佛山中德工业服务区高技术服务平台结构设计

黄 长 木

(中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063)



佛山中德工业服务区高技术服务平台结构设计

黄 长 木

(中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063)

结合佛山中德工业服务区高技术服务平台建筑工程的具体情况,介绍了某结构设计方案，设计采用基于性能的抗震设计方法和合理化的结构布置，充分发挥体系的抗侧效率，底部采用钢管混凝土柱提高钢筋混凝土结构体系的延性，分析表明：该结构体系各项相关参数满足规范要求，结构整体及构件的抗震性能均能达到预期的性能目标。

钢筋混凝土框架—核心筒，连体结构，超限高层，抗震设计

1 工程概况

佛山中德工业服务区高技术服务平台位于佛山新城岭南大道以东、君兰路以南地块。总用地面积约25 706.05 m2，建筑面积约20万m2。甲级写字楼，配套有商业和地下停车场。采用框架—核心筒结构，按双子星塔楼设计。地上41层、地下3层，地面以上总高度178.9 m。首层层高7 m，2层～5层层高5 m，其余楼层层高4.2 m。因功能需要，双子楼在3层～5层裙房连为一体，形成连体结构建筑效果图见图1，典型剖面图见图2。

2 设计参数

工程设计基准期为50年，结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类，设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。50年重现期基本风压为0.60 kN/m2，地面粗糙度为B类。

3 结构体系

建筑平面尺寸为49.1 m×40.7 m，外框柱布置在42.0 m×33.6 m的轴网上，核心筒尺寸为25.4 m×15.0 m。建筑高宽比为3.76，核心筒高宽比为12。综合考虑建筑功能以及经济性，采用钢筋混凝土框架(钢管柱)—核心筒体系。核心筒为主要抗侧力构件。底部加强区电梯筒内隔墙采用钢筋混凝土剪力墙，增强整体性同时减小周边剪力墙的轴压比，有利于延性发展。底部加强区以上减少不必要的中间墙，提高抗侧效率的同时提升经济效益。外框架由18根框架柱及钢筋混凝土框架梁组成，柱间距8.4 m。框架柱在28层以下采用钢管混凝土柱，以减小柱截面并提高结构抗震性能。3层及主楼标准层结构平面布置图见图3，典型构件截面尺寸见表1。

裙房3层～5层将两塔楼相连形成连体。由于建筑功能需要无法跨层设置转换桁架，故将转换构件设置在3层楼面以下。拟采用梁式转换或者桁架转换(见图4)。由于首层大堂挑空，2层楼板不连续，桁架下弦杆产生的水平力无法通过楼板有效的传递给核心筒，最终选用梁式转换。转换梁采用型钢混凝土梁，梁高2 m，跨度25.8 m，向内延伸一跨以平衡梁端弯矩，保证连体部分与主体结构可靠连接，加强3层～6层楼盖。

表1 典型构件截面尺寸

构件低区中区高区外框柱ϕ1100×(32～24)ϕ1000×(24～20)1.0m×1.0m1.0m×1.0m～0.8m×0.8m核心筒外墙0.6m～0.5m0.5m～0.4m0.4m～0.3m内墙0.6m～0.5m,0.2m0.5m～0.4m,0.2m0.4m～0.3m,0.2m框架梁外圈400×700柱与筒体之间400×700楼板核心筒内150,核心筒外110混凝土竖向构件C60～C50C50～C40C40～C30水平构件C30转换构件C60～C50C50～C40C40～C30

首层大堂及41层会所挑空，并形成跃层柱，楼板不连续。由于建筑40层～41层建筑外边线往核心筒方向收进约3 m，外框柱不连续，40层以上框架柱通过转换构件进行局部转换。

4 结构超限情况

表2 结构平面及竖向不规则判定

塔楼房屋高度178.9 m，高度超限，未超过B级高层最大适用高度180 m。主体结构超限情况见表2，可以看出除结构高度超限外，在平面及竖向布置存在多处不规则。

5 抗震性能目标

根据表2中所示超限情况，结合结构体系的特点，提出整体结构的抗震性能目标为C，各关键构件抗震性能目标如表3所示。

表3 结构抗震性能目标

6 结构计算与分析

6.1 结构计算分析假定

主体结构按弹性计算分析，地下室顶板嵌固。连体楼层、转换层及楼板不连续楼层楼板采用弹性膜模拟。跨高比不大于2.5的连梁采用墙元模型，跨高比大于2.5连梁用杆元模型。计算分析软件采用SATWE程序，并用Midas Building校核。

6.2 水平地震及风荷载作用计算

地震作用采用考虑扭转耦连振型分解法进行计算，结构前六阶自振周期列于表4，前四阶为平动振型，第五、六阶为扭转振型。在水平风荷载与地震作用下，结构计算指标汇总见表5。从表4及表5中可以看出，结构各项指标均满足规范要求，SATWE与Midas Building结果接近，验证了计算的可靠性。

表4 自振周期

表5 结构主要计算指标

6.3 弹性时程分析

时程分析采用Ⅲ类场地一组人工波RH4TG045及两组天然波TH2TG045，TH3TG045，根据安评报告加速度峰值取42.5gal。每条地震波计算底部剪力大于反应谱法结果的65%，三条波底部剪力的平均值大于反应谱法结果的80%，三条地震波的平均地震影响系数曲线与反应谱所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，满足规范要求。由弹性时程与反应谱法计算结果对比见表6。从表中可以看出，弹性时程分析的层间位移角及基底剪重比均满足规范限值。

表6 时程法结构地震响应

7 设防烈度地震及大震作用下重要构件补充分析

根据广东DBJ 15—92—2013高规第3.11.3条，对中震作用下的重要构件进行分析，保证构件抗震性能目标。对连体层、转换层及楼板不连续楼层楼板进行中震作用下楼板应力分析。

7.1 连体转换构件抗震承载力验算

型钢混凝土转换梁正截面抗弯及抗剪承载力按CECS 230∶2008高层建筑钢—混凝土混合结构设计规程6.3条计算，钢管混凝土转换柱的正截面承载力按CECS 28∶2012钢管混凝土结构设计技术规程式5.1.2计算，式中构件承载力抗震调整系数取1.0，材料强度采用标准值。在中震及大震作用下内力组合及截面承载力列于表7，计算结果表明：中震及大震作用下，转换梁内力组合值小于截面承载力，满足既定的中震弹性、大震不屈服性能目标。

表7 转换梁中震及大震下截面承载力验算

转换柱在中震及大震作用下内力组合见表8，承载力M—N相关曲线见图5，“▲”表示重力荷载代表值与中震作用下标准内力组合，“□”表示重力荷载代表值与大震作用下标准内力组合，从图中可以看出，转换柱N—M内力值小于构件截面承载能力，能满足既定性能目标。

表8 转换柱各工况内力组合值

7.2 底部加强区外筒剪力墙抗震承载力验算

底部加强区外筒剪力墙抗剪承载力按JGJ 3—2010高层混凝土结构技术规程式7.2.10.2计算，式中构件承载力抗震调整系数取1.0，材料强度采用标准值。底部加强区核心筒剪力墙编号见图6，抗剪承载力验算见表9，可以看出，重力荷载代表值与地震作用下墙肢剪力组合值均小于墙肢抗剪承载力，满足承载力要求。

7.3 设防烈度地震作用下楼板应力

在小震作用下各楼层楼板的主拉应力均未超过混凝土的抗拉强度标准值，保持弹性状态。对关键部位楼板按弹性楼板进行中震下应力分析，楼板在核心筒角点处由于刚度较大产生应力集中，造成应力值较大，其余各处楼板最大主拉应力为2.0 MPa，未超过混凝土抗拉强度标准值，大部分楼板保持弹性。在大震作用下，楼板钢筋不屈服。满足设计的性能目标。

表9 首层剪力墙抗剪承载力验算

墙编号重力荷载代表值作用下剪力墙剪力地震作用下剪力墙剪力/kN中震组合中震抗剪承载力大震组合大震抗剪截面中震大震VGEk+1.05V*EHk0.67VukVGEk+1.05V**Ek0.133fckbh0123915272.811462.57927.49448.814426.618126.622044.76201.413481.38556.1119861620023042.332150.2838718232.510956.511510.321294.322120.642568.45905.512838.18769.29448.816048.418126.65233.31676.13643.81993.245334059.28602.4626.86385.113880.66731.1921114601.417665.7

8 罕遇地震弹塑性分析

为考察结构在大震作用下的抗震性能，采用PUSH&EPDA程序进行静力弹塑性分析。X,Y向需求谱曲线和能力谱曲线见图7,图8，X向和Y向性能点处最大层间位移角为1/150和1/184，均小于规范要求的1/100，结构在大震作用下的变形满足规范要求。

随着水平推覆荷载的逐步施加，核心筒连梁先出现塑性铰，连梁塑性铰从下到上逐渐发展，到达性能点时，少量核心筒内部

200厚剪力墙发生屈服，核心筒外墙未发生剪切破坏。外框架在达到性能点加载步之前未出现塑性铰之后，下部外框架梁端先屈服产生塑性铰，逐步往上发展，直到荷载步停止计算，框架柱未屈服。由此可见，结构体系基本达到预期抗震性能要求。

9 连体部分舒适度验算

选取连体部分及相邻一跨局部模型，两侧设置侧向约束，柱底、柱顶设置铰接，模拟连体边界条件，进行模态分析，前三阶振动频率分别为4.02 Hz,4.26 Hz,5.00 Hz，均为竖向振动。从计算结果可看出，连体部分第一阶竖向振动频率满足规范大于3 Hz要求。

10 结构抗震加强措施

通过对结构进行全面的分析，结合概念设计及规范要求，对结构关键部位采取以下加强措施：1)底部加强区剪力墙抗震等级为特一级，严格控制轴压比。首层剪力墙水平和竖向分布筋配筋率不小于0.6%。2层～6层剪力墙分布筋配筋率不小于0.4%，全高范围设置约束边缘构件，提高约束边缘构件配筋率。2)2层、41层楼板不连续，按照弹性楼板计算，2层楼板板厚加强到150 mm，41层板厚加强到130 mm，双层双向配筋，最小配筋率不小于0.25%。3)连体结构与主体刚接连接，采用型钢混凝土梁托柱形式，型钢梁伸入主体一跨，转换柱采用钢管混凝土柱。连体楼层楼板厚度取150 mm，双层双向配筋，屋面层及转换层楼板配筋率不小于0.3%，其他层不小于0.25%。4)越层柱的计算长度应逐个核实，采用弹性楼板计算。提高跃层柱配筋率，从严控制轴压比。5)提高40层转换构件纵筋及箍筋配筋率，转换柱设置型钢，提高其抗震性能。

11 结语

1)对于带连体的不规则超限高层，结构计算采用两种不同力学模型的三维程序SATWE和Midas Building进行整体计算。结果表明，在多遇地震及风荷载作用下，各项技术指标均满足规范要求。

2)中震及大震作用下，验算关键构件截面承载力，满足规范要求，实现既定性能目标。

3)通过静力推覆分析验算结构在大震下的变形能力及塑性铰发展，可以确定结构体系基本能够达到预期的抗震性能要求。

4)对连体部分进行舒适度验算，满足舒适度要求。

5)在分析计算基础上，结构设计中采取了相应的抗震加强措施。可为今后同类结构参考和借鉴。

[1]GB 50011—2012，建筑抗震设计规范.

[2]JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程.

[3]CECS 230∶2008，高层建筑钢—混凝土混合结构技术规程.

[4]CECS 28∶2012，钢管混凝土结构设计与施工规程.

[5]DBJ 15—92—2013,高层建筑混凝土结构技术规程.

Structure design of Foshan sino-german high-tech industrial service platform

Huang Changmu

(ChinaShanghaiArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200063,China)

Combining with specific high-tech service region conditions of Foshan sino-german industrial service region, the paper introduces its structural design scheme, rational structural layout, anti-lateral efficiency and steel reinforced concrete ductility by applying steel-tube concrete column in the bottom. Analysis results show that: the structural system parameters meet demands, and integral structural seismic performance achieves expected functional ejects.

steel reinforced concrete frame-core tube, continuous structure, super high-rise building, seismic design

1009-6825(2015)18-0031-03

2015-04-16

黄长木(1982- )，男，工程师，一级注册结构工程师

TU318

A