某超限高层结构设计与分析研究

某项目总建筑面积约为9.76万m2，由一个32层塔楼及一个3层裙房组成，其中塔楼结构总高度146.0m，裙房结构总高度22.7m，是集餐饮、办公、酒店等功能为一体的商业综合体。本文主要对塔楼的设计要点进行分析，塔楼与裙房地上部分设缝脱开，为超A 级但未超B 级的超限高层，平面尺寸长宽均约44.2m，1-3层为大堂及餐饮层，3层夹层-20层为办公层，标准层高为4.3m，22-32层为酒店层，标准层高为3.8m，其中，10层、21层均为避难层，层高4.2m。建筑效果图及剖面图见图1～图2。此外，该建筑包含楼板不连续、刚度突变、局部跃层柱等三项不规则项，并具有泳池高位转换、型钢柱墙等结构特点。本文通过对此项目结构特点的分析计算，结合性能化设计目标，阐明结构解决方案及加强措施，为其他类似项目提供借鉴。

1.设计准则

项目设计使用年限为50年，安全等级为2级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g,设计地震分组为第三组，场地类别为II 类，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，地上剪力墙及框架抗震等级为二级，地下一层相关范围内结构构件抗震等级为一级，地下二层框架及剪力墙抗震等级为二级。

该项目地下室为全埋地下室，嵌固端取为地下室顶板，地下一层与一层侧移刚度的比值（剪切刚度）X 向为1.75、Y 向为1.70，采取强化地下室墙外填土质量，确保地下室周围填土对地下室外墙的约束，可满足嵌固端的刚度比要求。剪力墙底部加强部位高度取地下室顶板至墙体总高度的1/10处，故塔楼底部加强区为地下室顶板-3层夹层楼面，建筑标高为±0.000m～18.5m。

2.结构体系

图1 建筑效果图

图2 剖面图

图3 标准层布置图

该项目采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，剪力墙墙厚600mm～400mm，墙柱混凝土强度等级C60～C40，该工程上部结构采用现浇钢筋混凝土楼盖，采用主次梁结构形式，楼板典型厚度为150mm、120mm，核心筒内楼板采用现浇混凝土板，厚度不小于150mm，梁板混凝土强度等级均为C30。结构标准层布置如图3所示。

3.结构设计特点及加强措施分析

3.1 结构超限分析

（1）结构超限判定

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2015]67号）及相关国家规范进行结构超限判定，该工程塔楼结构高度为146.0m，属于B 级高度高层建筑，含楼板不连续、刚度突变、局部跃层柱等三项不规则的超限工程。

（2）抗震性能目标

该工程属于B 级高度的建筑，不存在严重不规则情况，按《高层建筑混凝土结构技术规程》要求，该项目整体抗震性能目标基本参照D 级要求确定，其中，关键构件性能指标参照C 级要求，具体详见表1。

结构构件抗震性能设计主要参照《建筑抗震设计规范》提供的设计方法，且同时满足《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求。其中，关键构件包括：底部加强部位及薄弱层（23层）的剪力墙、框架柱、跃层柱；普通竖向构件包括一般部位的剪力墙、框架柱；耗能构件包括框架梁、剪力墙连梁等构件。

（3）超限计算分析

该项目多遇地震计算分析时采用了YJK 软件和Midas Building 软件。对两个软件独立计算的结果进行对比分析，两个模型的计算结果吻合较好，验证了采用YJK 计算的正确性。

中震分析的结构整体计算结果均满足性能目标的要求，位移角限值也满足《建筑抗震设计规范》中性能4关于位移角限值的要求。各层框架柱、剪力墙、跃层柱、耗能构件等具有足够的抗剪承载力储备，框架柱和剪力墙均能满足中震下性能目标的要求。

主体结构在罕遇地震作用过程中，大量连梁进入塑性状态，小部分框架梁出现塑性铰；柱子均未出现塑性铰；核心筒整体破坏程度轻微，剪力墙均未进入塑性状态，主楼结构在给定的地震波的罕遇地震作用下整体受力性能良好，能够满足罕遇地震下的抗震性能目标。

3.2 大开洞楼板应力分析

塔楼楼面有大面积开洞，为验证大开洞楼层楼板在地震作用下的有效传力，对其楼板进行了有限元分析，典型开洞楼面应力分析结果如图4～6所示（以X 向拉应力为例）。

在小震、中震及大震作用下各层主要楼板的拉应力均处于可控制范围，各层楼板刚度适中，足够传递水平力，不会出现水平力作用下楼板开裂而引起楼板刚度的大幅削弱。大洞口周边楼板在大震下可以满足不屈服的性能指标。在楼板开洞角部和核心筒周边及核心筒内部的电梯厅，出现应力集中的现象，应采用楼板加厚及双层双向配筋等措施适当加强。

3.3 跃层柱屈曲性能分析

该工程在1层、6层、22层存在部分跃层柱。为保证跃层柱的结构安全，利用YJK1.9.3.1软件对跃层柱进行屈曲分析，根据屈曲承载力结合欧拉公式反算相应柱的计算长度，并在设计程序复核验算柱设计承载力。

屈曲分析模型采用整体有限元模型，对跃层柱顶端施加10000kN 节点荷载，采用几何非线性整体分析跃层柱的稳定承载力Pcr，以此稳定承载力作为依据，根据欧拉公式反算构件的计算长度见表2。

表1 结构构件实现抗震性能要求的承载力参考指标

图4 X 向小震最大拉应力云图

图5 X 向中震最大拉应力云图

图6 X 向大震最大拉应力云图

表2 跃层柱稳定承载力结果及计算长度表

分析结论：底部越层柱的极限失稳承载力远大于柱子承受的轴压力，计算长度系数均小于1。

3.4 抗震构造加强措施

（1）控制中震不屈服工况下，墙肢拉应力水平，适当提高加强区核心筒及层高变化较大处墙体的配筋率；

（2）加强顶部2～3层及屋面机房的竖向构件的延性，适当提高配筋量；

（3）控制核心筒截面的剪应力水平和轴压比，轴压比小于0.5；

（4）加强底部、加强部位核心筒外筒剪力墙及约束构件的配筋率，适当增大底部外筒连梁配筋；

（5）适当加强连接内筒和外框的框架梁配筋；

（6）核心筒内板厚不小于为150mm，双层双向配筋；

（7）对于楼板有大开洞的情况，相应楼层楼板厚度不小于150mm，双层双向配筋，根据开洞情况适当提高最小配筋率要求，并参照楼板应力分析结果，适当加大洞口周边楼板的配筋；

（8）结合动力弹塑性时程分析的结果，设计时应根据反应谱计算分析结果，对薄弱部位适当提高核心筒外侧墙体及周边框架柱的配筋率；

（9）跃层柱模型计算时复核计算长度系数，适当加大跃层柱配筋率，增设芯柱，设计时提高跃层柱抗震性能目标至中震受剪、受弯弹性；

（10）对1～3-F 层扶梯柱适当加大配筋率，增设芯柱，设计时提高扶梯柱抗震性能目标至中震受剪、受弯弹性。

4.结论

通过分析某超限高层的设计方法及分析结果，得到以下结论：一是明确了结构体系及设计准则，完成了结构超限判定，确定了结构性能化目标；二是介绍了该项目在小震、中震及罕遇地震作用下的计算结论，并按照结构特点完成了楼板大开洞及跃层柱的计算分析；三是总结了上部结构计算要点，并提出相应措施，为类似项目提供借鉴与参考。