广州某超限高层结构设计探讨

杨志强,刘洋,王素裹

(1.广州市城市规划勘测设计研究院 广东广州 510060；2.福州大学土木工程学院 福建福州 350116)

广州某超限高层结构设计探讨

杨志强1,刘洋1,王素裹2

(1.广州市城市规划勘测设计研究院 广东广州 510060；2.福州大学土木工程学院 福建福州 350116)

广州某超高层建筑A、B塔地上为42层，主要高度153.9m，采用钢筋混凝土框架—核心筒结构体系。针对该超高层结构形式复杂，超限内容较多，体型不规则的结构特点，对结构进行了性能化设计，根据性能化设计目标进行了结构计算及关键构件的分析与设计，对今后类似的工程设计提供一定参考。

超高层建筑；性能目标； 结构计算

E-mail:150165933@qq.com

1 工程概况

广州某商业广场项目位于广州市番禺区万博大道与汉溪大道交汇处。总建筑面积345668m2，地上建筑面积242230m2，地下建筑面积105439m2。超高层写字楼A、B塔地上为42层，地下3层，主要高度153.9m。建筑效果图见(图1)，剖面图见(图2)。

图1 建筑效果图图2 建筑剖面图

本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期0.35s，抗震设防分类为丙类。基本风压强度验算时按100年重现期的基本风压值0.66kN/m2采用，位移验算时按按50年重现期的基本风压值0.60kN/m2采用，建筑物地面粗糙度为B类，风荷载体型系数取1.4。

2 结构体系

根据本工程塔楼和裙房连为一体的特点，确定采用钢筋混凝土框架—核心筒结构结构体系。核心筒外墙厚度从下到上由800mm减小到550mm；外框架柱截面由1600mmx1600mm减小到1200mmx1200mm；标准层采用钢筋混凝土楼盖体系，板厚h=110mm， 5层楼面(裙房开大洞)板厚为150mm，6层楼面(裙房顶)和屋面板，板厚h=150mm。塔楼结构标准层平面图参见(图3)。

图3 塔标准层结构平面布置图

3 工程场地安全性评价

根据广东省工程防震研究院所作《工程场地地震安全性评价报告》有关结论如下：工程场地覆盖层厚度3～20m，等效波速190.8～240.0 m/s，场地土类型中软土～中硬土，场地类别为Ⅱ类；根据场地地震测试孔钻探揭露，未发现有活动性断裂通过；场地内不存在饱和砂土层和较厚的软土层，不会发生砂土液化和软土震陷现象，属于抗震有利地段。地震参数如(表1、2、3)。

表1 工程场地63%、10%和2%的地震烈度及基岩加速度峰值

表2 工程场地水平的地面加速度峰值平均值

表3 设计地震动参数与规范值

4 结构超限情况和性能化抗震设计目标

4.1 结构超限情况

参照《建筑抗震设计规范》[1]、《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]和《广东省超限高层建筑工程抗震设防审查细则》[3]有关规定，本工程结构主要超限情况见下(表4)：

表4 结构主要超限情况表

4.2 性能化抗震设计目标

针对本工程结构的特点和超限内容，按《高层建筑混凝土结构技术规程》本工程各构件性能化设计指标见(表5)：

表5 结构各关键部位性能目标及验算结果汇总

5 主要计算分析结果

5.1 弹性整体计算

选用SATWE软件和Midas-building软件分别进行结构整体分析，主要计算结果详见(表6)。两个软件风荷载及地震作用计算值有些差异，但差异不大，在合理的范围之内。

表6 主要计算结果汇总

5.2 结构的弹性时程分析

采用SATWE程序对结构进行了常遇地震下的弹性时程分析。弹性时程分析采用的3条地震波； 分别为天然波TH1TG040、天然波TH4TG040、人工波DZ1AUser1，其记录步长均为 0.02秒；其中USER1为广东省工程防震研究院所作《场地地震安全性评价报告》提供的人工模拟的加速度时程曲线，TH1TG040、TH24TG040则为实测天然波的加速度时程曲线。三条地震波作用下结构弹性时程反应与规范反应谱法计算结果比较如(表7)所示。

表7 时程分析计算参数和结果摘要

弹性时程分析结论：

a.时程分析结果满足平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%，每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65%的条件；

b.由上述计算结果对比可见，弹性时程分析的楼层反力和位移平均值小于规范反应谱结果，反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。

c．楼层位移曲线下部以弯曲型为主，上部以剪切型为主，位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀。

d．各条时程地震波下的层间位移角曲线形状均较相似。

5.3 中震弹性分析

根据“中震可修”的原则，允许结构次要部位开裂，即对应作为第一道防线的剪力墙连梁开裂、刚度折减至0.4，考虑在中震作用下框架梁的开裂，同时按规范规定中震(50年，10%概率)地震影响系数0.23输入，计算同时需考虑结构的P-Δ效应，整体分析仍按基于弹性的振型分解反应谱法计算。分析中震计算结果最大位移(见图4)：X向为1/405、Y向为1/ 510，计算剪力墙加强区边缘构件按中震弹设计。

图4 塔楼中震作用下位移曲线图

5.4 静力(PUSHOVER)弹塑性分析

本工程采用PPUSHOVER分析评价结构在大震作用下是否能满足预先设定的目标性能。PUSHOVER分析中控制性参数选取：目标位移为1.53m[为楼高(包括地下室及屋顶)的1/100]，侧向荷载模式为倒三角模式，考虑P—△效应，考虑初始重力荷载，计算X与Y向地震作用。

图5 X、Y向大震作用下能力谱-需求谱曲线

7 结论

综上所述，本工程虽然为B级高层建筑适用高度，结构形式复杂，存在多项不规则，但在设计中采用性能设计方法，根据抗震原则及建筑特点，对整体结构体系及布置进行仔细的考虑并作优化，使之具有良好的结构性能。在抗震设计中，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了主要构件在中震下表现的性能要求，再采取多种计算程序进行了弹性、弹塑性的计算，计算结果表明，多项指标均表现得较为良好，基本满足规范的有关要求，使可控制的不规则程度得到基本有效控制。同时又通过概念设计及各阶段的计算程序分析结果，对关键和重要构件作了适当加强，在构造措施方面亦相应作了处理，以达到结构的抗震设防目标。

[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构设计规程[S].

[3]广东省超限高层建筑工程抗震设防审查细则[S].

大震作用下X向与Y向能力谱-需求谱曲线见(图5)。图上可以看出，结构在X方向需求层间位移角为1/126，需求点对应的总荷载步号为63；Y方向需求层间位移角为1/204, 需求点对应的总荷载步号为32；均满足罕遇地震下规范规定变形要求。

X、Y方向对应步号相对的结构杆端塑性状态图见(图6)。可以看出，结构在罕遇地震作用下，连梁大部分开裂，塑性铰大部分都出现在水平构件，主要集中在底部加强层区域内；在性能点处，核心筒剪力墙四周出现裂缝，尤其是底部加强区内较为严重，应对底部剪力墙墙肢及全楼层核心筒四周采取加强措施。

(a)X向第63步 (b)Y向第32步

6 结构超限的主要措施

根据分析结果，采取以下加强措施：①对底部加强部位的钢筋混凝土核心筒剪力墙，抗震等级取特一级，底部加强部位核心筒墙按中震弹性设计；②对B-4塔五层夹层楼板，采取加强板厚由120mm加强到150mm，局部200mm，每层每向配筋率不少于0.30%；③裙房顶层与塔楼相邻跨区域楼板均加强板厚由120mm加强到150mm，每层每向配筋率不少于0.30%；④对核心筒区域采用加强构造措施，如核心筒四个角部采用约束构件直通到顶层、核心筒每个楼层设暗梁等，进而提高整个核心筒的延性。

The Discussion of the Structure Design of a Super-High Rise Building in Guangzhou

YANGZhiqiang1,LIUYang1,WANGSuguo2

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute Guangzhou, 510060;2.Civil Engineering College, Fuzhou University Fuzhou, 350116)

A super-high rise building in Guangzhou consists of 42 floors above the ground. The main height of the building is 153.9 meters. The structure of the building used the reinforced concrete frame-core tube system. A performance based structure design was adopted in order to solve the structural complexity involved in the design. A series of structural calculation, analysis and design were conducted based on the performance based design, to provide a reference for future similar project design.

Super-high rise building; Performance objectives; Structural calculation

杨志强(1982- )，男，工程师。

2015-03-21

TU973

A

1004-6135(2015)04-0059-05