通州某超限高层商务型公寓楼结构设计

孙华敏 滕丽荣 李洪求

1.工程概况

某商务型公寓楼位于北京市通州区，地上42层，地上建筑面积32801.7 m2，地下3层，其中地下1层为下沉广场，建筑使用功能为商业，地下2层及地下3层为整体式车库。建筑物主要屋面高度为143.20m，室内外高差为0.5m。

本工程设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为8度，设计基本加速度值为0.02g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。基本风压取50年重现期0.45kN/m2，承载力设计时按50年重现期的1.1倍基本风压采用，体型系数1.4，地面粗糙度B类。建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，地下室防水等级一级。

2.结构方案选择

对于一般商务型公寓楼，工程上通常采用剪力墙结构。本工程建筑标准层平面图详见图1所示。根据建筑平面高宽比、内部集中布置楼电梯管井及外部墙肢开洞率，结构满足筒中筒结构条件。故本工程对剪力墙结构及筒中筒结构进行方案对比，选择出较优结构设计方案。剪力墙结构布置图及筒中筒结构布置图分别详见图2、3、4所示。

图1 建筑标准层平面图

图2 剪力墙结构布置图

图3 筒中筒结构布置图（墙元方案）

图4 筒中筒结构布置图（柱元方案）

根据建筑平、立面条件及计算结果判断此结构平面及立面规则性，详见表1所示。无论采用剪力墙结构还是采用筒中筒结构，平、立面均规则，但剪力墙结构超出规范B级高度（130m）限制，需要进行性能化设计；筒中筒结构超出规范A级高度120m约19%，但不超B级高度（170m）[1]，可按规范设计。

表1 结构规则性判断

根据两种方案分别进行计算，统计出两种结构的经济指标详见下表所示。

表2 经济指标对比

筒中筒结构经济性指标优于剪力墙结构而且剪力墙结构在中震作用下表现为墙体拉应力较大，底层角部剪力墙肢拉应力均接近2ftk，统计型钢用量约为筒中筒型钢用量的5倍，较筒中筒结构形式受力较差。

表3 规范特一级墙柱抗震措施对比表

综上，从经济性及地震作用下的受力性能来说，筒中筒结构更适合本工程，同时筒中筒结构在户型内部无承重剪力墙，更适合住户后期对房间的改造。综上，本工程采用筒中筒结构。

3.结构设计

3.1 结构计算方案选择

本工程采用筒中筒结构体系，楼盖为现浇钢筋混凝土楼盖。第15层和29层建筑功能为避难层，对此两层楼面梁、板进行适当加强。内筒、外筒通过楼板协同工作共同抵抗水平荷载。由于建筑需求，外筒结构存在较多高度较短墙肢，根据《高规》[1]7.1.7条“当墙肢的截面高度和厚度之比不大于4时，宜按框架柱进行截面设计”，故本结构外筒分别按照墙元和柱元（当墙肢hw/bw≤4时）两种方案进行计算分析，分别简称为墙元方案及柱元方案。两种计算方案标准层平面结构布置图分别详见图3及图4所示。

3.2 墙柱规范抗震措施比较

本工程抗震等级为特一级，此时规范[1-2]对于墙、柱采用了不同的抗震措施，如表3所示。

综上，规范上柱的抗震措施比墙的要严格。

3.3 结构计算结果分析

3.3.1 小震分析

本工程在进行PKPM进行墙、柱模型输入时，程序不仅选用的单元不同还采用了不同的抗震措施。

通过计算本工程墙元方案及柱元方案结构第一、二自振周期均为平动周期，第一扭转振型与第一平动振型周期比为0.44，小于现行规范0.85限值，说明结构体型比较好，具有很大的抗扭刚度，对抗震有利。

小震作用下两种方案主要性能见表4所示。

表4小震各项计算结果表明，两种计算方案整体受力较为接近。但在形成构件配筋结果时，PKPM对外筒短墙肢采用了柱配筋形式。经过对比分析，墙元模型纵筋在平面内配筋略大于柱元模型，在平面外配筋略小于柱元模型，比较吻合模型计算时单元刚度的假定；但墙元模型箍筋和柱元模型箍筋在平面内配筋相差较大，分析计算结果表明PKPM在进行小墙肢（h/b≤4）配筋时，除满足计算配筋外还采用了墙体最小水平配筋率及大于等于平面外箍筋配筋来控制箍筋配筋值，即结构采用墙、柱双控规范来限制墙元模型箍筋配筋值，结果表现为墙元外筒小墙肢平面外配筋较大于柱元模型。采用墙元模型箍筋配筋值有失合理性。综上，小震配筋采用柱元模型结果保证结构经济可靠。

表4 小震结果对比表

3.3.2 中震分析

由于本工程属于超限高层建筑，对本结构中的重要构件进行中震水准的承载力进行计算校核是非常必要的。现补充设防地震作用下墙、柱拉应力计算。墙柱轴力计算公式如下：

其中NEk：地震作用下最大轴向拉力

NGE：重力荷载代表值下轴向压力

NGk：恒载作用下轴力

NQk：活载作用下轴力

本工程通过中震不屈服计算，竖向构件整体能够满足抗弯不屈服。底部部分墙体存在拉应力，但墙体拉应力[3]满足2ftk=5.7N/mm2＞f＞ftk=2.85N/mm2，超过限值部分通过配置型钢解决。两种计算模型型钢配置情况分别见图5和图6所示。

对于墙元方案及柱元方案，结构拉应力较大部位均出现在内筒及外筒的角部，柱元方案结果会使内筒角部墙体承担更多拉应力。设计时采用包络设计进行竖向构件型钢的配置，提高角部墙体抗力及延性，保障结构中震抗震性能。

3.3.3 大震分析

3.3.3.1 结构分析适用性

根据现行规范规定：高度不超过150m的高层建筑可采用静力弹塑性分析[1]；推覆分析方法（Pushover）可进行结构静力弹塑性计算分析，该方法适用于第一振型为主的结构。本工程建筑高度为143.2m，小于150 m，符合规范要求。根据墙元方案SATWE计算结果，结构在X、Y第一阶阵型下的基底剪力为13814.85KN和12816.69KN，分别占X、Y底层剪力18679.32KN、17879.61KN的74%和72%，均大于70%；根据柱元模型SATWE计算结果，结构在X、Y第一阶阵型下的基底剪力为13889.03KN和12775.29KN，分别占X、Y底层剪力18705.73KN、17565.83KN的74%和73%，均大于70%（柱元方案）。故本工程两种方案均可采用静力推覆分析方法进行结构弹塑性变形验算和分析。

3.3.3.2 分析结果

通过推覆分析，两种计算方案X向及Y向结构破坏过程基本表现为：首先在连梁及框架梁端部出现塑性铰，随着加载步的增加，底部内筒及外筒角部墙肢首先出现剪切斜裂缝，并随着加载步的增加底部墙肢的裂缝逐渐向内筒及外筒中部发展。

从总体上来说，由于高宽比的原因，结构X向的抗震性能优于Y向的抗震性能，并从破坏现象分析表明应加强底部剪力墙及重点加强内筒、外筒角部剪力墙抗震承载力。根据分析结果，大部分剪力墙能够实现预定的性能目标，对个别破坏的剪力墙提高墙体配筋率加强措施。

图5 墙元模型中震型钢配置图

图6 柱元模型中震型钢配置图

表5 大震位移角对比表

表6 大震剪力对比表

计算结果表明，结构最大层间弹塑性位移角小于规范限值；推覆分析下结构剪力值约为弹性大震剪力值的50%～60%。结构在罕遇地震作用下，材料已经进入弹塑性阶段，但能保证大震不倒，并通过延高内筒、外筒约束边缘构件配置高度，提高结构在大震作用下整体抗倾覆能力。

4.超限加强措施

通过小震、中震、大震计算结果及破坏现象分析，采取多项抗震加强措施，加强结构薄弱部位，提高结构抗震性能，保障结构在地震作用下具有足够的安全性。采取的抗震加强措施分别如下所示。

（1）沿柱全高采用直径为12的井字复合箍，间距不大于100，肢距不大于200。

（2）墙肢的约束边缘构件上延至轴压比不大于0.25的高度，且不超过0.5倍全楼总高度。

（3）底部剪力墙轴压比不超过0.45。

（4）对中震不屈服下，墙体拉应力超过ftk框架柱和主要墙肢，均设置型钢承担全部拉力。

（5）根据大震静力弹塑性分析结果，对薄弱墙体及框架柱采用加大断面、加大配筋率或采用型钢混凝土。

（6）避难层顶底板板厚加大至≥150，板内满布双层双向通长筋，最小配筋率不小于0.25%。

（7）对于跨高比不大于1、宽度不小于400的连梁以及抗剪超筋的连梁采用交叉暗撑。

（8）楼盖外角设置双层双向钢筋，单层单向配筋率不宜小于0.3%，钢筋的直径不小于8mm，间距不大于150mm，配筋范围不小于外框架（外筒）至内筒外墙中距的1/3和3m。

（9）外筒角窗位置剪力墙沿全楼设置约束边缘构件。

5.结语

通过上述方案对比分析，可以得到以下几点：

（1）相对于剪力墙结构，筒中筒在经济性、结构受力性能更适用于大高宽比、高烈度超高层结构，且建筑使用功能更灵活。

（2）筒中筒结构设计中，在外筒存在较多高度较短的墙肢情况下，根据规范采用墙元模型和柱元模型对比分析保障结构安全。

（3）小震分析表明墙元模型和柱元模型整体计算指标基本一致，但墙元模型在计算配筋时，软件进行了相应的“柱化”处理，但计算结果存在不合理的地方，建议采用柱元方案。同时柱元模型对于柱剪力采用了0.2Q0调整，保证了结构的多道防线；

（4）中震分析表明两种计算模型均表现为内筒、外筒角部拉应力较大，但未超过2ftk[3]，通过对两种方案包络取用型钢来加强竖向构件不屈服能力；

（5）大震分析表明，对两种分析方案推覆过程中出现的墙体破坏，相应采用提高墙体配筋率，延高结构边缘构件配置部位，避免结构在大震作用下存在薄弱楼层，防止结构在大震作用下倒塌。通过计算分析和相应的抗震加强措施，保证结构实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标。

希望本文为超高层公寓楼结构方案选择及对存在较多高度较短墙肢的筒中筒结构工程提供参考。