兰州和平明珠项目高层建筑结构设计

孙俊涛 ［1.上海市建筑科学研究院（集团）有限公司,上海 200032；2.上海建科建筑设计院有限公司，上海 200032］

1 工程概况

本项目位于兰州市榆中县和平镇，紧邻兰州中心城区城关区。基地南侧紧邻牡丹路，北侧临近和电四支渠，西侧为张掖银海商贸有限公司银海商贸楼。

项目总建筑面积为 59 579.29 m2，其中地上建筑面积为 38 313.25 m2，地下建筑面积为 21 266.04 m2。包含 2 栋高层住宅、裙房商业和地下室。1 号、2 号楼为高层住宅，其中 1 号楼 30 层，建筑高度为 98.1 m；2 号楼 27 层，建筑高度为 91.35 m；3 号楼裙房为 3 层商业用建筑，建筑高度23.15 m。地下室分为 3 层，局部地下夹层为非机动车停车库，地下 1 层为商业，地下 2、3 层为机动车停车库。建筑效果见图1。

图1 建筑效果图

1 号楼为高层商住类建筑，地上 1 层、2 层、3 层层高分别为 7.6 m、6.1 m、6.1 m，作为商业使用，抗震设防类别按重点设防（乙类）进行设计；其他标准层为住宅，层高2.90 m, 抗震设防类别按标准设防（丙类）进行设计。设计使用年限 50 年，安全等级二级。根据 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》、GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》以及甘肃省标准 DB 62/T 25—3055—2011《建筑抗震设计规程》，榆中县和平镇抗震设防烈度为 8 度，设计基本地震加速度值为 0.20g，设计地震分组为第三组，地震动反应谱特征周期值 0.45 s，剪力墙抗震等级地下 1 层～地上3 层为一星级（计算一级，构造特一级），其余各层剪力墙抗震等级为一级。基本风压为 0.3 kN/m2，地面粗糙度为 B类，体型系数取 1.4。基础采用桩筏联合基础。

2 1 号楼主体结构设计

2.1 结构不规则性情况

(1) 高宽比：高层建筑的高宽比是对结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。根据 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，8 度区剪力墙结构的高层建筑，高宽比 ≤5。本楼结构高度98.1 m，平面最小回转半径为 4.3 m，对应有效宽度 14.9 m，高宽比为 6.584，远超规范。应对整体的承载力、稳定、抗倾覆及变形等进行更详细的分析，并采取合适的加强措施。

(2) 平面凹凸不规则：根据建筑及结构平面，中部凹凸尺寸为相应边长的 36.8% 且 ＞30%，对抗震不利。应对凹凸部位的楼板应力进行详细分析并采取相应的加强措施保证水平力的可靠传递。

(3) 竖向刚度突变：单体地上 3 F 层高 6.1 m，4 F 层高2.9 m，刚度突变，形成软弱层对抗震不利，应按规范对相应层进行计算分析，并采取相应加强措施和设计。同时通过合理结构布置，避免层受剪承载力不足，同时出现薄弱层。

(4) 基础部分：IV 级（很严重）湿陷性地基，最大湿陷深度 29.5 m。桩基设计时考虑地基土湿陷引起的负摩阻力；地基计算对应大高宽比下结构抗倾覆能力，多遇地震下控制基底不出现零应力区；并进行罕遇地震下桩基极限承载力验算。

2.2 小震弹性结构响应分析

多遇地震下的结构响应，本工程采用了 SATWE 和MIDAS BUILDING 软件进行了对比分析计算，同时补充了动力时程弹性分析计算。结构嵌固端为地下室顶板，计算同时考虑了双向地震作用及偶然偏心作用影响，楼板分别采用了刚性楼板假定及弹性楼板假定。动力时程分析采用了 1 组人工波及 2 组天然波；地震波选取考虑了地震波动力特性（频谱特性、峰值、持续时长）等同规范谱在统计意义上相符。主要计算结果见表1、表2、表3。

表1 结构前 3 阶周期及振型方向、周期比

表2 结构的弹性响应

表3 时程分析基底剪力结果

由表1、表2 可知，小震作用下响应远 ＞ 50 年一遇风荷载，地震时起控制作用。结构最大层间位移角满足规范要求，结构刚度比较富裕，位移比 ≤1.2，周期比 ≤0.85，扭转效应较小，剪重比大于规范限值，地震力计算值合适。整体结构满足小震不坏的弹性要求。

由表3 可知，3 条波时程计算的基底剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的 65%，3 条波计算的基底剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的 80%，时程分析地震力 ＜CQC ( Complete Quadratic Combination，即完全二次振型组合) 法计算地震力，可取 CQC 法计算地震作用效应进行结构设计。

2.3 楼板应力分析

针对平面的凹凸不规则及中部有效板宽度较小，抗震设计时应考虑楼板平面内变形的影响，同时，为了确保楼板在小震下的弹性，对每层楼板进行了地震作用下楼板应力分析，计算结果见图2、图3。除较大刚度竖向构件附近及洞口、角部应力集中区域外，在水平地震作用下计算的楼板应力均小于混凝土轴心抗拉强度标准值（C 35 混凝土轴心抗拉强度标准值为 2.2 N/mm2）。

图2 1 号楼标准层 X 向地震楼板应力

图3 1 号楼标准层 Y 向地震楼板应力

结构设计时，1 号楼细腰区域楼板厚度加厚为 150 mm,楼板配筋采用地震作用和竖向荷载组合设计值进行内力计算，并在容易发生应力集中的区域进行构造加强。按小震作用下实际楼板应力计算结果及竖向地震内力包络值进行楼板配筋，保证中震及大震作用下，本区域楼板不发生屈服破坏，保证水平力的可靠传递。

2.4 动力弹塑性分析及性能设计

1 号楼运用 PKPM-SAUSAGE 软件进行了动力弹塑性分析计算，以便判断分析结构大震下的破坏部位和形式；判断构件的承载力及延性，进行性能设计；验算结构大震下的位移是否满足规范要求，以实现“大震不倒”的抗震设防目标。

弹塑性分析时，地震波选取了 RH 2 TG 0459（人工波，TG=0.50），TH 031 TG 050（天然波，TG=0.50），TH 112 TG 050(天然波，TG=0.50)分别进行X、Y两主方向的弹塑性动力响应。地震波主方向加速度为 400 cm/s2，次方向加速度为 340 cm/s2。计算材料模型直接在应力-应变本构关系的水平上模拟非线性：杆件（梁、柱、斜撑等）非线性模型采用纤维束模型；剪力墙、楼板采用弹塑性分层壳单元。整体分析时不采用刚性楼板假定，阻尼模型采用了修正的瑞利阻尼，反应高频部分的动力响应。性能标准采用了 JGJ 3—2010 中的 5 个水准，对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”5 个级别。在 PKPM-SAUSAGE 中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准分别对应上述 5 个级别。主要计算结果见表4、表5，图4～图6。

表4 弹塑性分析基底剪力结果

表5 弹塑性分析大震位移计算结果

图4 大震作用下弹塑性层间位移角曲线

图5 大震作用下墙柱性能统计

从上述计算结果可看出，大震弹塑性基底剪力约为小震弹性基底剪力的 3～5 倍，符合罕遇作用下结构刚度退化、阻尼增加结构响应特性，所选地震波计算的地震响应符合标准；大震作用下最大层间位移角小于国家及地方规范高宽比超限建筑 1/135 的限值要求，结构符合“大震不倒”的设计原则；大震作用下，耗能连梁出现了比较严重的损坏，起到了很好的耗能作用；大震作用下绝大部分竖向墙体仅出现轻度损坏或轻微损坏，整体抗震性能良好，极少量剪力墙（角部、凹口部位）出现了严重损坏，结构存在少量薄弱部位，应采取抗震加强措施进一步保证结构良好的抗震性能，结构整体符合 D 级抗震性能目标。

3 1 号楼结构加强措施

(1) 针对结构平面腰部较窄、连接较弱，适当增加本区域楼板厚度，最小配筋率为 0.25%；对整层楼板进行应力分析，满足小震不开裂、中震不屈服的性能要求, 按楼板应力分析结果进行配筋。适当提高本区域框架梁及连梁的纵向配筋率。

(2) 针对结构层高 6.1 m 变化为 2.9 m 的楼层，按照 GB 50011—2010 对软弱层或薄弱层要求地震剪力乘以 ≥1.15的增大系数。

(3) 针对大高宽比，抗震验算时，对多遇地震下宽度方向弹性层间位移角最大值按 1/1 050 控制。控制基础底面不出现 0 应力区；罕遇地震作用下宽度方向弹塑性层间位移角限值按 ≤1/135 控制；进行罕遇地震作用下的结构抗倾覆验算。

(4) 针对抗震薄弱部位，个别薄弱部位（角部、凹口）竖向构件抗剪、抗弯按中震不屈服复核。

(5) 外纵墙轴压比限值较规范降低 0.1；底部加强部位外纵墙墙身水平及竖向分布配筋率 ≥0.35%；约束边缘构件设置范围较规范增加上延一层；纵向约束边缘构件配箍特征值增大 10%，纵向配筋率 ≥1.30%。

(6) 底部加强部位剪力墙连梁加强箍筋配置，对跨高比＜2.5 的连梁，增设斜向交叉钢筋，增强抗剪及塑性变形耗能能力。

4 结 语

随着经济水平的提高，在高烈度区采用条形平面的大高宽比建筑以满足建筑通风、采光、视线要求的高标准住宅越来越多地得到应用。此时应采取适当的分析手段和措施，取得一个安全、经济、具有良好抗震性能的结构设计，是有积极现实意义的。本文结合本人实际主持设计的高宽比住宅结构，介绍了常规高度下的大高宽比结构的小震弹性和大震弹塑性分析、性能设计，以及针对大高宽比建筑的结构抗震加强措施，以期为结构设计的同行们，在类似工程设计时提供一些参考意见。