仁恒梦创广场A座产业研发用房超限结构设计

凌振杰，吴国勤，陆 挺，黄 伟

(悉地国际设计顾问(深圳)有限公司，广东 深圳 518048)

1 工程概况

仁恒梦创广场位于深圳市龙岗区龙城街道北部，北临城市快速路盐龙大道，南临城市主干道龙平西路，西侧为城市次干道愉龙路，东侧为城市次干道爱心路。

本工程地下室3层，地上由4栋塔楼和1座购物中心组成。A座产业研发用房为其中一栋塔楼，共38层，高175.650 m，出屋面幕墙高度12 m；1层～5层为商业及办公，6层以上为办公。A座在1层～6层设缝与裙房(购物中心)脱开，其地上部分为独立结构单体。A座高宽比：175.65/43.5=4.0，核心筒高宽比：175.65/19=9.2。本项目用地面积36 952.53 m2，A座产业研发用房建筑面积64 296.81 m2。

结构设计使用年限：50 a。场地类别：Ⅱ类；抗震设防烈度：7度；地震分组：第一组；抗震设防类别：乙类。基本风压：承载能力极限状态计算时取0.875 kN/m2，结构水平位移计算取0.75 kN/m2，地面粗糙度C类。塔楼采用桩基础，桩型为旋挖桩，持力层为大理岩。

2 结构构成及超限项

2.1 结构构成

A座塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒体系，结构构成如图1所示。

核心筒为钢筋混凝土，筒体外墙厚度由800 mm逐渐变薄为400 mm，内墙沿层高变化，分别为500 mm～200 mm。外框柱地下1层～地上10层为型钢混凝土柱，截面1 500 mm×1 500 mm(1 000×400×30×40Q390)，11层以上柱截面由1 500 mm×1 500 mm逐渐变化为900 mm×900 mm，墙转柱在17层～32层为型钢混凝土柱，截面为700 mm×1 800 mm(1 400×200×60×60Q390)，32层以上为混凝土柱，截面700 mm×1 800 mm。墙柱混凝土强度沿楼层变化，由C60变至C40。外周框架梁为600 mm×800 mm，外框柱与核心筒间梁为500 mm×700 mm，内柱间梁为600 mm×700 mm，混凝土强度为C30，楼板厚度首层180 mm，2层～6层120 mm～150 mm，避难层及顶层120 mm，标准层核心筒板厚120 mm，内外筒之间100 mm～120 mm。典型平面如图2,图3所示。

2.2 超限项

A座塔楼超限内容主要有：1)超A级高度；2)位移比大于1.2；3)2层楼板有效宽度小于50%，3 层～5 层错层；共3项超限。

3 抗震性能目标

按照JGJ 3—2010 高规表3.11.1，A座塔楼结构抗震性能拟达C级，小、中、大震相应的结构性能水准分别为1，3，4，构件类型分类如表1所示，关键构件性能水准：多遇地震下均为弹性；设防地震下正截面承载力不屈服，受剪承载力弹性；罕遇地震下正截面承载力不屈服，受剪承载力弹性，均为轻度损坏，其余构件性能水准详《高规》3.11.2条。

表1 构件分类表

4 结构主要设计要点

本工程采用YJK进行小震计算分析，采用ETABS作为第二模型进行校核。

4.1 小震计算结果

4.1.1 周期

两模型前三周期如表2所示。

表2 模态分析结果

由表2知，两个模型动力特性相同。YJK和ETABS模型第一扭转周期与第一平动周期的比值分别为0.76,0.75，均满足规范。

4.1.2 最大层间位移角

结构的位移为地震工况控制，在规范谱作用下，YJK及ETABS模型最大层间位移角分别为1/841(X)，1/849(Y),1/863(X),1/864(Y)，如图4所示。

图4显示，在地震作用下楼层最大层间位移角均满足规范要求，且相对广东省高规限值1/604有较大富余，结构抗侧刚度较好。在20层(建筑层号为第17层)因核心筒墙转柱，位移角会有局部突变。

4.1.3 框架、剪力墙剪力分配

结构框架、剪力墙剪力分配如图5所示。

由图5可知，结构两个方向均为核心筒承担大部分地震剪力，为结构主抗侧力构件。框架和核心筒承担剪力分配曲线沿楼层在2层～6层存在突变，主要由于建筑错层引起；20层(建筑层号为第17层)剪力分配变化主要由于核心筒墙转柱引起，其余局部曲线变化是由避难层层高变化及墙柱截面、混凝土强度变化引起。

4.2 跨层柱分析

由于建筑效果和使用空间的需要，A座塔楼存在5根2层通高(11.95 m)跃层柱。跃层柱构件约束条件较复杂，不同于规范公式的理想状态，需要对其进行专门分析，确定其计算长度。

具体采用方法如下：

通过欧拉公式确定构件的临界承载力Pcr，反推出构件的等效计算长度Le[1]。

欧拉承载力公式：

计算长度公式:

目前工程中确定临界屈曲承载力的计算方法主要有：整体法、局部法、独立构件法等。本工程采用整体法求解临界屈曲荷载。

本项目采用SP2000软件，以1.0恒载(含结构自重)+1.0活荷载工况作为屈曲分析每步加载值，计算整体结构的线性屈曲。经计算，整体屈曲临界荷载系数大于10，整体结构安全可靠。

底层柱是结构的重要部分，其稳定性直接影响到结构的整体稳定，因此其稳定性应得到保证。在第8阶底层跃层柱发生屈曲，见图6。底层柱整体计算长度系数计算表见表3。

表3 底层柱整体计算长度系数计算表

其计算长度系数u=0.49，小于按规范要求选取的计算长度系数1.00。采用规范数值1.00，此处柱计算长度系数偏安全。施工时，在构造上予以加强，在与跨层柱相交位置，框架梁顶筋和底筋通长配筋，防止跨层柱屈服时梁不能传递竖向力而引起连续倒塌。

4.3 墙转柱节点专项分析

在建筑17层，存在墙转柱节点。核心筒局部墙由600 mm厚墙变为两根700 mm×1 800 mm柱(KZ1,KZ2)。框架柱内设钢骨1 400×200×60×60Q390，并向下延伸一层至16层楼面，同时17层墙厚加厚至700 mm(Q2,Q3)，L17层顶底墙内设700 mm×750 mm暗梁[2]。节点分析采用ABAQUS软件进行分析，模型如图7所示。

经过组合分析可知，在1.2D+1.4L组合工况下柱轴力最大，应力图如图8，图9所示。

由图8，图9可以看出：柱底应力存在集中，柱底应力最大，柱墙相交处墙应力扩散明显。与端柱相交部位的墙体应力为22 MPa左右，其他部分应力在0.1 MPa～19 MPa；型钢最大应力148 MPa出现在柱根部，远小于310 MPa限值。KZ1的截面1处的轴力为20 700 kN，截面2处的轴力为15 300 kN，截面3处的轴力为5 900 kN，根据这3个截面的轴力可以看出上部柱的轴力往墙体扩散，截面3处扩散程度为71.5%，截面1处的混凝土承载力为34 650 kN。上柱应力水平较高，墙上起柱的柱根部位应力集中明显，在施工图阶段此处需要进行构造上的加强。

4.4 墙转柱楼板应力分析

A座塔楼核心筒在17层收进，墙转柱，墙柱剪力分配存在突变，而剪力主要通过楼面梁板完成外框架柱与剪力墙间的传递。本工程采用ETABS2016软件进行中震不屈服工况下楼板的应力分析，考察17层,18层楼板的应力状况，并作出相应的加强。应力分析结果如图10，图11所示。

由图10，图11知，16层～18层两个方向的绝大部分楼板单位长度轴拉力小于200 N/mm(100 mm板厚，200/100=2 MPa)，240 N/mm(120板厚，240/120=2 MPa),300 N/mm(150板厚，300/150=2 MPa)，满足上述条件时相当于楼板拉应力小于楼板混凝土(C30)的抗拉强度标准值(2.01 MPa)。局部楼板较大拉应力值(大于2.0 MPa)，主要集中在核心筒四周边角部位及核心筒内连接楼板、17层墙转柱处楼板等位置。对此部分的楼板，将采取加大配筋，并按拉力计算配筋。17层墙转柱处周边单位长度轴拉力最大值为500 N/mm，配筋率500/150/400=0.83%，即墙转柱处周边楼板以全截面附加0.83%的配筋率。

4.5 错层模型与并层模型对比分析

A座塔楼在3层～5层存在错层，错层模型如图12所示，并层模型为把虚线框中两层并成一层，如图13所示。

分析结果表明：

1)错层模型与并层模型在整体指标上差别很小。前三周期分别为：错层(T1：4.770，T2：4.247，T3：3.628)，并层(T1：4.772，T2：4.204，T3：3.621)。基底总剪力分别为：错层(VX：13 877 kN,VY:14 461 kN)，并层(VX：13 523 kN,VY:14 411 kN)。最大层间位移角：错层(X：1/841,Y：1/849)，并层(X：1/840,Y：1/847)。

2)错层区域外框与核心筒间的剪力分配上有略微变化，这是由于错层后，层高变化引起了外框的刚度变化，进而影响了外框与核心筒间剪力的分配，尤其是外框柱的剪力变化较大，变化值在5%～100%。

3)基于以上分析，施工图设计时应按实际模型计算，同时加强错层区域竖向构件抗震构造，按特一级构造。

4.6 大震动力弹塑性分析

本工程采用PKPM软件导入SAUSAGE软件进行动力弹塑性分析，直接读取PKPM配筋结果。

4.6.1 整体指标分析结果

1)在大震作用下结构最大顶点位移X向为0.78 m，Y向为0.73 m；最大层间位移角X向为1/134，Y向为1/150，满足1/100的规范要求，并满足“大震不倒”的设防要求。

2)各条地震波在相同方向的层间位移角曲线规律基本一致。

3)弹塑性的层间位移角曲线跟小震弹性层间位移角曲线规律基本一致。

4)大震作用下，弹性分析的最大剪力为小震弹性时程分析结果的3.62倍～5.70倍，属于正常范围。

4.6.2 错层位置及核心筒墙转柱处楼层损伤表现

地震波作用下错层结构构件性能状态及16层、17层结构构件性能状态分别如图14,图15所示。

由上述计算结果可知：地震波作用下，结构错层所在楼层，皆表现为框架梁轻度损坏、连梁重度损坏而剪力墙一般只发生轻度受压损伤，框架柱表现为无损伤；在剪力墙转柱楼层，剪力墙部分达到轻度损坏，部分框架梁达中度损坏，连梁重度损坏，达到规范的性能水准要求。在施工图设计时，对于墙转柱处剪力墙配筋，采取墙肢加型钢等措施给予加强。

5 结论

仁恒梦恒广场项目A座塔楼结构从方案到初步设计历时半年，经过项目组的多次分析论证，于2019年3月26日通过深圳市抗震设防专项审查[3]。

1)结构的各项控制性指标满足相关规范要求。

2)17层处核心筒墙转柱，地震作用下，核心筒和外框架柱的剪力分配存在突变，楼板应力增大，需加强楼板配筋。

3)17层墙转柱节点有限元分析表明，采用柱在墙内延伸一层，17层墙顶底设置暗梁的构造，改善了墙的受力性能，提高了结构的安全性。

4)大震动力弹塑性分析表明，墙转柱处剪力墙达到轻度损坏，应适当提高该处剪力墙配筋率。