某国际中心超限高层结构设计

钱钧珑

(厦门市建设工程施工图审查所 福建厦门 361004)

1 工程概述

某国际中心位于厦门市思明区观音山商务营运中心地块，混凝土框架-核心筒结构。因东侧门厅一～四层挑空造成结构平面、竖向有多项不规则，属超限高层结构。

该工程地上23层，建筑功能为高层办公楼，底层高6.0m，二层以上各层高均为4m，主屋面高度94m。地下室3层，层高由下而上分别为3.80m、3.50m、3.9m,其功能为地下车库；其中，地下三层为平战结合的核六级、常六级甲类防空地下室(平时为车库)。

抗震设防类别丙类，抗震设防烈度7度，设计地震分组第二组，设计基本地震加速度值0.15 g，场地特征周期0.40 s，建筑场地类别Ⅱ类。

设计采用SATWE、PMSAP程序进行小震反应谱弹性计算对比分析，并采取相应的抗震构造加强措施，使结构具有较好的抗震性能，以满足现行规范各项抗震设防设计要求。主楼平面形状近似为矩形，核心筒位于楼层平面中部，一～四层穿层柱采用型钢混凝土框架柱。主楼采用旋挖桩复合桩基，其余采用筏板基础。

该项目2011年5月通过抗震设防专项审查，之后进行施工图设计；2012年3月开工，2016年竣工。大楼建成实景如图1所示，主要建筑平面如图2～图4所示。

图1 大楼建成实景

图2 一层平面图

图3 二～四层平面图

图4 标准层平面图

2 基础设计

2.1 工程地质概况

项目地处厦门本岛东部，场地原始地貌属剥蚀残丘地貌，现状较为平整，地形整体起伏变化不大。场地基岩由花岗岩构成，无人为采空区、地面沉降和岩溶等不良地质作用。拟建场地土层自上而下依次为：①人工填土、②粉质粘土、③残积砂质粘性土、④-1全风化花岗岩、④-2砂砾状强风化花岗岩、④-3碎块状强风化花岗岩、④-4中风化花岗岩，各土层的物理力学综合指标如表1所示。

表1 天然地基岩、土工程特性指标值一览表

注：表内带“*”者为变形模量。

该工程±0.000相当于黄海高程16.00m。地下水位埋深为2.80m～6.30m，抗浮设计水位按设计地面标高以下1 m考虑。场地仅在表层分布有松散软弱的人工填土①层，且层厚较薄；场地内无可液化、可震陷的地层，建筑抗震属可进行建设的一般地段。

2.2 基础设计

地下室底板位于第③层残积砂质粘性土层，经深度和宽度修正后的地基承载力特征值为300kPa。

主楼范围内，上部荷载标准值扣除地下水浮力后约为450kN/m2。地基承载力不满足上部荷载要求，故主楼范围基础采用旋挖桩复合桩基，桩径800mm～1200mm。桩端持力层为④-1全风化花岗岩、④-2强风化花岗岩，桩端进入持力层5m，桩长约20m，单桩竖向抗压承载力特征值为5000kN。

地下室范围，地基承载力可满足上部荷载要求，采用600mm厚平板式筏形基础。

底板标高处的地下水浮力为130kN/m2。抗浮采用直径800mm的旋挖灌注桩，桩长约20m，单桩竖向抗拔承载力特征值为1600kN。

为消除主楼和地下室之间沉降差，在主楼和地下室之间设置沉降后浇带，后浇带在主楼结构封顶且沉降稳定后封闭。

3 结构体系

该工程无裙房，主楼采用框架-核心筒结构体系，主楼平面尺寸为43.5m×25.2m，高宽比为3.73。核心筒尺寸为21.1m×9.4m，外围框架柱距为7.7m～8.7m。主要结构平面如图5～图7所示。

地下室楼盖采用钢筋混凝土梁板结构，顶板和地下一层楼板板厚均为180mm；地下二层楼板除人防区采用250mm厚外，其余均为120mm。

图5 二～四层结构平面布置图

图6 五层结构平面布置图

由于地下一层东侧局部外露，上部结构的嵌固部位设于地下二层顶板处，地下二层侧向刚度大于上部结构底层的2倍。

上部结构核心筒抗震等级为二级，框架抗震等级为二级；地下二层以上地下室剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为二级；地下二层以下地下室剪力墙抗震等级为三级，框架抗震等级为三级。

图7 标准层结构平面布置图

底层核心筒外墙墙厚500mm，二层以上逐步减少至250mm，内墙为250mm、200mm。门厅一～四层挑空，8根穿层柱采用型钢混凝土柱框架柱，柱截面为1200mm×1200mm。其余框柱采用钢筋混凝土柱，底层柱截面为1200mm×1200mm，二层以上逐步减少至700mm×700mm。

楼盖结构采用钢筋砼梁板体系。框架梁截面为400mm×900mm、550mm×700mm；二～四层楼板厚度均为150mm，标准层和屋面板厚度为120mm。

该工程建筑高度不高，除核心筒长向偏置外，结构平面布置较为对称、规则；但东侧门厅一～四层挑空，二～四层无楼板，也无框架梁与框柱连接，形成8根18m高穿层柱(结构柱高19.1m)，门厅穿层柱实景如图8所示。门厅挑空造成结构平面、竖向有多项不规则，属超限高层结构。

图8 门厅穿层框柱实景

4 超限结构设计

4.1 超限情况认定

依据现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010[1]、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010[2]、超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建质[2010]109号[3]等规定，该工程属超限高层结构。主要存在以下4种超限情况。

4.1.1扭转不规则

在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力弹性水平位移(层间位移)的最大值大于该楼层平均值的1.2倍。

4.1.2楼板不连续

二～四层东侧楼板挑空，开洞面积均大于相应楼层楼面面积的30%。

4.1.3偏心布置

二～四层东侧楼板挑空，相邻层上下质心偏差较大，大于相应边长的15%。

4.1.4其他不规则

二～四层东侧楼板挑空，挑空处无楼板，也无框架梁与框柱连接，形成穿层柱。

4.2 针对超限情况的抗震措施

主楼抗侧力体系由钢筋混凝土核心筒、框架组成，门厅挑空造成结构平面、竖向有多项不规则。针对该工程超限情况，结构设计采取以下抗震措施：

4.2.1穿层柱采用型钢混凝土框架柱

为增加二～四层楼板开大洞处穿层框架柱的刚度、延性，穿层柱采用型钢混凝土框架柱，并结合建筑装修要求尽量加大柱断面，以减少扭转效应的影响，改善结构的抗震性能。穿层柱按中震弹性进行强度设计并采取针对性的抗震措施，即抗震等级按一级控制，且轴压比控制不大于0.7。除进行强度计算外，穿层柱还进行稳定性验算。

劲性钢筋混凝土结构具有钢结构和混凝土结构的双重优点，与钢结构相比，可节省造价，增加构件、建筑物的刚度；与砼结构相比，可减少截面和重量，增大构件延性，增大构件强度，提高建筑物的抗震性能。型钢混凝土框架柱充分发挥了钢(受拉)和混凝土(受压)两种不同材料的特点，通过二者的协同作用，提高钢筋混凝土结构的承载能力。穿层柱采用型钢混凝土框架柱，内设双向“工”字形钢，截面采用WH-600×200×20×25。按照《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ 138-2001规定，含钢量大致控制在4%左右；其次，柱箍筋在满足配箍率的情况下优先考虑较小直径的箍筋，并全长加密。

框架梁和型钢混凝土框架柱之间的连接，一般需将梁钢筋穿过型钢，以实现梁柱刚结。该工程在满足框架柱刚度、延性的要求下设置翼缘较小的型钢，大部分梁钢筋可从型钢两侧通过，仅少量的钢筋需穿过型钢，施工较为方便。

4.2.2增加核心筒及重要构件的延性

(1)为减少二～四层楼板开大洞对建筑物抗震性能的影响，底部加强区高度提高到五层，剪力墙抗震等级按一级控制。底部加强区剪力墙及非穿层柱按中震抗剪弹性、抗弯不屈服复核。控制底部加强区框架柱和剪力墙的轴压比，使其比规范要求从严0.05。筒体角部约束边缘构件全高设置，并适当提高楼板局部缺失楼层核心筒剪力墙的配筋率。

(2)核心筒墙体中洞口的分布对墙体的抗震能力有极大的影响，设计中力求墙体中的洞口对称和规则；其次，在连梁中适当布置斜向钢筋，以提高连梁的抗剪能力，提高墙体的抗震性能。

(3)针对筒体两侧楼板开洞问题，除筒体两侧剪力墙进行稳定性验算外，还将楼梯梯板嵌入相邻剪力墙内，以减少剪力墙无支约束长度。

(4)在筒体外墙与框架梁交接处加设暗柱，对于墙厚较小者则加设扶壁柱，以加强核心筒与外围框架的连接，使二者协同工作，增强墙体的稳定性。

4.2.3减少扭转效应

考虑到核心筒长向偏置，为增加核心筒体的延性，加大筒体刚度，除采用较厚的核心筒外墙外，还通过调整墙体厚度，使结构的刚度中心和荷载中心、结构平面中心尽量重合。

此外，调整抗侧力构件布置使之均匀对称，减少质心与刚心之间的偏心，以减少结构的扭转效应。

4.2.4控制刚度比

通过加大地下室结构刚度，使楼层侧向刚度大于相邻上部结构楼层侧向刚度的2倍，并通过相应构造措施，确保地下室二层顶板满足上部结构嵌固要求。

由于首层结构层高为7.1 m，第二层高为4m，相邻层侧向刚度差异较大,在满足建筑功能的前提下，加大首层核心筒外墙的的截面尺寸，控制底层和二层的侧向刚度比满足规范要求。

4.2.5加强薄弱部位的楼板刚度

(1)针对二～四层楼板局部开大洞，除楼板板厚加厚至150 mm外，结构计算考虑楼板弹性变形，主体计算采用弹性板模式。

(2)加大二～四层梁、板配筋，控制二～四层楼板配筋率不小于0.3%，并严格控制梁、楼板裂缝。

(3)二～四层楼板在门厅处挑空，五层为楼板完整的第一层，故参照二～四层采取梁板加强措施。

5 结构分析的主要结果汇总及比较

5.1 主要计算参数及计算假定

该工程结构整体计算采用SATWE程序，并采用PMSAP程序做进一步的比较分析。

结构抗震计算采用振型分解反应谱法计算，计算考虑双向水平地震作用下的扭转影响。结构阻尼比在多遇地震作用下的弹性分析时取0.05，水平地震影响系数最大值为0.12，罕遇地震影响系数最大值为0.72。地震作用分别考虑双向地震作用和质量偶然偏心的不利影响，取二者最不利者作为结构设计的依据。对于部分楼层楼板开洞的情况，采取弹性楼板的假定，以考虑楼板刚度变化对水平力分配的影响。

采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法计算结构响应时，各振型贡献按CQC组合，选用较多的振型以充分考虑高阶振型的影响，建筑物质量参与系数超过90%。主体结构除采用振型分解反应谱法计算分析外，还采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。底部剪力、楼层剪力和层间位移取两种方法计算结果的大值进行相关构件设计。

5.2 SATWE与PMSAP程序计算结果比较

5.2.1结构动力特性

动力反应谱分析运用《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001的反应谱进行，并考虑多方向的水平地震作用效应。

前6阶模态的振动周期计算结果列于表2～表3。第一阶和第二阶模态分别为X、Y向平动，扭转模态为第三阶，扭转周期与平动周期的比值小于0.9。

表2 SATWE结构动力特性(空间振型)

表3 PMSAP结构动力特性(空间振型)

5.2.2结构位移响应

反应谱法及风荷载作用下的结构最大响应位移计算结果列于表4～表7。层间位移角及位移比均满足规范要求，地震作用下的剪重比在正常范围内，且满足最小地震作用的要求。

表4 地震作用下结构表现(SATWE)

表5 地震作用下结构表现(PMSAP)

表6 风荷载作用下结构表现(SATWE)

表7 风荷载作用下结构表现(PMSAP)

5.2.3计算结果分析

对SATWE和PMSAP两个不同力学模型软件的分析结果进行比对，可知结构的自振周期、层间位移、层间剪力、剪重比等指标相差不大，说明SATWE程序计算结果可靠，可用于施工图设计。

5.3 结构柱墙内力分析

5.3.1地震倾覆弯矩

一～六层框架柱、墙承担的地震倾覆弯矩占比如表8所示。由计算结果可知，框架柱承担的地震倾覆弯矩适当。

表8 一～六层框架柱地震倾覆弯矩百分比

5.3.2地震剪力

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第6.2.13条第1款规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框架-抗震墙结构和框架-核心筒，任一层框架部分的地震剪力，不应小于结构底部总地震剪力的20%和按框架-抗震墙结构、框架-核心筒分析的框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小值。表9为一～六层框架柱、墙承担的地震倾覆弯矩占比，表10为一～六层0.2Q0调整系数。

表9 一～六层框架柱地震剪力百分比

该工程主体计算时，各层框架部分的地震剪力均按上述规定进行调整。由表10可知，底部总地震剪力的20%小于框架部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍。因此，任一层框架部分的地震剪力按不小于底部总地震剪力的20%调整控制。

《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第6.7.1条第2款的规定，按框架-核心筒计算分析的框架部分各层地震剪力的最大值不宜小于结构底部地震总剪力的10%。任一层框架部分承担的地震剪力不应小于结构底部地震总剪力的15%。

表10 一～六层0.2Q0调整系数

由表9可知，二～六层框架地震剪力不满足上述规定，但框架部分的地震剪力按《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第6.2.13条第1款规定进行调整后，可满足GB 50011-2010第6.7.1条第2款的规定。

其次，核心筒墙体承担的地震剪力按标准值增大1.1倍考虑，框架部分承担的弯矩、剪力也相应调整，可满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010第9.1.11条的规定。

6 结论

某国际中心除核心筒长向偏置外，结构平面布置较为对称、规则；但东侧门厅一～四层挑空，二～四层无楼板，也无框架梁与框架柱连接，形成8根18 m高穿层柱。门厅挑空造成结构平面、竖向有多项不规则，主要抗震薄弱部位集中在底部四层，属超限高层结构。

主体结构采用SATWE、PMSAP程序进行小震反应谱弹性计算对比分析，并采取相应的抗震构造加强措施，基本保证了结构具有较好的抗震性能，结构设计满足现行规范各项抗震设防设计要求。该项目针对超限结构采取的抗震分析方法、计算手段及构造加强措施，可供类似超限高层结构设计参考。

参考文献

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

[2] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[3] 建质[2010]109号 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].北京:住房和城乡建设部, 2010.