广州杨箕村旧城改造项目超限高层结构设计

王巧娜

【摘要】介绍了杨箕村旧城改造工程项目超限高层结构设计情况，设定了结构抗震性能目标，采用两种不同软件进行了小震弹性计算分析，并进行了中震和大震的计算分析，根据计算结果采取一定的加强措施以满足设定的抗震性能目标。

【关键词】超限高层；转换层；抗震性能目标

1 工程概况

杨箕村旧城改造工程项目位于广州大道以西、中山一路以南，西侧有杨箕涌，东侧毗邻广州新城市中轴线珠江新城，南接成熟社区五羊新城，区域位置优越，交通条件便利。本期建筑用地面积约17075.5 m2，总建筑面积186874m2（地上157188m2，地下建筑面积是32433m2）。地下3层， 为停车库和设备用房，层高依上而下分别是4.7m，3.3m，3.6m。地上7栋塔楼，层数为36～42层不等，各栋1～3层为共建配套及商业餐饮部分，4层为架空层，5层及以上为住宅部分，其中5层楼面为转换层楼面；各栋14、28层均为避难层，各塔楼高度及布置情况如下表

2 结构选型和布置

2.1 防震缝的设置

上部各塔楼独立，缝宽400mm，地下室不设缝。

2.2结构体系

结构的主要抗侧力构件为落地剪力墙，主要设置在楼、电梯间位置的核心筒，建筑物四周及大部分不影响建筑使用的内墙位置，以提供结构的抗侧及抗扭刚度，部分无法落地的上部墙体采用大截面框支柱和框支梁进行托换。1～4层由于商业要求，层高较高，大于标准层的层高。为了减少楼层刚度突变，同时保证竖向抗侧力构件不连续的楼层抗剪承载力无突变，设计中各栋落地的剪力墙均做了加厚处理，墙厚为350mm～500mm。

2.3 楼盖体系

为加强平面刚度，保证抗侧力构件协同工作，本工程采用现浇混凝土梁板体系，地下室底板采用平板结构，板厚h=500mm，地下二层为有粘结预应力无梁楼盖（人防区），板厚h=350～400mm，地下一层为无粘结预应力无梁楼盖，板厚h=300～350mm，纯地下室部分的顶板采用有粘结预应力无梁楼盖，板厚h=350mm，塔楼部分首层楼板采用梁板式结构，板厚180mm。转换层楼板厚h=200mm，转换层相邻层楼板h=150mm；避难间、楼板不连续部分板及核心筒周围相连板的板厚h=150mm，标准层楼板h=100～130mm（视板跨而定），屋面层楼板h=120mm。

2.4 转换层构造

由于建筑功能的需要，各栋均需在4层转换。均采用梁式转换结构，梁高控制在2～2.4m（对应一般的转换净跨在6～9m）。框支框架按特一级设计。设计时对转换层的楼板加厚至200mm，并配双层双向钢筋网，配筋率上也作一定加强，与转换层相邻层的楼板厚度及配筋也作一定加强（板厚加强至150mm），以有效传递因竖向构件不连续而产生的水平力。转换层结构平面见下图（仅列出 B7 栋）

2.5构件抗震等级

2.6 结构抗震性能目标

B3、B4栋超限的项目为：平面凹凸不规则、扭转不规则及竖向构件不连续，其建筑高度均为116.1m，为B级高度超限高层。B1、B2、B5～7栋超限的项目为：平面凹凸不规则（B7无），扭转不规则及竖向构件不连续，其建筑高度为122.1～134.1m，为超B级高度超限高层。针对本工程各栋的结构特点和超限内容，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.11.1条，B1～B7栋性能目标均定为C级，小震、中震、大震的性能水准分别为1、3、4。

3弹性计算结果及分析

本工程选用北京盈建科软件有限责任公司编制盈建科软件（YJK1.3.0.1，2013版）和Midas Building（CH_300_R4，2012版）软件。结构计算考虑偶然偏心地震作用，双向地震作用，及施工模拟。

3.1 结构的整体计算结果（以B7栋为例）

从上表可以看出，1、盈建科与Midas Building的计算结果相近，这说明计算结果合理、有效，计算模型符合结构的实际工作状况。2、结构周期及位移符合规范要求，剪重比适中，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

3.2 结构的弹性时程分析

根据抗规5.1.2条表5.1.2-1规定，采用盈建科程序对各栋进行了常遇地震下的弹性时程分析。按地震选波三要素（频谱特性，有效峰值和持续时间），选取II类场地上五组实际强震记录以及二组人工模拟的场地波进行弹性时程分析，分析结果如下图（仅列出 B7 栋）：

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 ；各栋楼层位移曲线以弯曲性为主，曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀，曲线斜率变化量最大位置接近底部，说明最大有害位移角位于底部楼层，需特别增大该部分的竖向构件刚度，减小层间位移角，并予以构造加强。

通过比较，弹性时程分析的楼层内力和位移平均值均小于安评反应谱结果，安评反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。

3.3 结构在设防地震下的验算

为方便设计，《高规》中允许采用弹性方法进行计算。本节运用盈建科对结构进行设防地震下的弹性近似验算。

3.3.1 底部加强部位剪力墙中震不屈服的验算

B7栋计算结果显示：底部加强部位的落地剪力墙体轴压比均小于0.5， 以应力较大且有代表性的A、B片墙肢验算，A片墙（为转换层下层）设防地震下内力为M= 15645.8 kN.m， N= 26058.6kN（压力），V= 3420.5 kN；B片墻（为转换层下层）设防地震下内力为M= 795.6 kN.m， N= 4188.7（压力），V= 730.8 kN。远小于构件（墙体竖向筋配筋率0.6%，水平筋配筋率0.6%，暗柱配筋率1.4%）的抗弯、抗剪承载力。各墙体均满足设防烈度不屈服的要求。

3.3.2 普通构件、耗能构件中震不屈服验算：

计算结果显示：

（1）非底部加强部位剪力墙及框架柱配筋均为构造配筋，未出现超筋或截面超限情况。

（2）经逐层复核，除楼、电梯间周边局部楼层的连梁出现抗剪超筋外，其余连梁及框架梁均未出现超筋或截面超限情况。

3.3.3 转换构件中震弹性验算：

根据计算结果表明，转换构件按中震弹性计算得出的内力值与小震组合内力值比较接近，各转换构件也未出现超筋情况，配筋在可实施范围。

3.4 结构在罕遇地震下的验算

性能目标C要求结构在罕遇地震下达到第4性能水准。结构的抗震性能应按弹塑性计算加以深入分析。要求所有构件的受剪截面应满足截面限制条件，防止构件发生脆性破坏。验算受剪截面的剪力，《高规》中允许偏于安全按等效弹性计算结果取值。

3.4.1罕遇地震下竖向构件受剪截面弹性近似计算：

以B7栋为例进行分析，首层应力最大的墙肢剪压比为 0.0881，受剪截面满足要求。经逐层复核，各层墙肢抗剪截面均满足要求，构件在罕遇地震下不会出现发生脆性的受剪破坏。

3.4.2罕遇地震下关键构件受剪截面不屈服的弹性近似计算：

对图中红色转换梁验算抗剪截面：转换梁恒载下剪力为5459KN，活载下剪力为684KN，Y向地震剪力为2051KN，7852KN= =0.15*38.5*1600*2350/1000=21714KN，满足抗剪截面要求。其他位置的转换构件按此方法验算结果表明，转换梁及各层转换柱满足大震下抗剪截面的要求。

4转换层楼板应力分析

本工程转换层采用盈建科计算，其采用壳单元模拟转换层的楼板，楼板厚度取200mm，不考虑楼板的刚度折减，进行小震组合下的楼板应力分析，分析结果表明楼板X、Y方向的最大拉应力分别约为1.0Mpa，2.0Mpa， 考虑采用Φ12@200双层双向配筋后楼板可以满足抗拉要求。

5弹塑性静力推覆（pushover）分析

本工程采用 PKPM 系列软件之 PUSH&EPDA——多层及高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件进行 PUSHOVER 分析。以 B7 栋为例进行结构弹塑性静力推覆结果分析。

B7栋结构在完成弹塑性静力推覆后，最大顶点位移约为492.6mm，结构最终仍能保持直立，满足“大震不倒”的抗震设防要求；结构能力谱与罕遇地震需求谱存在交点（性能点），在罕遇地震作用下， X向最大层间位移角1/209，Y向最大层间位移角1/234，均小于1/120，满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）中5.5.5条的规定.

在推覆的过程中，塑性铰首先出现在楼、电梯厅周边剪力墙的连梁上，随后，有个别塑性铰出现在剪力墙的位置。由于结构平面的特点，随着水平推力的增大，塑性铰主要出现在连梁和框架梁上，起到了很好的耗能作用，而剪力墙则都围绕楼、电梯厅周边这些开洞较多、突出平面的位置出现塑性铰，且由于地震剪力的累积，越接近下部楼层塑性铰越明显。从塑性铰出现的过程来看，剪力墙部分墙肢进入塑性的区域主要分布在底部加强区和顶部几层，对于较快出现塑性铰的部分剪力墙，以后的设计中，需要采用相应的措施予以加强，如适当加大配筋率等。

PUSHOVER分析结果表明，结构具有较大的承载力及较好的延性，能满足“大震不倒”的抗震设计目标。对其薄弱部位也有了一定了解，在后续的设计工作中应适当予以加强以满足其性能目标。

6结构抗震安全性技术措施及对策

本工程主要超限的项目是：（1）扭转不规则；（2）平面凹凸不规则；（3）竖向构件间断；（4）B1栋、B2栋、B5栋、B6栋、B7栋略超B级高度。

因此，在构件中采用下面的构造措施，在分析计算中采用下面的内力调整与控制，避免、消除抗震安全隐患，达到预期的抗震设防能力和结构性能要求，确保结构安全。

6.1 内力调整措施

（1）通过调整弹性阶段设计内力，满足规范GB50011-2010中5.2.5条各楼层最小水平地震力要求，使结构在多遇地震作用下，结构满足弹性阶段设计要求。

（2）校核JGJ3-2010第8.1.4规定，各层框架柱承担的结构底部地震总剪力调整按≥0.2V0或1.5Vfmax调整。

（3）根据《高规》10.2.4条规定，各栋所有转换构件（转换梁、转换柱）水平地震作用下的计算内力乘以1.9的放大系数。

6.2 内力控制措施

1）控制钢筋混凝土剪力墙的轴压比不大于0.5，降低剪力墙的压应力水平，从而提高组合墙体的延性和耗能、变形能力。对于极个别轴压比>0.5的剪力墙，对剪力墙暗柱加设芯柱（配筋率1.0%），以提高剪力墙的延性。

2）控制特一级混凝土框支柱轴压力系数不大于 0.6，提高框支柱的延性和变形能力。

3）控制一级抗震混凝土框架柱轴压比不大于0.75，提高混凝土框架柱的延性。

6.3 抗震构造加强措施

6.3.1 转换层及其以下落地剪力墙的加强措施

1）由于本工程B1～B7均为高位转换，故对各栋剪力墙底部加强部位的抗震等级提高一级至特一级，约束边缘构件配筋率按特一级要求提至1.4%；

2）由于各栋转换比例较大，剪力墙底部加强部位的竖向及水平分布筋的构造配筋率提高至0.6%，提高底部剪力墙在大震下的抗剪、抗拉能力；

3）B7栋大开洞范围内正常拉双向框架梁，且此范围内墙体构造配筋率取 0.6%（规范规定 0.4%），柱子构造配筋率取 1.8%（规范规定取 1.6%）

4）由于B1、B3～B7栋除核心筒外的落地墙比例较少，故对其核心筒作针对性加强，将核心筒壁厚加厚至500mm厚；

5）将框支柱轴压比控制在较低水平，保持较好的延性；

6）墙体连梁：跨高比 2设交叉钢筋， 1设交叉暗撑。

6.3.2 框架加强措施

1）框架部分严格按“强柱弱梁”设计，充分发挥框架的延性。

2）框架柱全高采用井字复合箍，箍筋间距不大于100mm，肢距不大于200mm，直徑不小于10mm。

6.3.3 楼板加强措施

转换层楼板厚度为200mm，配筋采用双层双向 12@200（0.283%），局部应力较大位置再另加钢筋满足受力要求。转换层相邻上下层楼板也相应加强板厚至150mm，并在配筋上予以一定加强。

7 结论

综上所述，本工程B3、B4栋属B级高度内的超限高层，B1、B2、B5～B7栋属于超B级高度的超限高层建筑，并均存在平面、竖向不规则。我们在设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标。并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、静力弹塑性计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010），对结构在设防地震和罕遇地震下，进行了详尽的性能分析，得出相应的性能目标。计算结果表明，各项指标均表现良好，基本满足规范的有关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键、重要构件和薄弱部位作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。

因此，可以认为本工程除能满足竖向荷载，地震作用和风荷载作用的有关指标外，亦满足“小震不坏，中震下主要构件不屈服、震后可以修复，大震不倒塌”的抗震设防目标，结构是可行且安全的。

参考文献

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[2] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S]

[3] 徐培福等. 复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005

[4] 赵西安. 现代高层建筑结构设计[M].北京：科学出版社，2000