佛山兆阳大厦超限结构设计

杨 涛 许 谦 商群涛

(奥意建筑工程设计有限公司，广东 深圳 518031)

1 工程概况

本项目由两栋塔楼、商业裙房及地下室组成。两栋塔楼在18层～20层通过接近8 m的大悬挑进行“连接”。总高度均为160 m。建筑效果如图1所示。

2 结构体系和主要构件

2.1 结构体系

1号楼采用框架—核心筒结构体系，高宽比为3.8，建筑总高160 mm，为B级高度超限高层。2号楼采用框架—剪力墙结构体系，高宽比为4.4，建筑总高160 m，为超B级高度超限高层。

2.2 嵌固端选取

地下室顶板无开洞，刚度完整。地下1层与1层刚度比见表1，根据《高规》第5.3.7条，因刚度比大于2.0，顶板可作为上部建筑的嵌固端。

表1 嵌固端选取

2.3 结构布置

剪力墙由下部700 mm收为上部400 mm。两栋塔楼在17层以下部分核心筒角部及墙端设置钢骨，用以补充边缘构件抗剪及抗弯承载力。

柱截面由下部最大1 700×1 500收为上部900×900。根据计算轴压比及减少墙柱压缩及徐变影响的要求，两栋塔楼框架柱在底部约1/2～1/3建筑高度部分采用型钢混凝土柱。

主梁以900 mm高为主。2层、3层和第18层避难层板厚为120 mm，标准层核心筒外板厚100 mm，核心筒内板厚120 mm。结构布置如图2,图3所示。

3 超限类型及抗震性能目标

3.1 超限类型

根据《超限高层建筑工程抗震设防审查技术要点》，1号楼为B级高度超限高层，且存在局部不规则(穿层柱)，扭转不规则共2条不规则项；2号楼为超B级高度超限高层，且存在局部不规则(穿层柱)，扭转不规则，凹凸不规则共3条不规则项。

3.2 抗震性能目标

根据业主要求及本项目特点，选定本工程抗震性能目标为C级，各部位抗震性能目标如表2所示。

表2 性能目标

4 结构计算分析

4.1 计算参数

本工程建筑重要性系数取1.0；周期折减系数取0.8；连梁刚度折减系数小震取0.7，中震取0.5；结构阻尼比取0.05。

多遇地震计算分别考虑0°,90°两个主轴方向。其中2号楼水平力最不利方向角为18°，将考虑其在18°方向地震作用下的结构性能。

4.2 多遇地震下结构受力分析

采用YJK与Midas Building软件进行小震弹性对比分析。由表 3可见，两软件计算结果相近，计算模型可靠。对主要构件进行验算，结果表明：在风及地震作用下，结构最大层间位移角满足规范要求，各竖向构件轴压比均满足规范限值要求，底部墙肢未出现拉应力，各构件抗剪截面均满足要求。结构在小震作用下能够满足性能目标要求。

表3 小震结构整体指标对比

对18层悬挑楼盖区域进行楼盖竖向振动舒适度验算：1号楼悬挑楼盖竖向自振频率为4.19 Hz，最大振动加速度为0.08 m/s2，2号楼悬挑楼盖竖向自振频率为3.80 Hz，最大振动加速度为0.056 m/s2，均满足规范限值要求。

4.3 偶遇地震下结构受力分析

在中震作用下，对框架柱、剪力墙进行抗弯、抗剪承载力验算。结果表明：在底部框架柱及核心筒角部和剪力墙端部设置型钢的情况下，竖向构件抗弯承载力均满足抗弯不屈服性能要求，框架柱均能满足抗剪弹性性能要求，剪力墙大部分在构造分布筋配置下能满足抗剪弹性性能要求，个别剪力墙需提高水平筋配筋率。大部分连梁在构造配箍下，能满足中震抗剪不屈服的性能要求；对于受剪较大的连梁，通过加大箍筋或配置交叉暗撑后，能够满足抗剪不屈服性能要求。

对剪力墙墙肢进行偏拉验算，在中震作用下，仅考虑恒活及地震作用下，1号楼局部墙肢出现最大为0.62 MPa拉应力，2号楼局部墙肢出现0.90 MPa拉应力，均未超过混凝土抗拉强度标准值。

对楼板在中震作用下进行应力分析，计算结果表明：两栋塔楼在中震作用下，均在核心筒周边出现较大拉应力，但小于混凝土抗拉强度标准值，实际配筋时将根据应力进行配筋，并采取双层双向拉通的配筋方式，保证中震下楼板的传力性能。

对18层～20层大悬挑进行中震作用下验算。结算表明：在中震作用下(增加竖向地震作用组合)，悬挑梁、悬挑梁根部框架柱及其节点核心区的抗弯、抗剪承载力均能满足要求并有一定富余。通过计算，1号楼偶遇地震下最大X向位移为118 mm，2号楼最大X向位移为157 mm，考虑最不利情况相对运动时，两栋塔楼最大位移为275 mm，实际将预留350 mm抗震缝，以考虑两栋塔楼相对位移对悬挑结构的影响。为提高悬挑梁面内及面外刚度，考虑在悬挑主梁内增加型钢，型钢往内伸进一跨，通过埋件与第一内框柱相连。在悬挑梁根部柱内设置型钢，保证型钢与柱刚接。

4.4 罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析

本工程采用Midas building软件对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性时程分析。选取两条天然波及一条人工波作为输入条件。根据规范要求，地震波加速度峰值均调整为220 gal。

结构最大基底剪力和最大位移如表4和表5所示，1号楼最大基底剪力为小震CQC的4.3倍，2号楼最大基底剪力为小震CQC的4.7倍，1号最大层间位移角为1/183，2号最大层间位移角为1/251，均满足《广高规》1/125的要求。达到了”大震不倒”的抗震设防要求。

表4 结构最大基底剪力

表5 结构最大位移

通过大震弹塑性分析下结构的状态可知：对1号楼，最终有约20%的框架梁及连梁达到屈服，框架柱仅在顶部出现10%的开裂，仅有不到3%的剪力墙产生了剪切破坏。对2号楼，最终有约25%的框架梁及连梁达到屈服状态，框架柱仅在顶部出现15%的开裂，仅有不到0.3%的剪力墙产生了剪切破坏，其余部分应变均在第一阶段。

两栋塔楼在大震作用下，框架梁及连梁出现较多塑性铰，其余部分构件均保持弹性状态，说明耗能构件起到了很好的耗能作用；剪力墙在底部楼层和加强层出现部分剪切损伤，但未发生整片墙或大面积的严重破坏，不至于引起局部倒塌和危及结构整体安全，其余部分剪力墙混凝土受压和钢筋拉压均属于弹性阶段，未出现剪力墙全截面剪切型损伤，剪力墙满足抗剪弹性的设防要求。整个结构二道设防体系得到了很好的保证。

5 高区大悬挑考虑施工设计优化

本项目两栋塔楼在高区(18层～21层)各自存在接近8 m跨度的悬挑结构。由于楼层较高，且悬挑较大，给施工带来一定难度。

初步考虑从16层～17层主体结构搭临时施工桁架，18层悬挑结构模板支承在临时施工桁架上进行施工，此方案施工周期长，难度大，总体造价较高。为此，设计时对悬挑结构进行了改进：以型钢作为结构自重和施工荷载的支承，来达到取消设置大面积支承桁架的目的。施工时，在17层搭设临时三脚架，用于安装18层型钢，待型钢安装完毕，安装梁模板，梁两边设置150宽牛腿，用于支撑钢筋桁架楼承板，然后浇筑梁混凝土，浇筑时梁上部板厚范围内混凝土待铺完钢筋桁架楼承板后，与楼板统一浇筑，完成18层悬挑结构施工，后面几层悬挑结构即可以18层楼面作为支承继续施工。

此方案以悬挑梁型钢作为楼承板及其所浇筑混凝土支承，设计时将验算型钢在楼板自重及施工活荷载作用下强度及刚度，以保证混凝土在没有形成强度之前，型钢能承担相应荷载。同时预留的混凝土牛腿可作为钢筋桁架楼承板的支承，而钢筋桁架楼承板有足够的强度和刚度作为浇筑混凝土时的临时支承。整个施工过程，只需要在17层搭设临时操作面，支承浇筑型钢混凝土梁的荷载即可，大大降低了施工难度，节省了施工时间，见图4。

6 设计主要加强措施

针对本工程特点，结合抗震性能目标和分析结果，在设计中将采取以下加强措施：

1)根据中震分析结果适当提高底部墙体水平及竖向分布钢筋配筋率；

2)对两栋塔楼底部的跃层柱，采取设置钢骨、全长复合箍加密的方式予以加强；

3)低区楼层部分剪力很大的连梁加大箍筋或配置交叉暗撑；

4)2层、3层存在大开洞，对楼板进行加厚，并双层双向配置拉通钢筋，对标准层，对剪力墙周边拉应力较大区域，根据计算应力，配置双层双向拉通钢筋，以保证水平力的传递；

5)对高区大悬挑区域的主悬挑梁设置型钢，提高悬挑梁刚度及安全储备，同时增强悬挑梁面外刚度，减小水平侧移。