成都香年广场分析与设计总结

蒋守兰

【摘要】针对成都地区一超高超限建筑，运用satwe与pmsap软件进行分析设计，总结归纳了超高超限建筑设计中的难点与需要注意的问题；首先通过方案的选取介绍了型钢混凝土柱设计中的常见问题，再通过小震与中震的分析揭示出结构的薄弱部位与方案的不足之处，根据计算结果对结构的构造进行调整，从而达到经济与安全的较优结合。

【关键词】超高超限高层建筑；型钢混凝土柱；弹性时程分析

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.031

1、工程概况

本工程位于成都市区，由三栋建筑及地下室组成，总建筑面积244613平方米，其中地下室43661.39平方米，地上200952.16平方米，建筑基底面积为4826.26m平方米。1号楼地上35层，建筑高度100m；2号楼地上46层，建筑高度169.40m；3号楼地上46层，建筑高度169.70m；共三层地下室。1号楼属于A级高层建筑，2、3号楼地上46层，建筑高度分别为169.4m、169.70m，超过《高层建筑混凝土结构技术规程》A级高度的抗震设防烈度7度框架—核心筒结构的最大适用高度130m，小于B级高度的最大适用高度180m。：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3组，特征周期为0.45s，多遇地震时水平地震影响系数最大值为0.08，结构阻尼比为0.05。抗震设防类别：2号楼为标准设防类（简称丙类），3号楼为重点设防类；地下室顶板满足作为上部结构嵌固的各项要求，因此地下室抗震等级从负一层开始，每降一层抗震等级降低一级。结构计算时嵌部位在基础顶面，计算模型采用空间结构模型。本文重点对3号楼进行分析介绍。

2、方案的选取

如图1所示，该结构为标准的框架核心筒结构体系，长宽尺寸为56.5x34.5m。核心筒的长宽尺寸为32.5x9.9m。设计之初出于施工方便减少造价方面考虑，采用普通混凝土柱，经过试算在柱截面做到1400x2000轴压比仍然不满足规范要求，众所周知，对于3.600的标准层高，此时已经属于超短柱，柱子的延性也是一个考虑因素。即使通过继续加大柱截面对轴压比的提高也不会太明显，反而影响建筑的使用功能，从这两个角度考虑，地下一层～6层，采用型钢混凝土柱，型钢混凝土柱充分利用了混凝土的抗压性能与钢材的抗拉性能，外包式混凝土对型钢具有较强的约束性能，可以有效的防止型钢构件的局部屈曲，同时克服了钢管混凝土柱防锈、防腐蚀、防火性能較差、需经常性维护等弱点。采用型钢混凝土柱后轴压比基本控制在0.62左右。采用型钢混凝土柱，其设计施工的难点主要在于梁柱节点。有以下几点：（1）钢混凝土柱内钢筋密集，箍筋加工复杂，安装不便。（2）劲性柱头部位框架梁钢筋与型钢柱连接部位多，连接角度多（框架梁钢筋与型钢柱相交的角度），连接节点多。（3）框架梁钢筋与型钢柱连接型式比较复杂，现场钢筋通过连接器和型钢柱进行连接，焊接工作量大。（4）柱头部位钢筋较密，并且存在多根框架梁相交于同一柱头的现象，导致多层钢筋互相重叠，钢筋与型钢柱连接及钢筋标高的控制难度很大。

经过仔细分析每一根梁的配筋值，设计中分别给出典型梁柱相交的节点大样，在进行梁配筋时尽量按梁柱节点设计图进行钢筋配置排列。为了体现抗震设计中的强节点强锚固，框架梁中钢筋与型钢柱相交时尽量采用直锚，与翼缘相交采用连接器焊于型钢翼缘上，与腹板相交时进行腹板穿孔，大样图中给出穿孔定位原则，大大减少了设计工作量。对于柱内箍筋的布置，在计算上有型钢的楼层，尽量减少对型钢的穿孔，考虑型钢范围内本身就有的约束，箍筋采用菱形箍绕开柱内型钢（如图2）。对于过渡层，也就是计算上没有型钢的楼层，在构造上尽量消弱型钢的作用，第一是减小钢板的厚度，第二柱内箍筋配置按一般混凝土柱的布置进行配置，不考虑穿孔对型钢截面的削弱（如图3）。

为了加强结构的整体刚度，减小结构中上部由于截面削弱造成的扭转，在结构四大角的框架柱截面收至1300x1000时不再收进，同时各层平面四大角≥3x3m范围板采用双层双向配筋，配筋率≥0.3%。由于本结构核心筒高宽比仅为17远大于规范所要求的12，在水平地震作用下，筒体本身沿弱轴方向的惯性矩较小，可能出现根部的收拉裂缝，因此通过在筒体的角部沿竖向的底部加强区域布置型钢，可以起到减小裂缝宽度，以及限制裂缝发展范围的作用。

3、结构计算分析

本工程采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部的PKPM软件系列中的SATWE软件行行分析计算，并采用PMSAP软件补充计算，将二者结果对比校核。

3.1 多遇地震下地震反应分析

如表1所示，SATWE和PMSAP分析得到的结构前9阶周期能够很好的吻合，模态分析的结果是结构的质量与刚度的综合反映，说明了结构模型建立与分析的正确性。

如表2所示，在地震作用下结构的层间位移角基本满足规范要求，X，Y向刚度差异较大，结构变形在Y向呈弯曲型，X向近似于直线，总体属于偏柔结构，对于框筒结构如果能在顶层与避难层加上伸臂桁架与周边桁架让核心筒与柱共同抵抗倾覆弯矩，对于结构的顶点位移的减小将会是相当显著的，但是由于本工程建筑方案所限，这点就无法实现。如表6所示地震波计算的平均剪力值大于振型分解反应谱法结果的80%，且每条地震波结果大于反应谱结果的65%，均满足规范要求，同时也可以看出采用地震反应谱法进行构件的设计是偏于安全的。

3.2 中震作用下的结构反应分析

由于本工程核心筒在Y方向的两片墙体长度达到9.9m且未开洞，因此对其进行了中震下的补充计算，satwe计算地震影响系数取为0.23，计算结果显示，竖向构件均未出现超筋部分跨高比比较大的连梁已经超筋，说明地震作用下连梁能起到很好的消能减震作用，基本满足弱连梁的要求，保护了主要承重构件的安全，设计中对于几片主要的超长剪力墙按照中震计算结果进行配筋设计，同时对于跨高比小于2的连梁配置交叉暗撑。

结论：

从SATWE和PMSAP的计算结果看，二者在周期、位移计算方面均较为接近，这样便验证了程序计算的可靠性。从程序的结果上看，结构的位移、层间位移角、层间侧向刚度比等指标均满足规范的要求，由此亦论证了结构的可行性。从振型分解反应谱法和时程分析法结果比较可以看出，二者所呈现的结构反应特征颇为相似，进一步论证结构特性的正常。对于本超高超限建筑，往往有许多不可避免的不合理之处，在进行结构设计时找出结构的薄弱点进行合理的加强与放松，从而更好的符合计算模型。

参考文献：

[1]马宏旺，吕西林.建筑结构基于性能抗震设计的几个问题[J].同济大学学报，2002（12）： 1429-1434.

[2]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].中国建筑工业出版社.2005-02.

[3]JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术规程[S].建筑工业出版社.