带塔楼偏置的商业超限高层结构设计与分析

袁 升，段 贝，程俊婷

1.浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006

2.中机工程有限公司，浙江 杭州 310016

1 工程概况

杭州嘉里城市之星项目（4#地块、5#地块）位于杭州下城区，是集购物、休闲、酒店、办公于一体的商业综合体建筑工程。设计方案均为一栋带裙楼的高层塔楼，地下室共4层，且两地块连为一体。4#地块地上建筑面积约为4.94万m2，地上有18层，总高度为84.2m，其中裙房有6层，总高度为23.1m；5#地块地上建筑面积约为3.79万m2，地上有9层，总高度为53.5m，其中裙房有6层，总高度为23.1m。建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果图

该项目主体结构的设计基准期和使用年限均为50年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1[1]。抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类）。

该项目采用《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）[2]中风荷载进行结构设计。塔楼位移验算时，基本风压w0按50年一遇标准取0.45kN/m2。地面粗糙度按B类，风荷载体型系数取1.4。

2 结构设计

2.1 结构体系

该项目两栋楼均采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。将剪力墙作为主要的抗侧力体系，能够有效地承受地震作用和风荷载引起的水平剪力。框架柱及斜撑作为抗侧力的第二道防线，同时也能配合建筑立面的要求。地下室楼面主要采用现浇钢筋混凝土梁板系统，地上楼面主要采用现浇钢筋混凝土梁+叠合楼板系统。以5#地块为例，其抗侧力构件如图2所示。

图2 抗侧力构件

2.2 性能化设计目标

该项目存在塔楼偏置、裙房多层楼板大开洞、若干竖向构件不连续等平面和竖向不规则，属于特别不规则的超限结构。按《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）的要求进行性能化设计，抗震性能目标定为C[3]。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第3.11节确定塔楼各构件的性能要求，并提高其中特别关键构件的设计性能要求[4]。按《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）[5]表M1.1.1-2中性能要求3确定各地震水准下塔楼的层间位移变形要求。结构各构件的具体性能目标如表1所示。

表1 结构构件性能目标

2.3 结构主要抗震加强措施

（1）增加裙房屋面的楼板厚度至160mm，裙房屋面及上、下层楼板配筋采取双层双向拉通配置，提高板每层每向钢筋配筋率，使其不小于0.3%，对裙房大开洞相邻板增加板厚并提高配筋率。

（2）对于主楼与裙房相连的外围框架柱，从裙房屋面上一层标高以下高度范围内，提高柱纵向钢筋的配筋率。大底盘上下各两层主楼周边框架柱的抗震等级提高一级（4#地块按特一级、5#地块按一级采用抗震构造措施）。

（3）提高转换部分（抬柱转换）框架的抗震等级。采用型钢混凝土梁柱作为转换构件，控制框架柱轴压比不大于0.6，箍筋全高加密，且配箍率不小于1.5%，钢骨率不小于5.0%[6]，同时增加转换部位所在标高楼板厚度。

（4）对于主楼与裙房相连的外围相关范围框架梁，提高其配筋率且梁面钢筋采取拉通配置；裙房远离主楼一侧两跨范围抗侧力构件抗震措施提高一级[7]。

3 结构分析

3.1 多遇地震作用下的结构弹性

多遇地震下的整体弹性分析采用YJK和SATWE两种软件进行比较计算，计算结果如表2所示。由表2可知，两种力学模型计算下的弹性分析结果基本一致，周期比、位移比、位移角、刚重比、剪重比等参数均满足规范要求。

表2 多遇地震作用下的弹性分析主要指标比较

因为4#地块和5#地块总重量接近，且4#地块高度更高、刚度较小，所以两栋楼的底部总剪力非常接近。同时4#地块楼层数明显多于5#地块，因此高度较低的5#地块的每层抗侧力构件所承受的水平剪力反而更大，可由剪重比体现。综上，结构工程师对于这种高度不高但平面较大的“矮胖型”建筑，需要尽量控制剪力墙间距，间距不宜过大，满足墙肢在大震下的剪压比要求。

3.2 多遇地震作用下的弹性时程

为校核振型分解反应谱法的计算结果，采用YJK对其进行多遇地震作用下的弹性时程分析补充验算，选用2条天然地震波和1条人工波。时程分析所得的基底剪力和规范反应谱（即振型分解法CQC）所得的基底剪力对比如表3所示。由表3可知，时程分析所得的基底剪力均大于规范反应谱所得的基底剪力的65%，时程分析所得的平均基底剪力大于规范反应谱所得的基底剪力的80%，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第5.1.2条的要求。介于篇幅，以下所有结构分析只给出5#地块结果。

表3 基底剪力

将时程分析所得的各楼层剪力的包络值与反应谱结果进行比较，对反应谱的各楼层采取放大处理，放大系数取两者相应楼层剪力之比。

3.3 设防地震作用下的结构

基于性能的设计要求，竖向构件的结构正截面承载力需要满足中震不屈服设计要求，斜截面承载力需要满足中震弹性设计要求。在进行中震验算时，地震作用不考虑与抗震等级有关的增大系数，阻尼比取0.07，周期不折减。经计算，一层框架柱的最大轴压比为0.53，最大剪压比为0.04；一层剪力墙的最大轴压比为0.4，自大剪压比为0.17，均满足规范要求。中震计算下各结构构件配筋率较合理，可以达到相应性能要求。

3.4 罕遇地震作用下的结构弹塑性

为保证结构在大震作用下具有足够的延性和抗倒塌能力，采用PKPM做Pushover分析，以评估结构在罕遇地震作用下的性能。侧向力采用倒三角形荷载，作用于X、Y两个方向，考虑P-Δ二阶效应的影响。

根据7度0.1g罕遇地震作用下相应的能力谱和需求谱曲线，X向性能点对应的基底剪力为121988.4kN，约为多遇地震作用下的基底剪力的5.2倍，对应结构有效周期为1.314s，性能点附加阻尼比为0.042，对应的最大层间位移角为1/288；Y向性能点对应的基底剪力为109996.1kN，约为多遇地震作用下的基底剪力的6.2倍，对应结构有效周期为1.482s，性能点附加阻尼比为0.033，对应的最大层间位移角为1/269。两个方向的性能点对应的层间位移角均小于1/100，可以满足“大震不倒”的性能要求。

从整个推覆过程的出铰状态来看，核心筒内的连梁和框架梁端首先出铰，当结构达到性能点时，剪力墙和框架柱均无出铰，剪力墙顶部局部位置出现破坏，但不影响整个结构，总体上符合预期的抗震性能设计目标。

4 结论

（1）对于存在塔楼偏置的高层建筑，可以采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，形成二道防线；合理布置剪力墙，保证设防地震作用下墙肢的平均拉应力不大于2倍混凝土抗拉强度。

（2）体型收进部位的竖向构件需加强，通过提高抗震等级、纵向钢筋配筋率、箍筋加密等措施保证体型变化的上下层刚度差距不宜过大，避免形成薄弱层。

（3）通过多遇地震和设防地震下的弹性分析、罕遇地震弹塑性分析指导结构设计，实现相对应的性能化目标。

（4）对于高度不高但刚度较大的结构，要根据平面布置剪力墙，保证间距不宜过大，控制大震下墙肢的剪应力。