通州核心区Ⅱ-05 地块超高层结构设计

王志军，杜志强，刘性硕，刘天水，张敬花

（北京三磊建筑设计有限公司，北京100048）

1 工程概况

本工程位于北京市通州核心区，东北至温榆河西滨河路西边线，紧靠温榆河和源头岛，西邻温顺公路，南邻通燕路。项目共有2 幢塔楼，地上42 层，主要功能为公寓，主屋面高度145.60m，塔冠高度167.20m，15 层及30 层设置2 个避难层，层高4.0m，首层层高3.90m，2～29 层层高3.30m，31～42 层层高3.60m，局部楼层涉及户型转换，层高略有调整。地下5 层，主要功能为人防、汽车库及设备用房，层高3.4～3.6m 不等。建筑安全等级为二级，重要性系数1.0，设计使用年限50 年，抗震设防类别属于丙类，抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，Ⅲ类场地，场地特征周期0.55s，基本风压0.45kN/m2，地面粗糙度按C 类，基础设计等级为甲级，采用桩基础。

2 结构布置

本工程平面长×宽为47.10m×25.20m，核心筒长×宽为24.20m×10.75m，Y方向核心筒高宽比为13.54，典型楼层结构平面布置图如图1 所示，建筑效果图如图2 所示，结构立面图如图3 所示。

图1 典型楼层结构平面布置图

图2 建筑效果图

图3 结构立面图

本工程主屋面高度为145.60m，超出B 级（8 度，0.2g）钢筋混凝土高层建筑最大使用高度140m 的要求，为避免出现超限问题，固初步选定结构体系采用钢管混凝土-钢筋混凝土核心筒。且由于本工程核心筒Y方向高宽比为13.54，规范[2]建议值为12，超出规范约12.8%，且由于作为公寓，净高要求较高，楼面梁采用钢梁，在结构体系初选过程中，Y方向刚度存在一定问题，对以下3 种工况进行分别计算：钢管混凝土-钢筋混凝土核心筒（工况1）；钢管混凝土-钢筋混凝土核心筒，利用2 个避难层分别设置伸臂桁架及腰桁架（工况2）；在情况2 的条件下，在Y方向中轴处南北两侧分别设置1 道支撑（工况3），并对其Y方向层间位移角进行统计，如表1 所示。

表1 结构Y 方向层间位移角

由表1 可知，最终确定结构体系为钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构，外部框架柱采用矩形钢管混凝土柱，外框与核心筒之间采用钢梁。利用15 层及30 层2 个避难层，设置2 处结构加强层，分别设置腰桁架，并在核心筒端部沿Y方向设置2 道伸臂桁架，从负1 层至屋面Y方向中轴位置设置2 道支撑，第二加强层以下，支撑均为单斜杆，第二加强层以上，下侧支撑调整为“人字形”支撑，支撑局部大样如图4 所示。

本工程嵌固端位于地下1 层地面，框架抗震等级为一级，加强层及其上下层，框架抗震等级为特一级，剪力墙抗震等级为特一级。核心筒厚度由底部的750mm 厚，沿高度逐步内收至350mm（Y方向收至400mm），矩形钢管混凝土柱截面沿高度逐步减小，角部柱为1 200mm×1 200mm 减小至1 000mm×1 000mm，中部柱由1 200mm×1 000mm 减小至800mm×800mm，Y方向外框梁采用焊接箱型钢梁，X方向外框梁采用焊接H 型钢梁，梁截面高×宽均为400mm×800mm，外框至核心筒之间钢梁受限于室内净高要求，楼面钢框梁采用焊接H 型钢梁，梁截面高×宽以300mm×350mm 为主，核心筒外楼板采用钢筋桁架楼承板，钢次梁按组合梁考虑，楼板厚度为130mm，核心筒内部采用普通楼板，楼板厚度为120mm。混凝土强度等级底部外框柱及核心筒均采用C60 级，沿高度逐步减小至C40 级，首层地面（含）及以下梁板采用C35 级，其余各层楼板均采用C30 级，筏板的混凝土等级为C35（P10），底部加强区和加强层及其上下相邻层的钢管柱及外框梁、支撑及伸臂桁架的相关构件的钢材强度采用Q345GJ，其余钢构件的钢材强度均为Q345B。

图4 支撑局部大样

3 结构抗震计算与分析

经初步计算本工程不存在超限情况，但考虑高度临近钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构上限值150m，因此，本项目分别进行了如下地震作用计算：（1）多遇地震作用下的弹性计算分析(振型分解反应谱分析及小震弹性时程分析)；（2）设防地震作用下的计算分析（关键构件的验算及变形验算）；（3）罕遇地震作用下的弹塑性动力分析。

3.1 多遇地震作用下的弹性计算分析

本工程多遇地震作用下的振型分解反应谱分析分别采用YJK 与SATWE 2 种空间分析软件计算，计算对比如表2 所示。

按GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）（以下简称《抗规》）及JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）要求，本工程应采用时程分析法进行多遇地震下的补充验算，本工程多遇地震作用下的弹性时程分析采用YJK 软件，按照地震3 要素：频谱特性、有效峰值和持续时间的要求，本工程共选定2 条人工波和5 条天然波进行多遇地震作用下的弹性时程分析，时程分析所选用主方向水平地震加速度峰值为70cm/s2，次方向峰值按照主方向的0.85 倍，即60cm/s2，由于本工程主方向基本周期为3.1s，按规范[1]要求，地震波持续时间不得小于5 倍的基本周期，固地震波持续时间选择不小于20s，多遇地震作用下的振型分解反应谱法与时程分析法（取YJK 计算结果）下的基底剪力对比如表3 所示，规范谱与时程分析所采用的地震波反应谱如图5 所示。

表2 振型分解反应谱法计算结果对比

图5 规范谱与地震波谱对比图

经两软件多遇地震下的反应谱分析计算结果对比，计算结果能较好地吻合，各项主要指标如：总质量、剪重比、地震作用、动力特性及位移指标等，均可满足规范要求。通过对多遇地震作用下时程分析的计算结果分析可以得知，各地震波能在统计意义上相符合，单条地震波的基底剪力可满足规范偏差不大于35%的要求，多条地震波的平均基底剪力可满足规范偏差不大于20%的要求，时程分析可对小震下的振型分解反应谱法进行一个较好的补充。

通过以上计算说明，本工程结构体系可行，楼层刚度变化合理，可满足规范对“小震不坏”的设防目标。由规范知，本工程所选的7 组地震波时程法平均值将作为振型分解反应谱法的补充，对相应楼层的地震作用进行放大。

3.2 设防地震作用下的计算分析

由表1 的计算结果可知，本工程结构体系中轴斜撑、加强层伸臂桁架及腰桁架对本工程的刚度贡献有较大提高作用，在本工程遭遇设防地震作用时，若上述构件出现破坏，则会对整个结构的刚度产生较大的影响，因此，本工程在设防地震作用下将重点对上述构件进行验算。为保证“中震可修”的抗震设防目标，将对设防地震作用下的层间变形进行验算，本工程设防地震作用下的计算采用YJK 软件，水平地震影响系数最大值取0.45。

为保证整体结构在遭遇设防地震作用下的安全性，提出中轴斜撑、加强层伸臂桁架及腰桁架等重要构件中震不屈服的抗震性能目标，要求上述构件的抗剪承载力满足《高规》（3.11.3-1）的要求，其正截面承载力满足《高规》（3.11.3-2）的要求，通过YJK 中震不屈服计算，上述构件在中震作用下应力比均控制在较好的水平，可实现其中震不屈服的抗震性能目标。

根据规范要求，若要保证本工程在遭遇设防地震作用下宏观损坏程度为轻～中度破坏，后续经修复或加固后可继续使用，则需保证其设防地震作用下的层间变形小于3 倍的弹性位移限值，即设防地震下的层间位移限制为3×1/800=1/266.7，经计算，本工程设防地震作用下的层间位移角如表4 所示，由表4 可知，本工程可满足规范对“中震可修”的抗震设防目标。

表3 振型分解反应谱法与时程分析法计算结果对比

表4 设防地震作用下层间位移角

3.3 罕遇地震作用下的弹塑性动力分析

本工程罕遇地震作用下的弹塑性动力分析采用YJK 软件，罕遇地震分析时水平地震影响系数最大值取0.90，场地特征周期取0.65s，主方向水平地震加速度峰值为400cm/s2，次方向峰值按照主方向的0.85 倍即340cm/s2，经计算对比，本工程选择Chi-Chi-Taiwan-03_NO_2457，Imperial Valley-06_NO_178，ArtWave-RH1TG065（人工波）共3 组波分别按主次方向共6 种工况作为罕遇地震作用下弹塑性分析的地震波，3 组地震波作用下结构的最大层间位移角如表5 所示，罕遇地震作用下首层剪力如表6 所示，2 主方向层间位移角曲线如图6（X主方向）和图7（Y主方向）所示。

由以上分析可知，罕遇地震作用下的首层剪力约为小震弹性首层剪力的2.70～3.16 倍，处于合理范围，本工程最大层间位移角1/129，可满足规范限制不大于1/100 的要求，层间变形曲线整体较为平滑，在加强层位置，层间位移角具有明显收进，说明伸臂桁架对减小层间位移具有较好的效果，整个结构未出现明显的位移突变和集中层间变形，结构地震剪力沿竖向均匀分布，亦未出现突变现象，经过对塑性铰分布情况的查看，大震作用下塑性铰主要出现在剪力墙的连梁两端及部分外框柱之间的框梁上，在性能点之前，底层柱端及墙端未出现塑性铰，表明该结构具有较好的耗能能力，且可满足规范对“大震不倒”的抗震设计目标。

表5 罕遇地震作用下层间位移角

表6 罕遇地震作用下弹塑性楼层剪力kN

图6 X 主方向层间位移角曲线图

图7 Y 主方向层间位移角曲线图

4 结论

经多遇地震作用下的2 种不同力学模型计算对比，并结合小震弹性时程分析补充，本工程结构体系合理，整体动力特性规则，整体指标满足相关规范要求，经罕遇地震下的结构弹塑性动力分析，结构损伤主要集中于连梁上，达到了较好的耗能目标，外围框架可起到框筒第二道防线的作用。经以上计算验证，本工程结构体系具备良好的抗震性能，可满足规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求，整体结构设计安全可靠。