超限高层办公楼的实例分析

阮啟明

（广东　广州　510000）

超限高层办公楼的实例分析

阮啟明

（广东广州510000）

本办公楼项目采用框架-核心筒结构体系，部分框架柱采用型钢和混凝土混合，属于高度超限建筑。介绍了基于性能的抗震设计方法，利用多种软件对结构进行小震弹性、关键构件中震弹性及罕遇地震下的弹塑性分析。提出相应的加强措施，使结构能满足预定的性能目标。

超限办公楼；框架-核心筒；性能设计

1　工程概况

本项目（图1）位于广州市天河区，定位为高档办公楼。项目总建筑面积108505.5m2，其中地上建筑面积为85200m2，地下建筑面积为23305.5m2。其中地上部分由1#办公楼及2#办公楼两栋塔楼组成，其中1#办公楼带三层裙楼，塔楼为15层；2#办公楼建筑37层，高度为162.6m，地下部分为3层地下室，负三、负二为车库和设备房、负一主要为商业，其中2#办公楼属于超限建筑，后面将对2#办公楼进行实例分析。

该工程抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，建筑场地土类别为Ⅱ类，地基基础设计等级为甲级，控制结构水平位移的基本风压取50年重现期的风压0.5kN/m2，控制结构刚度的基本风压取100年重现期的风压0.6kN/m2，结构舒适度验算的基本风压按10年重现期的风压0.3kN/m2。地面粗糙度类别为C类，体型系数取1.6（考虑高层相互干扰）。

2　地基与基础设计

图1　效果图

根据地质勘察报告，场地地基稳定，场地土类型属于中硬土，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期Tg为0.35s。地下水对混凝土结构及钢筋具有微腐蚀性。本工程采用人工挖孔灌注桩，以中风化泥质粉砂岩为桩端持力层，在进入中风化持力层内扩底。塔楼部位桩直径为1400mm、1600mm、1800mm、2000mm、2200mm，扩底直径约加大800～1600mm，有效桩长约为18m。裙房部位桩径为1200mm，竖向承载力特征值为1800kN。

3　结构体系及结构超限情况

3.1结构体系

本工程塔楼和裙房分开设计，塔楼采用成熟的框架-核心筒结构体系。为满足建筑主入口大堂净空需要，二层局部楼板开洞，形成局部穿层柱。为减小柱轴压比及提高延性，南北面8根框架柱采用型钢混凝土组合柱。柱和剪力墙材料采用高强混凝土C60，沿高度逐渐减小至C40，型钢采用Q345。核心筒外墙X向剪力墙最大厚度为600mm，沿高度逐渐减小至400mm；Y向剪力墙最大厚度为700mm，沿高度逐渐减小至500mm。核心筒内墙最大厚度为400mm，沿高度逐渐减小至200mm。框架柱最大截面为1000mm×2000mm，部分为800mm×1000mm，在部分框架柱加入焊接H型钢。框架梁采用600mm×700mm、400mm×700mm，部分采用600mm×1000mm及400mm×1000mm。楼盖均采用现浇钢筋混凝土梁板式结构，首层结构楼板厚度取180mm，标准层结构楼板厚度取120mm，核心筒范围结构楼板厚度取150mm。梁板的混凝土强度等级均为C30。

3.2结构超限情况

本工程主要超限情况为：①塔楼主体高度为162.6m，超过高规[1]规定A级7度区框架-核心筒结构的最大适用高度限制为130m；②根据SATWE计算结果可知，本结构在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，结构局部楼层出现扭转位移比大于1.2；③由于二层出现楼板局部开洞，出现局部穿层柱。

3.3结构抗震性能目标

根据本工程的超限情况，以及与业主的沟通结果，采用基于性能目标的抗震设计方法，并选定本工程的抗震性能目标为高规[1]中所规定的D级：在多遇地震作用下结构的关键构件（指底部加强区核心筒剪力墙和底层跃层框架柱）处于弹性状态，框架梁、连梁及普通竖向构件均处于弹性状态；在设防地震作用下，结构的关键构件抗弯及抗剪均不屈服，框架梁、连梁及普通竖向构件均允许大部分进入屈服阶段，满足最小抗剪要求。在进行中震设计时，地震作用效应组合及各分项系数均按规范[2]进行。

4　结构计算与分析

4.1弹性计算分析

4.1.1结构整体分析

在多遇地震作用下的结构整体分析采用SATWE和MIDAS Building软件进行弹性计算。考虑上部结构嵌固于地下室顶板处，计算时取不带地下室模型进行计算。本工程计算时采用考虑扭转藕联振动影响的振型分解反应谱法，以及考虑双向水平地震作用下的扭转影响，并考虑单向地震时偶然偏心的影响。计算分析的主要结果见表1。

4.1.2弹性时程分析

根据规范[3]的要求，本结构应进行频遇地震作用下弹性时程分析。采用SATWE程序进行弹性时程分析，时程分析地震波采用SATWE地震波库中两条天然波、一条人工波及安评报告中提供三条天然波和一条人工波，七条波的峰值加速度均按规范小震的35cm/s2进行调整，地震波时间步长0.02s，结构阻尼比0.05。楼层剪力分布曲线如图2所示。由图中结果可知，所选七条时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱所用地震影响系数曲线在结构前三振型的周期点上相差不大于20％，满足规范“在统计意义上相符”的要求。七条时程波的基底剪力均处在振型分解反应谱法基底剪力的65～135％区间范围内，平均基底剪力处于80～120％范围区间，满足规范要求。十八层以上时程波平均楼层剪力大于振型反应谱楼层剪力，构件设计时采用局部楼层地震力放大进行设计。

表1　

图2　弹性时程地震波作用下最大楼层剪力曲线

4.2设防烈度地震分析

根据本工程的抗震性能目标，采用SATWE软件进行中震不屈服计算分析，地震作用计算采用规范反应谱。设防地震作用下层剪力、层间位移角分布及与频遇地震作用的对比如图3～4所示。

图3　结构在频遇地震、设防地震作用下层剪力对比

图4　结构在频遇地震、设防地震作用下层间位移角对比

由图3～4可知，两个方向基底剪力分别为频遇地震作用基底剪力的2.64和2.66倍，地震力满足要求，结构整体有富余的抗剪承载力；X向层间位移角最大值为1/412，Y向层间位移角最大值为1/378，小于2倍弹性层间位移角限值（1/750），属于轻微损坏范围，一般修理仍可继续使用，满足性能目标要求。

4.3罕遇烈度地震分析

根据本工程的抗震性能目标，采用Midsa Building对结构进行在罕遇地震作用下的非线性地震反应分析，结构动力弹塑性分析整体计算结构如表2所示。各地震波作用下层剪力及层间位移角（包络）分布见图5和图6。

表2　

图5　大震下（主方向）层剪力

经过分析得到以下结论：

（1）结构能够完成整个动力弹塑性分析过程而不发散，在考虑重力二阶效应和大变形的情况下，结构最终仍然保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。

（2）主体结构在三组地震波作用下的最大弹塑性层间位移角X向为1/139，Y向为1/147，均小于1/100的规范要求。

图6　大震下（主方向）层间位移角

（3）结构在三组地震波作用下基底最大剪力X向为50686.72kN，Y向为52358.71kN，约为小震基底剪力的5倍，基本能满足要求。

（4）从以上图可见，结构的层间位移角曲线呈现中间大两端小的平滑曲线，变化趋势同小震作用，表明结构在大震作用下不存在刚度突变和较大的刚度退化，承载力满足要求。

（5）框架柱除底部局部位置及顶部1/3部位出现开裂外，其他部位均处于弹性状态，满足大震抗弯不屈服的性能目标；底部加强区核心筒剪力墙局部抗弯屈服，非底部加强区核心筒剪力墙抗弯不屈服，基本满足大震不屈服的性能目标。对于底部加强区不满足性能目标的剪力墙，在构件设计时，提高该部位剪力墙的竖向分布钢筋配筋率至0.8～1.0％，同时加大该部位剪力墙暗柱配筋以满足大震抗弯不屈服的性能目标。

5　结语

本工程仅高度超限，设计中充分利用概念设计方法，对于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，除了保证结构在小震下及风荷载作用下处于弹性阶段外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。由计算结构表明，多项指标均表现良好，基本符合规范的相关要求。根据计算分析结构和概念设计方法，对关键和重要构件作相应加强，以保证结构在地震作用下有良好的延性。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ15-92-2013）[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

TU973.31

A

1673-0038（2015）27-0007-03

2015-6-15

阮啟明（1988-），男，本科，毕业于华南理工大学，主要从事建筑结构设计方面的工作。