土叠合柱，提高了核心筒和外框架的使用效率，从而使刚度达到设计要求。

[1]CECS188：2005,钢管混凝土叠合柱结构技术规程[S].中国计划出版社,2005.

[2]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规范[S].中华人民共和国行业标准,2002.

[3]GB50011-2001,建筑抗震设计规范[S].中华人民共和国国家标准,2002.