某核心筒偏置超限高层办公楼结构设计

黄灿明

（广东天元建筑设计有限公司　广东　顺德　528300）

某核心筒偏置超限高层办公楼结构设计

黄灿明

（广东天元建筑设计有限公司广东顺德528300）

本文针对广东顺德容桂某商业办公楼超限高层结构设计，针对工程的特点，重点探讨了结构选型、结构布置、抗震设防目标、抗震措施等，解决核心筒偏置的超限高层出现竖向构件偏拉及有针对性的结构加强措施；对楼板进行了应力分析，对整体进行静力弹塑性分析。结果显示工程各项计算指标比较理想，所采取措施也比较合理，较好的解决了工程中遇到的困难。

超限高层；塔楼偏置；穿层柱；抗震性能设计

1　工程概况

本工程位于广东省佛山市顺德区容桂某地块，总建筑面积为6.21万m2，由二层地下室（为车库及设备房，地下二层为人防）、四层商业裙房（局部五层）和一栋办公塔楼组成，裙房与塔楼首层以上设置抗震缝，地下室平面尺寸约143.52m×45.15m，裙房平面尺寸为83.52m×37.5m，裙房顶标高23.100；办公塔楼平面尺寸为51.7m×24.8m，建筑高度为130.4m，32层，标准层层高为4m，其长宽比为2.08、高宽比为5.25。

办公塔楼采用钢管混凝土框架-剪力墙结构体系，设计基准期为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震分组为第一组，基本地震加速度为0.1g，多遇地震影响系数为0.091、特征周期0.42s（按场地地震安全性评价报告取此值），建筑场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为丙类。顺德基本风压值w0= 0.6kN/m2，地面粗糙度类别为B类，塔楼范围采用冲孔灌注桩基础，桩端持力层为中风化花岗片麻岩，入岩深度不小于0.5m，地基基础设计等级为甲级。钢管混凝土柱钢管及叠合柱钢管采用Q345B钢材，剪力墙及部分框架柱采用混凝土柱混凝土强度等级为C60～C40。

2　超限判断及设计难点

2.1超限判断及不规则类型

办公塔楼高度（130.4m）超限，属B级高度高层建筑，按粤建市函[2011]580号[1]表一，框架-剪力墙结构＞120m为超限高层；存在的不规则有：二层楼面有较大的开洞属于楼板不连续（见图1），首层～二层有两根穿层柱，考虑偶然偏心的扭转位移比Y向为1.37，属于扭转不规则。

2.2设计难点

（1）塔楼的核心筒偏置（见图1），故不属于超高层常见的框架-核心筒体系，结构平面的不对称性，使得D轴×14～17轴的核心筒剪力墙在水平力作用下出现较大的偏心拉力。

（2）二层楼面有较大的开洞，平面呈“凹”字形。

（3）首层～二层有两根穿层柱，柱的实际长度为9.9m。

3　结构抗震性能目标

本工程按抗震性能目标C（各地震水准对应的性能水准为1、3、4）要求设计，计算方法依据广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）[2]3.11.3条所列各水准的验算公式计算。设定结构各关键部位构件性能目标如表1所示。

图1　二层结构平面布置图（塔楼）

表1　构件抗震性能目标

4　结构计算分析

4.1结构整体计算分析

分别采用SATWE和GSSAP，PMSAP软件作辅助参考，计算结果表明，在多遇地震作用下，除了Y向扭转不规则，各项指标均符合规范要求。由于SATWE与GSSAP计算方法有一定的差别，但计算结果基本接近，说明SATWE与GSSAP的分析结果是可靠的（如表2）。

4.2结构的弹性时程分析

输入地震波为两组实际地震记录（SATWE软件选波），并再由《场地地震安全性评价报告》提供的地震波中选取一条场地合成人工波USER1输入SATWE进行弹性动力时程分析。进行弹性动力分析时按Ⅶ度地震Ⅲ类场地，50年时限内超越概率为63.2％（小震），阻尼比为0.05考虑，选取的地震波最大加速度峰值按安评报告取为40gal（如表3）。

由以表3可看出：

表2　结构整体分析的主要计算结构

表3　基底最大总剪力及最大层间位移角

（1）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。

（2）弹性时程分析的三组加速度时程的各楼层剪力和层间位移角的结果小于或接近于规范反应谱结果，反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。

4.3结构的中震（设防烈度地震）验算

采用SATWE软件对设防烈度地震（中震）作用下，除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力，根据其抗震性能目标，结合《高规》[3]中“不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求”的相关公式，进行结构构件性能计算分析。

本工程各构件按广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）第3性能水准第3.11.3条进行中震作用下构件的剪压、拉弯承载力验算。

剪、压承载力：

拉、弯承载力：

对于核心筒剪力墙及边框柱η=1.05，框架柱η=1.0，框架梁及连梁等耗能构件η=0.7。

在计算设防烈度地震作用时，采用规范反应谱计算，水平最大地震影响系数αmax=0.23，阻尼比ξ=0.06。

在中震模拟弹性计算中，框架柱剪、压、弯承载力均满足要求；少部分连梁出现超筋；部分核心筒剪力墙及其边框柱出现拉力（集中在D轴线上，偏置核心筒的外侧）。对受拉构件则因应大、小偏心受拉而分别采取不用的配筋形式。对于小偏心受拉构件，剪力墙边缘构件仍按多遇地震计算结果配筋，但竖向分布筋则按照中震计算结果扣除边缘构件配筋量后均匀布置；边框柱则采用钢管混凝土叠合柱（自基础顶面至9层楼面），通过核心钢管及周边配筋抵抗拉力。对于大偏心受拉构件，其受拉纵筋集中配置于剪力墙边缘构件中，并不计入竖向分布钢筋的贡献。

中震计算的简要计算结果如表4，表4中震验算时层间位移角控制：按1/325。

表4　中震作用下最大层间位移

4.4楼板应力分析

4.4.1小震反应谱计算裙房楼板应力

针对塔楼二层楼板大开洞和标准层，采用PMSAP进行小震弹性验算下的弹性楼板应力分析，计算结果显示各工况下板局部坐标正应力与剪切应力均较小，最大值在0.5MPa左右（小于C30的1.43MPa），主要集中在楼板开洞边角、剪力墙角与楼板交接的地方，适当加强应力此部位的构件配筋。

4.4.2中震各塔楼楼板应力

为满足抗震性能目标的要求，确保中震作用下转换层楼板能可靠地传递水平力，采用PMSAP进行中震弹性验算下的弹性楼板应力分析，计算结果显示各工况下板局部坐标正应力与剪切应力均在0.97MPa以下（分别小于C30抗拉强度设计值1.43MPa 及0.7ft=1.0MPa），剪力墙与板交接特别是剪力墙筒、边缘剪力墙与板交接的地方出现的应力较大，增大板厚及拉通板筋加强，可基本保证大部分转换层楼板满足中震不屈服。

4.5罕遇地震静力弹塑性分析分析采用PKPM系列中EPDA&PUSH基于三维有限元空间弹塑性分析软件PUSHOVER程序（静力推覆分析），进行结构非线性分析。

4.5.1大震下静力弹塑性分析所得的性能点处相关指标如图2～3所示。

图2　0°方向性能点曲线图

4.5.2Pushover计算结果分析

（1）在罕遇地震作用下，性能点处各层弹性位移角满足性能C“层间弹塑性极限位移角限值小1/100”的要求，建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标。

（2）结构出铰在各楼层分布均匀，出铰先后符合抗震设计理念在罕遇地震作用下，该结构整体和大部分结构构件仍具有明显的强度和变形能力安全储备，只在1～3层的个别剪力墙出现破坏，说明下部3层个别墙比较薄弱，将在施工图中加大该处配筋。

图3　90°方向性能点曲线图

（3）部分连梁出现塑性铰，且出现在连梁两端，这表明连梁已到了充分耗能的作用。

4.5.3罕遇地震作用下承载力验算

采用SATWE的大震不屈服计算，对剪力墙底部加强区的抗剪承载力进行分析，截面抗剪满足目标性能C，第4性能水准，广东省标准《高规》3.11.3-3公式（VGE+ηVek≤0.15fckbh0）的要求。

4.6结构穿层柱分析（BUCKLING）

4.6.1穿层柱相关参数

塔楼1～2层有2根穿层柱（具体位置详结构平面图），为钢管混凝土柱，柱截面均为D1156mm×28mm，从首层楼面0.000到3层楼面9.900m，实际高度9.9m，计算高度取9.9m，提取其小震水准1、中震水准3和大震水准4时的内力进行验算。

4.6.2BUCKLING屈曲分析[4]

表5　穿层柱相关参数

4.6.3穿层柱受力分析（如表6）

通过验算，穿层柱的承载力满足要求。

5　超限处理主要措施

（1）结合大震作用下的推覆计算结果及中震验算结果，对剪力墙大偏心受拉，将受拉钢筋集中配置在边缘构件中；对小偏心受拉剪力墙，将受拉钢筋均匀配置在边缘构件及墙身中，受拉钢筋均采用机械连接。对于D轴的四根偏心受拉边框柱，采用钢管混凝土叠合柱加强。提高剪力墙配筋率，以满足中震计算要求。

表6　1～2层穿层柱分析

（2）对二层穿层柱位置的开洞，主要结合楼板应力分析结果加大平面凹角处的板配筋及厚度，并加强边梁的刚度，局部位移比较大的位置加强暗柱配筋，并从下至上全高设置约束边缘构件。

（3）对于首层～二层穿层柱，采用的钢管混凝土柱，经验算其稳定性满足要求。

（4）钢管混凝土柱至钢筋混凝土柱设置两层过渡层，过渡层钢筋混凝土框架柱设置芯柱并加大纵筋配筋率及配箍率。第一层钢筋混凝土柱纵筋伸入下层钢管中一个层高。

（5）剪力墙及框架柱按中震弹性结果配筋。

6　结论

综上所述，本工程虽然存在多项不规则，但结构形式比较简单、体型规则，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、弹塑性计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性工作外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。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，对关键和重要构件作了适当加强，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和风荷载作用下的有关指标外，结构总体满足“性能目标C”的抗震设防目标。结构是可行且安全的。

[1]《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》（粤建市函[2011]580号）[S].

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）[S].

[3]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[S].

[4]郑竹，尧国皇，黄用军.屈曲分析确定跨层柱计算长度方法的应用[J].四川建筑，2009，29（2）：152～154.

TU973

A

1673-0038（2015）04-0006-03

2015-1-9