江西某超限高层建筑结构设计分析

蒋波，刘凯，许秋华，洪成，杨民涛

（1.江西省建筑设计研究总院集团有限公司，南昌 330099；2.南昌工程学院，南昌 330099；3.江西省土木建筑学会，南昌 330099）

1 工程概况

本工程项目地块位于南昌市东湖区。项目用地面积34 748.35 m2，总建筑面积166 869.69 m2，其中地上建筑面积121 289.54 m2，地下45 580.15 m2。

项目用地西南侧为主楼建筑1-A#楼，层数为54层，屋顶标高为229.40 m，构架层顶标高246.20 m，幕墙顶标高为249.99 m。用地西北侧为1-B#楼，为16层的酒店，屋顶标高为82.10 m，酒店主楼与裙房之间设抗震缝脱开[1]。A塔和B塔在4层、15层及18层存在3层连体，跨度约35 m。效果如图1所示。

图1 建筑效果图

本工程综合场地类别为Ⅱ类，建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类），建筑结构安全等级为二级，设计合理使用年限为50年，建筑抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组为第一组，50年一遇基本风压为W0=0.45 kPa，不考虑雪荷载。

2 主体结构

本项目A、B塔为框架-核心筒结构体系，塔楼内部在电梯井道和设备用房及卫生间设置剪力墙构件，结构抗侧体系由核心筒或剪力墙与外框柱组成，共同构成多道设防结构体系，提供结构必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度。重力荷载通过楼面水平构件传递给剪力墙和外框柱，最终传递至基础。水平荷载产生剪力和倾覆弯矩由剪力墙与外框架共同承担。其中剪力主要由剪力墙承担，倾覆弯矩由外框架与剪力墙共同承担。

A塔与B塔之间在4层、15层和18层之间设置了3层连体，通过分析论证，本项目选用刚性连接的钢桁架+型钢混凝土框架。底部3层钢结构桁架托换上部一个2层中心支撑钢框架结构，连体两端弦杆伸入塔楼内部并与核心筒连接。为满足两栋塔楼水平剪力传达的要求，连体桁架部分（3～15层）楼板加厚为180 mm，连体层顶板（16层）加厚为200 mm，连体框架部分及相邻层（3～5层、14～17层）楼板厚度加厚为150 mm。连体平面图如图2所示。

图2 建筑连体层平面图

3 结构超限情况

高度超限：超B级，A塔楼高度229.4 m（B级高度210 m）；扭转不规则；最大扭转位移比：X-偶然偏心方向1.27（B塔3F）大于1.2，Y+偶然偏心方向1.19（B塔16F）；X-偶然偏心方向1.12（A塔1F），Y+偶然偏心方向1.10（A塔4F）均小于1.2；楼板不连续：A塔2F开洞面积37.7%＞30%；B塔2F、3F开洞面积34.26%＞30%；局部不规则：局部穿层柱；复杂连接：4层、15层和18层连体(楼层号以A塔算起)。

4 多遇地震下弹性计算分析

本工程弹性分析选用北京筑信达术有限公司的ETABS软件（细分墙元模型）进行计算，考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响。软件计算结果见表1。

表1 ETABS软件整体计算结果

对于本工程主体为混凝土结构，连体为钢结构的体系，地震作用的阻尼采用材料阻尼计算（混凝土取5%，钢材取2%，应变能加权平均法），结构的阻尼比为5%。风荷载计算用阻尼比取5%。

计算整体参数时，风荷载按规范风荷载考虑进行设计，竖向荷载工况计算时考虑施工模拟加载。由于整体结构刚重比大于2.7，根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构设计规程》（以下简称《高规》）5.4.1条不考虑二阶效应的影响[2]。

根据上述计算结果，结合规范规定的要求及结构抗震概念设计理论，可以得出如下结论：

1）考虑偶然偏心的规定水平力作用下X、Y方向塔楼5层以上的最大扭转位移比均小于1.2，仅局部楼层大于1.2，小于1.4，对应楼层位移角为1/2419，一项不规则。

2）塔楼在正交方向和最不利地震方向作用下底部局部楼层剪重比不满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）（以下简称《抗规》）5.2.5条规定的最小剪重比的限值要求[3]，不满足的层数最多为6层，按《高规》要求放大这些楼层的地震力[4]。

3）刚重比小于2.7大于1.4，根据《高规》要求需要考虑P-Δ效应对水平力作用下结构内力和位移的不利的影响，满足结构稳定性要求。

4）单塔计算时，除A塔和B塔，其他各项总体指标满足规范要求，单塔不存在软弱层和薄弱层。

5 周期和振型

通过YJK计算考虑42阶振型对结构进行模态分析，得出各阶振型的自振周期及空间振动形态，从中可以反映结构固有的动力特性，前6阶周期振型详见表2。

表2 连体模型前6阶振型自振周期

1）第一扭转周期与第一平动周期比值小于0.85，扭转振型与第一平动振型耦连较弱。

2）由于连体的作用，结构的振型较为复杂，多个塔振型存在相互作用的现象，为了满足反应谱计算的要求，结构计算时取了较多的振型数。

6 连体模型位移、位移角和扭转位移比

图3～图7结果表明：

图3 风荷载作用下连体模型A塔层间位移角

图7 连体模型考虑偶然偏心规定水平力作用下扭转位移比曲线

1）计算结果显示，地震作用及风荷载作用下层间位移角均满足规范要求，结构的位移角为地震作用控制。

2）考虑偶然偏心的规定水平力作用下，X、Y方向塔楼裙楼以上的最大扭转位移比均小于1.4，仅裙房层大于1.4，小于1.5，对应楼层位移角为1/2419，按照高规的规定裙房区属于一项不规则。

图4 风荷载作用下连体模型B塔层间位移角

图5 地震荷载作用下连体模型A塔层间位移角

图6 地震荷载作用下连体模型B塔层间位移角

7 连体模型剪重比

图8和图9计算结果表明：按照《高规》要求在地震作用下楼层剪力应满足剪重比的要求，对于抗震设防烈度为7度区周期大于3.5 s且小于5 s的结构，最小剪重比为1.2%～1.6%的插值；根据小震安评反应谱αmax等比例放大后，结构任一楼层剪重比应按1.44%～1.92%之间按周期插值决定。若不满足最小剪重比要求，楼层剪力应根据结构基本周期位于设计反应谱的区段按《抗规》5.2.5条文说明进行调整。计算结果表明，本工程满足《抗规》[3]5.2.5条规定的最小剪重比85%的要求。

图8 连体模型A塔X、Y向剪重比曲线图

图9 连体模型B塔X、Y向剪重比曲线图

8 时程分析曲线

A、B塔地震动时程计算楼层层间位移角见图10和图11。计算结果表明，A、B塔层间位移角均小于《高规》最大位移角限值1/1000的要求。

图10 A、B塔地震动时程计算楼层层间位移角

图11 A、B塔地震动时程计算楼层层间位移

9 结语

本工程属于结构超限项目，由于采用了外围密柱框架+核心筒的结构体系，结构整体计算结果均在规范控制指标的范围内，计算结果满足现行规范和规程的要求。时程分析结果满足7组地震波之平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%，每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65%的条件，所选地震波满足规范要求；设计时将对上部结构楼层按规范反应谱得出的地震力进行适当放大；各条楼层位移曲线形状相似，较光滑无明显突变，X向移曲线表现为弯曲形、Y向位移曲线表现为弯曲形；各条层间位移角曲线形状相似，大部分楼层范围的曲线较为光滑，仅在在连体处和高塔体型收进处位移角存在突变。