杭州杭政储出B塔楼结构设计与分析

詹海雷， 寿钧良， 吴小平， 张陈胜

（1.浙江顺为工程技术有限公司，浙江 温州 325000；2.绍兴市轨道交通集团有限公司，浙江 绍兴 312000；3.浙江省建筑设计研究院，杭州 310006）

0 引言

地震具有高度不确定性和突发性，人类依据现有的知识和资料还远远不足以进行准确的地震动区划。众所周知，抗震概念设计是决定结构抗震性能的重要因素，国内外历次大地震震害经验表明，结构布置规则、符合概念设计的房屋具有较好的抗震性能。

但近年来随着经济和技术的发展，某些项目为了实现建筑造型和满足特殊的建筑功能需求，在结构体型、高度、不规则程度等方面突破了现行规范限值，从而出现越来越多的复杂超限高层建筑。此类建筑在强烈地震作用下易形成薄弱部位、出现变形集中而可能遭受较严重的破坏。

文献［1］以杭州余政储出5号楼为例，该楼高度为162.2m，超A级最大适用高度8.13%，采用框架-核心筒结构，作者利用多软件对其结构进行计算分析，根据计算分析结果对剪力墙、连梁及楼板进行加强，以满足抗震性能化设计要求。

文献［2］中介绍了浙江新世界财富中心，该建筑北塔楼高度为246m，超B级最大适用高度17.14%，采用框架-核心筒结构，下部楼层采用型钢混凝土柱，并沿建筑竖向设置了三道环向钢筋混凝土桁架，根据多软件计算分析结果，可判断该结构满足抗震性能化要求。

文中通过对杭州杭政储出B塔楼抗震研究及设计实践，针对结构高度超限类结构，提出了针对性的设计建议措施，对该类复杂超限结构的分析计算和抗震设计具有一定的借鉴和指导作用。

1 工程概况

杭政储出2005（70）号地块位于杭州市滨江区，建筑效果图如图1所示。建筑面积约20.49万m2，涵盖了酒店、办公、住宅及商业等多项功能，场地东南侧及西北侧分别布置了一栋231.7m（A）、231.4m（B）高的塔楼（办公和住宅），塔楼之间有一栋99.4m（C）高的酒店（场地东北侧）。A楼地上70层，B楼地上66层，C楼地上25层。5层裙房作为A、B、C塔楼的底盘，总高度24.5m。场地基本设置了满铺地下室，地下室为3层（局部为4层），长126.7m，宽105.8m。

图1 建筑效果图

2 结构设计

2.1 B塔楼主要超限情况

（1）高度超限。B塔楼屋顶结构标高231.4m，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》［3］，抗震设防烈度为6度，对于钢筋混凝土框架核心筒结构体系，A级最大适用高度为150m，B级最大适用高度为210m。B塔楼超A级最大适用高度59.4%，超B级13.86%。

（2）结构不规则超限。根据《建筑抗震设计规范》［4］和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》［5］，考虑±5%偶然偏心的水平地震力作用下，其扭转位移比大于1.2，属于扭转不规则。31层处在Y向建筑立面内收8.6m，内收比例为25.1%，超过25%，属竖向尺寸突变。分别在30、43、58层设置了环向桁架加强层，属于构件间断不规则（含加强层）。加强层引起下部楼层抗剪承载力小于上部相邻楼层的75%，属抗剪承载力突变。

2.2 结构布置

竖向构件为混凝土柱（下部为型钢混凝土柱）及混凝土核心筒，水平构件为混凝土梁板。核心筒抗震、抗风，为主要抗侧力体系。外框架根据建筑功能及立面要求布置，起到一定抗侧力作用。设计保证外圈核心筒厚度，厚度分别为900mm（地下室）、800mm（裙房部分），700～500mm（主塔楼），同时提高约束边缘构件配箍率，从而提高其抗震承载力和延性。核心筒内纵横隔墙厚度为250mm、300mm。外围框架柱采用型钢混凝土柱（37层楼面以下）。整体结构模型如图2所示。

图2 B塔楼整体结构模型

楼层典型楼板厚度：裙房楼板厚150mm；办公（31层以下）楼板厚120mm；住宅（31层以上）楼板厚140mm；腰桁架加强层楼板厚180mm；屋面层、停机坪楼板厚150mm；地下一层作为上部结构嵌固端，楼板厚180mm；人防区厚350mm；地下其余各层楼板厚度均为150mm。

B塔楼沿着楼层高度分别在30层（标高103.050）、43层（标高148.950m）和58层（标高200.350m）设置了3个加强层。腰桁架可以增强结构的抗侧刚度。经计算比较，不设置加强层时最大层间位移角，不满足规范1/537（根据规范第4.6.3条规定插值得到）的要求，设置三道加强层后对整体结构的层间位移角能有效控制。B塔楼典型加强层桁架模型及立面图如图3。

图3 B塔楼典型加强层桁架模型及立面图（单位：mm）

2.3 结构抗震性能设计目标

根据规范［3］、［4］，对B塔楼进行抗震性能化设计。综合考虑技术和经济可行性，针对B塔楼超限情况，选定抗震性能目标为“C”，其在多遇、设防、罕遇地震作用下结构的性能水准、水平及层间位移角限值见表1。继而确定关键结构部件包括主楼核心筒、周边框架及加强层腰桁架的抗震设计性能目标，如表1所示。

表1 结构抗震设计性能目标

2.4 关键结构部件抗震措施

根据已确定的整体结构及关键结构部件抗震性能目标，对B塔楼提出针对性抗震措施。

（1）核心筒。控制核心筒墙肢的剪应力水平，验算罕遇地震作用时不同剪跨比的墙肢抗剪截面，使其不发生剪切破坏［6］。针对高度超限，将核心筒底部加强区延伸至第7层楼面标高位置，即裙房屋面以上2层。为保证大震作用下核心筒底部出现塑性铰后具有足够大的延性以适应变形，将裙房屋面以上2层的地震剪力放大1.25倍，其核心筒约束边缘构件及墙身配筋随之加强，并保证约束边缘构件配置高度达墙肢轴压比小于0.25的楼层标高。另验算所有墙肢在风荷载或小震作用下不得受拉。核心筒剪力墙配置多层钢筋，确保墙肢受力均匀。

（2）周边框架。37层楼面以下采用型钢混凝土柱，适当提高框架柱的体积配箍率，改善框架柱的延性。周边框架作为第二道抗震防线，设计时严于规范对各楼层框架部分地震剪力进行调整。适当加强嵌固端至裙房屋面上一层的框架柱配筋，其箍筋全高加密以提高延性。

（3）腰桁架加强层。腰桁架使周边框架柱受力均匀，减小其剪力滞后效应，提高结构刚度。加强层核心筒内设置约束边缘构件，范围为向下延伸2层，向上延伸1层，并适当提高核心筒抗震等级，保证结构延性。适当加强楼板厚度，配筋双层双向，以提高结构的整体性。

3 结构整体分析

3.1 多遇地震作用下结构验算

为判断模型分析结果的准确性，采用PKPM和MIDAS Building这2种软件计算B塔楼的结构总重量及周期，比对发现两者基本一致，如表2所示。结构前三阶振型如图4所示，结构刚度中心与质量中心基本一致，扭转效应小。PKPM其余计算结果见表3，B塔楼虽然存在较多倾斜柱，相较于层间位移角概念中构件为铅锤的前提，若取柱两端位移变化与层高之比，则偏于保守，但计算仍按保守取值。B塔楼因在30、43、58层间设置了腰桁架，导致这3层楼层抗剪承载力产生突变，出现薄弱层，设计对薄弱层下2层、上1层的框架、核心筒抗震等级均取一级，同时对其进行中震弹性验算。

表2 结构总重量及前六阶周期对比

表3 多遇地震作用下计算结果

图4 B塔楼前三阶振型

各楼层框架部分承担的地震剪力=max{min［底部总地震剪力的25%，最大楼层地震剪力1.8倍］，结构底部总地震剪力15%}

3.2 结构弹性时程分析

B塔楼为存在加强层的复杂高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充验算，以验证规范反应谱法的包络性［3］。根据Ⅲ类场地、第三组地震分组，选取天然波TH2TG045、TH4TG045和人工波RH3TG045，与反应谱法得出的基底剪力进行对比，如表4，每条时程曲线计算所得结构基底剪力不小于规范反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算的结构基底剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足规范。根据结果B塔楼地震力不需要放大。

表4 时程分析与反应谱分析基底剪力比较

3.3 设防地震作用下结构验算

对结构大底盘及其上一层，各腰桁架及其对应的上1层、下2层的竖向抗侧力构件进行中震弹性验算。计算时，地震作用不再根据抗震等级增大；填充墙在中震作用下会破坏，因此不考虑其对周期的折减；同样连梁也会发生一定程度的破坏，适当减小其刚度折减系数。

计算结果表明，墙肢与框架柱的轴压比分别小于0.5与0.75，配筋合理；腰桁架弦杆配筋同样较为合理，判断结构可满足中震弹性要求。并对中震作用下出现受拉状态的墙肢，均设置约束边缘构件。

3.4 罕遇地震作用下弹塑性分析

采用PKPM软件通过对B塔楼进行静力弹塑性分析（pushover），从而判断结构是否能达到罕遇地震作用下的抗震性能目标，另校核其在小震下的受力与变形。分析前，混凝土梁、柱配筋采用计算配筋，按实际配筋复核。根据计算所得能力-需求谱曲线，找到性能点，并对比性能点状态下结构的最大层间位移角是否小于“层间弹塑性位移角限值”即1/100［4］。在模拟持续增大地震作用的过程中，由构件的塑性铰开展得出其破坏顺序，验证结构变形是否与预期相符；验算构件在各性能水准下是否超过其允许变形；并通过定性考察各构件的塑性发展，标记需要加强的构件。

计算结果表明，结构在小震作用下无屈服，与小震相符。中震时，核心筒墙肢底部加强部位、伸臂加强层及相邻上1层、下2层处于弹性，其余部位不屈服。当达到6度罕遇地震作用水平时，部分层连梁及框架梁出现塑性铰，核心筒部分剪力墙、腰桁架出现塑性铰，框架柱不屈服，符合抗震性能设计。部分计算结果如表5所示，满足规范要求。

表5 pushover计算结果

3.5 风载作用下结构舒适度验算

B塔楼高度不小于150m，应进行风振舒适度验算及风洞试验［7］。风洞试验的主要内容是测量建筑模型上的平均风压与脉动风压时程，通过数据处理、计算分析，得到在各重现期和各风向角风压作用下塔楼表面风压值和结构静、动态响应，为B塔楼的结构抗风设计提供依据。

塔楼测压模型由透明有机玻璃制成，几何缩尺比为1：250。共布置了888个测压点。考虑到地块临近没有高层建筑，主要以民房为主，本试验模拟了大厦周围300m半径内的建筑物。大厦周围建筑采用PVC板制成模型模拟，如图5。

图5 风洞试验模型图

风洞试验舒适度结果如表6所示，满足规范要求。

表6 风洞试验结果m/s2

按10年一遇的风荷载标准值作用下，结构顶点顺风向最大加速度为0.034m/s2（X方向）、0.039m/s2（Y方向），横风向顶点最大加速度为0.094m/s2（X方向），0.082m/s2（Y方向），均小于规范对住宅的限值0.15m/s2。

4 结语

通过对带加强层的超高层B塔楼多软件计算及对其结果对比分析，结构最终能达到抗震性能目标，验证了设计合理。以下从大底盘、核心筒、腰桁架加强层、周边框架展开总结设计经验：

（1）大底盘对于超B级高层结构起到底部约束作用，其屋面及其上一层的竖向抗侧力构件应按中震弹性要求进行设计；并可通过对板厚及配筋适当加大从而对其加强。

（2）核心筒抗震、抗风，为主要抗侧力体系，应验算大震下核心筒剪力墙墙肢，使其不得发生剪切破坏；并通过配置多层钢筋使墙肢受力均匀。

（3）腰桁架加强层使周边框架柱受力均匀，减小其剪力滞后效应，提高结构整体刚度。其设置位置可利用建筑避难层。对其引起的相邻楼层抗剪承载力突变问题，考虑将加强层下两层、上一层的墙、柱抗震等级均取一级，保证其中震弹性，并应控制大震下这几个楼层的弹塑性位移角不超过1/100。

（4）周边框架为框架核心筒抗震二道防线，应严于规范对各楼层框架部分地震剪力进行调整。可采用型钢混凝土柱，并严格控制其轴压比，以确保周边框架具备足够的延性。