广钢新城某超限高层住宅结构设计

骆志成，覃 浩

（1、广州地铁设计研究院股份有限公司 广州510010；2、广州市设计院 广州510620）

1 工程概况

本工程位于广州市荔湾区，鹤洞路以南，芳村大道以西，项目总建筑面积329 209 m2，拟建9 栋35～42层的高层建筑、1 层会所，整个地块为2 层地下室，局部3 层地下室。项目功能主要为住宅楼，并配置少量商业功能。本文介绍其中4～9 号住宅楼，如图1 所示。4～9 号楼户型一致，各号楼塔楼出±0.00 之后均设缝脱开，每栋塔楼均带1～2 层商业裙楼。塔楼主屋面标高为127.450 m，出屋面机房顶标高为130.200 m。首层层高为5.05 m，标准层为3.0 m，地面以上42 层。

图1 效果图Fig.1 The Renderings

结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度取7度，设计基本地震加速度为0.1 g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，阻尼比为0.05。

2 结构设计要点

2.1 结构体系与布置

塔楼结构体系采用钢筋混凝土剪力墙，剪力墙作为抗侧力构件。标准层结构平面布置图如图2 所示，楼梯和电梯周边布置剪力墙形成核心筒，筒内楼板厚度及配筋加强，以提高结构的抗侧刚度[1]。其余剪力墙满足建筑功能的同时，尽量均匀布置，建筑角部布置较长剪力墙以提高结构的抗扭刚度，减少结构的扭转效应[2]。首层以下剪力墙厚度主要为300 mm，逐步往上递减至200 mm，底层楼层墙柱混凝土强度等级采用C60，向上过渡直至C30。

图2 塔楼标准层结构平面图Fig.2 Structural Plan of Tower A Standard Floor

结构标准层长36.5 m、宽32.7 m，外围主要梁截面为：200 mm×1 000 mm、200 mm×550 mm、200 mm×400 mm，主要楼板厚度100～120 mm，核心筒处140 mm。

2.2 基础设计

4～9 号塔楼嵌固端设在底板，各栋均采用相同布置的筏板基础，筏板厚度为1 800 mm，满足墙柱冲切验算[3]，周边布置后浇带，5～9 号楼以地勘报告中第〈4-2〉层强风化岩为持力层，持力层承载力特征值为550 kPa，修正后为697 kPa，基础承载力不满足区域需开挖至持力层，开挖深度应视实际情况而定，并回填素混凝土C15 至基底标高。

4 号楼基础平面布置图如图3 所示，塔楼范围内底板处主要是粉质粘土，持力层承载力特征值为250 kPa，需要地基处理，因此采用素混凝土桩法进行地基处理[4]，处理后采用筏板基础，筏板厚度为1 800 mm，素混凝土桩混凝土强度等级为C30，桩径800 mm、间距3.2 m，素混凝土桩的竖向抗压承载力为4 300 kN，桩的有效长度16 m，处理后复合地基承载力特征值不低于600 kPa，桩顶设300 mm 厚级配砂石（最大粒径小于20 mm）的褥垫层，其夯填度（夯实后的厚度与虚铺厚度的比值）不应大于0.9。另外，4 号楼筏板配筋需按桩筏和筏板分别计算，取包络设计值。

图3 4 号楼基础平面布置图Fig.3 Foundation Layout Plan of Building Four

5～9 号楼筏板基础沉降采用规范简化计算公式计算，以5 号楼为例进行说明。通过计算分析可知，筏板基底无零应力区，整体沉降量不大于规范的200 mm，满足规范要求。

根据《岩土工程勘察报告》提供岩土力学参数建议值表，〈4-2〉层强风化岩对应的变形模量为E0=130 MPa；沉降计算如下：总荷载∑（F+G）=741 345.5 kN，筏板面积AREA=973.3 m2，折算矩形基础宽度b=SQRT（AREA）=31.2 m，基底上土自重压力Pc=149.2 kN/m2，基底附加压力P0=612.4 kN/m2。

根据《建筑地基基础设计规范：广东省标准DBJ 15-31-2003》[5]6.3.5 条2 款计算整体沉降：

S=α·P0·b/E0=0.5×0.61248×31200/130=73.4 mm，小于规范的200 mm 限值，符合规范要求。

2.3 超限情况

依据《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》（下称《细则》）、《建筑抗震设计规范：GB 50011-2010》[6（]下称《抗规》）、《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010》[7]（下称《高规》）以及《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ 15-92-2013》[8]（下称《广东省高规》）的有关规定，结构超限情况如下：①高度超限，塔楼主体结构高度为127.40 m，超出《细则》高度限值及《高规》A 级高度限值，为B 级高度建筑。②Ⅰ类扭转不规则，偶然偏心地震作用下，塔楼最大扭转位移比1.27，大于1.2。③凹凸不规则，平面凸出尺寸12.7 m，投影方向总尺寸为36.5 m，经计算为35%＞30%，为凹凸不规则。

2.4 结构关键部位性能目标

塔楼高度超A 级高度约6%，主要考虑结构的安全性和经济性，结构抗震性能目标设定为C 级。多遇地震、设防烈度地震及罕遇地震作用下结构抗震性能分别对应1、3、4 性能水准。

3 结构计算分析

本工程弹性计算采用SATWE（2012年版）和YJK1.6.2.2。利用YJK 软件选取规范和安评反应谱对结构进行了分析，结果表明，振型分解反应谱法计算结果基本可以包住时程法计算结果的平均值，个别楼层包不住的进行地震力放大，地震力放大系数为时程计算结果的平均值/振型分解反应谱法计算结果，地震力放大X、Y向分别为1.166、1.165，故按在振型分解反应谱法基础上各层放大后的计算结果做施工图设计。因此本工程采用规范的地震动参数进行多遇地震计算，中震和大震计算采用规范的地震动参数。

3.1 小震弹性反应谱计算分析

小震作用下结构的主要整体计算结果对比如表1所示，结论如下：

⑴第1 扭转周期与第1 平动周期的比值小于0.85，满足高规3.4.5 条要求；

⑵有效质量系数大于90%，振型数量满足规范要求；

⑶多遇地震或风荷载下，层间位移角满足《广东省高规》3.7.3 条要求；

⑷剪重比满足抗震规范的楼层；

⑸偶然偏心地震作用下，存在Ⅰ类扭转不规则；

⑹各层侧向刚度比最小为1.13，满足《广东省高规》要求；

⑺各层受剪承载力均不小于上一层的80%，满足高规3.5.3 条；

⑻刚重比大于1.4，小于2.7，满足规范的稳定性要求，但需考虑重力二阶效应影响；

⑼SATWE、YJK 两软件计算结果进行对比，表明计算模型合理、可靠，可以较为真实反映结构的受力状况。

3.2 中震弹性计算分析

采用YJK 软件对结构进行了中震下受力分析，小震弹性和中震弹性下，竖向构件水平筋对比，竖向构件水平筋主要是小震控制，为了满足性能目标，取包络设计。计算结果表明，所有竖向构件抗剪均满足计算要求，满足中震弹性的性能水准。

3.3 中震不屈服计算分析

采用YJK 软件对结构进行了中震下受力分析，小震弹性和中震不屈服下，竖向构件水平筋、剪力墙连梁、框架梁配筋对比，配筋既有小震控制，也有中震不屈服控制，为满足性能目标，施工图取包络设计。计算结果表明，所有竖向构件抗弯及耗能构件抗剪均满足计算要求，满足中震不屈服的性能水准。

3.4 大震不屈服抗剪截面验算

采用YJK 软件，按等效弹性法对结构进行了大震不屈服下抗剪截面验算。计算参数取值如下：地震影响系数为0.5，特征周期为0.4 s，阻尼比取0.07。取首层及2 层剪力墙验算，结果满足设定的构件性能指标。

4 罕遇地震下的静力弹塑性分析

本工程采用SATWE 进行罕遇地震作用下静力弹塑性推覆分析。构件配筋按SATWE 计算结果，其中底部加强区剪力墙竖向构件分布筋配筋率为0.30%。分析总结如下：

表2 列出5 号楼的主要计算结果，各方向静力弹塑性分析中各层位移角最大值均小于1/100，符合《高规》第3.7.5 条要求，可实现“大震不倒”的抗震设防目标。

表2 静力弹塑性分析主要结果Tab.2 Main Results of Static Elastoplastic Analysis

在罕遇地震作用下，如图4 所示，5 号楼性能点处，底部受拉侧的剪力墙因开裂较多，但未出现大面积完全失效的墙肢，未形成塑性铰。高区楼层剪力墙出现裂缝，小片剪力墙开裂较多，但未出现剪力铰。连梁和框架梁梁端出现塑性铰。故剪力墙抗剪能力较好，不会发生剪切破坏，满足本项目抗震性能水准4的要求。

图4 PUSHOVER 性能点处塑性铰图Tab.4 Plastic Hinge at Performance Point

5 抗震加强措施

⑴ 采用 YJK1.6.2.2 及 PKPM2010 系列的SATWE 等两个不同力学模型的三维空间分析软件对结构进行受力分析。

⑵针对结构超限类型，选择《高规》性能目标C进行性能设计。

⑶根据各水准性能分析结果，底部加强区剪力墙竖向分布钢筋的配筋率0.30%，同时各构件根据各性能水准，取包络设计。

⑷针对平面凹凸不规则，在凹凸位置利用电梯井、楼梯间布置相对完整的筒体，改善平面薄弱部位受力性能，同时采用YJK 软件对楼板在小、中、大震下楼板受力进行了分析，表明楼板处于良好的工作状态，可以保证结构的整体性[9，10]。

⑸针对平面扭转不规则，计算采用考虑扭转藕连、偶然偏心等空间计算模型进行多软件的受力对比分析，并对全楼角部剪力墙采用约束边缘构件。

6 结论

通过概念及性能化设计，进行了小震、中震及大震作用下计算分析，对相关构件做了适当加强，结果表明结构可满足规范的有关要求，能达到C 级抗震性能目标，结构可行且是安全的。