某高烈度区内筒超大高宽比的超高层结构设计

梁立 李邈 刘璇

某高烈度区内筒超大高宽比的超高层结构设计

梁立 李邈*刘璇

（四川中泰联合设计股份有限公司，成都 610000）

昆明璀璨栖悦商务中心1#楼房屋高度148.550 m，属超B级高度的超限结构。由于其内筒高宽比达21，采用盈建科和ETABS两种软件进行了弹性计算，对结构选型进行了比较分析，最终选用抗震性能更好的框架-剪力墙结构。按照设定的性能目标，对结构进行弹性计算、中震验算，并采用Sausage软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析，根据分析结果，采取了有针对性的加强措施。

高烈度区， 超限结构， 大内筒高宽比， 框架-剪力墙， 性能设计， 加强措施

1 工程概况

昆明璀璨栖悦商务中心位于云南省昆明市官渡区，地上主要由2栋高层及配套商业组成。本子项为1号楼，地上35层，地下2层，平面尺寸约为48.7 m×25.5 m的矩形，建筑高宽比为5.8，内筒高宽比为21，房屋高度为148.550 m，为超B级高度超限高层建筑。建筑首层层高为5.4 m，2～33层为办公，层高为4.5 m，其中11层、22层为避难层，层高分别为3.6 m和4.2 m，其建筑的效果图如图1所示，建筑标准层如图2所示。

结构设计使用年限为50年，结构安全等级二级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2，抗震设防类别为标准设防类，建筑场地类别为Ⅲ类，地震分组为第三组。50年重现期基本风压为0.3 kN/m2，位移计算按照基本风压0.3 kN/m2采用，承载力计算按照基本风压的1.1倍采用。

图1　建筑效果图

图2　建筑标准层

2 结构方案选型

建筑平面呈简单规则矩形，建筑高宽比为5.8，依据使用功能，结构类型初步定为框架-核心筒。由于向内筒高宽比达21，所以加强向侧向刚度是本项目关键，当不能满足要求时，可借用避难层（11层、22层）设置加强层以增强向刚度。以伸臂桁架和腰桁架的是否设置为设计变量（加强层布置如图3所示），结构周期、层间位移角及顶点位移指标如表1所示。

图3　加强层布置图

表1　 模型主要参数对比

由以上计算结果可以看出，由于内筒高宽比过大，即使在避难层设置加强层的情况下，侧向刚度仍然难以满足规范要求；且中震下底部部分墙肢全截面的平均名义拉应力为混凝土抗拉强度标准值的8～10倍，因此判断框架-核心筒这种结构类型不适合本项目，最终根据建筑的使用功能，本工程采用框架-剪力墙结构，标准层结构平面布置如图4所示。

图4　标准层结构布置图

3 基础选型

3.1　地质条件

根据地勘报告，拟建场地所处区域属于滇中高原昆明断陷湖积盆地，场地整体较为平坦开阔，地貌类型属于河流冲积地貌，拟建场地高程介于1 890.2～1 892.5 m，相对高差约2.3 m。各图层分布及物理力学性质见表2。

表2　 土层分布及主要力学指标

3.2　基础设计

本工程为超高层建筑，荷载大，主楼基础采用桩筏基础，桩端持力层为⑦1黏土，为摩擦桩。抗压桩采用旋挖成孔灌注桩，桩径为800 mm，桩身混凝土强度等级C45，单桩竖向抗压承载力特征值为6 000 kN；有效桩长60 m，筏板厚度2.3 m（核心筒区域2.9 m），布桩方式为核心筒筏板下均匀布置、柱下为多桩承台布置，基础布置图如图5所示。

图5　基础布置图

4 结构超限情况及性能目标

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）［1］（简称《高规》）和《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）（简称超限审查要点）有关规定，本工程房屋高度为148.55 m，超过B级高度限值100 m，超过规范限值23.8%。为保证结构有足够的抗扭刚度，应控制结构在偶然偏心下最大位移比均不大于1.2。根据结构整体分析结果，第一、二自振周期均为平动周期，第一扭转振型与第一平动振型周期比为0.76，满足《高规》对周期比的要求［2］，说明结构体型较好，具有很大的抗扭刚度。通过计算分析，本结构无明显软弱层和薄弱层。

为实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计目标，提高结构的抗震安全度，本工程对抗侧力结构进行性能化设计，按照《高规》性能目标设定为D级，关键构件抗剪性能提为性能C，各水准地震作用下的性能水准及结构构件的性能目标如表3所示。

表3　 结构及构件抗震性能水准

5 多遇地震弹性计算分析

采用盈建科软件对结构进行多遇地震及风荷载下的整体计算，计算结果见表4，由表4可知，多遇地震作用和风荷载作用下层间位移角均满足规范关于框架-剪力墙结构1/800的要求［2］，为地震作用控制。在规定的水平力作用下，结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值，方向为41.7%，方向为16.8%，故判断为框架-剪力墙结构。

表4　 多遇地震及风荷载作用下结构整体指标计算结果对比

5.1　振型分解反应谱计算

采用盈建科和ETABS软件对结构进行弹性整体分析对比，计算时采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法（CQC法），计算结果见表5。由表5可知，两种软件的各项计算结果均满足规范各项指标的要求，在结构自振周期、层间位移角和基底剪力等方面两种软件计算结果接近，表明计算结果合理、可靠。

从结构自振周期可以看出，结构具有较强的抗扭刚度，在偶然偏心地震作用下，最大扭转位移比均控制在1.2以内，说明结构布置较为均匀合理，能较好地控制结构在地震作用下的扭转效应。

表5　 CQC法计算结果比较

5.2　多道防线分析

本结构应设计为由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙组成的双重抗侧力体系。根据《高规》8.1.4条，框架部分需进行多道防线内力调整，调整框架柱的地震剪力后，框架柱端弯矩及与之相连的框架梁端弯矩、剪力进行相应调整，表6为CQC法计算典型计算剪力大小及相应位置。

表6　 0.2V0与1.5Vf，max计算结果

根据楼层地震剪力与0.20、1.5f，max曲线（图6、图7）：方向框架剪力在27层以上时小于0.20，方向框架剪力全楼小于0.20，且0.20＜1.5f，max（向差别较大，向差别较小）。若按《高规》要求，则向框架剪力仅27层以上调整，向框架剪力全楼调整，调整后的框架剪力均为0.20，此方式的调整对向楼层调整较少且未体现对关键区域进行重点加强。由于楼层剪力曲线呈平滑的阶梯形，且23层以上向楼层剪力已经小于1.5f，max，考虑到经济性因素以及实际楼层剪力分布，本工程框架部分地震剪力调整分三段进行调整，此方式既体现“二道防线”的规范内核并对关键部位进行重点加强，如图6、图7所示。

第一段：1～11层为关键部位应进行重点加强，故框架地震剪力按0.20和1.5f，max的较大值调整。

第二段：12～22层为过渡层，框架地震剪力按0.20和1.5f，max的平均值调整。

第三段：23～33层的框架柱轴压比较小，延性较好，按规范执行，即框架地震剪力按0.20和1.5f，max的较小值调整。

根据强柱弱梁以及大震弹塑性时程分析的结果，框架梁均按0.20、1.5f，max较小值调整。

图6　X方向楼层地震剪力与0.2V0、1.5Vf，max曲线

图7　Y方向楼层地震剪力与0.2V0、1.5Vf，max曲线

Fig 7Comparison of storey shear force indirection with 0.20and 1.5f，max

5.3　弹性时程计算

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（简称《抗规》）第5.1.2条规定，本工程选用1条人工波（user1）和2条天然波（user2、user3），采用盈建科软件进行弹性时程分析。多条地震波的平均地震影响系数曲线与CQC法所作用的地震影响系数曲线相比，在对应结构主要振型的周期点上相差不大于20%。每条地震波计算所得基底剪力均大于CQC法计算结果的65%，3条地震波计算所得的结构基底剪力平均值也大于CQC法计算结果的80%［3］，详见表7，因此，所选地震波满足《抗规》要求。25层及以上楼层时程分析法计算所得地震剪力大于CQC法的计算剪力，故按时程最大值与CQC进行包络设计。

表7　 基底剪力计算结果

6 设防地震计算分析

设防地震计算采用等效弹性反应谱法，结构各项计算参数详表8。

表8　 设防地震等效反应谱参数

注：本表中相应参数均参考《高规》3.11.3条条文说明。

7 性能目标具体实现

按照设定的抗震性能目标要求，设防地震下竖向构件应满足以下要求，详见表9。

（1） 底部加强区竖向构件取中震抗剪弹性、抗弯不屈服与小震结果包络设计配筋。

（2） 一般部位竖向构件取中震抗剪不屈服与小震结果包络设计配筋。

7.1　竖向构件拉力验算

考察竖向构件在中震作用下的受拉情况，提取结构底部剪力墙及框架柱在中震双向水平地震作用下恒载、活载及地震工况下的轴向力，根据组合值NK=NE+（ND+0.5NL）正负进行判定，设其拉为正、压为负，验算结果如图8所示（限于篇幅，本文仅列出受拉值较大的墙肢，墙肢编号详图4）［3］：

图8　中震作用下墙肢名义应力

由图8可知，Q1～Q4底层最大拉应力为5.45 MPa>tk，则考虑墙肢拉力全面由型钢承担，根据公式a=/ak计算型钢面积，并在相应部位设置型钢分担拉力，保证墙肢混凝土拉应力小于2.85 MPa。

8 罕遇地震弹塑性动力时程分析

本工程采用PKPM-SAUSAGE软件对结构进行了罕遇地震下的弹塑性动力时程分析并评估其抗震性能。选取2组天然地震波记录和1组人工波记录按主方向：次方向=1∶0.85双向输入，地震波峰值加速度取400 cm/s2。

结构在罕遇地震作用下层间位移角及顶点位移最大值见表10。由表10可知，结构最大层间位移角满足规范关于框架-剪力墙结构弹塑性变性能力不大于1/100的要求。计算得到的弹塑性位移曲线比较光滑，弹塑性层间位移角曲线总体光滑，无明显突变，结构无薄弱层。

表10　 大震作用下最大层间位移角

罕遇地震作用下结构基底剪力与小震作用下结构基底剪力对比见表11。由表11可知，罕遇地震作用下的结构基底剪力大概是小震的2.7～3.8倍，结构部分进入弹塑性。

表11　 大震与小震基底剪力比值

注：为大震时程分析下的基底剪力；0为小震时程分析下的剪力。

图9　墙肢混凝土受压损伤

PKPM-SAUSAGE计算结果显示，通过在核心筒剪力墙合理开洞形成连梁，连梁在大震下损伤耗能效果明显，从而保护了主承重墙肢。剪力墙单元受拉损伤主要集中结构底部加强区，但钢筋均未达到其屈服应变；剪力墙单元受压损伤主要集中在结构底部加强区，混凝土最大压应变可达0.002；框架柱均为弹性状态，说明核心筒进入塑性后外框架可以起到抗震第二道防线的作用。本结构抗震性能良好，结构在罕遇地震作用的震后性能状况达到主承重剪力墙、框架柱轻微损坏，能满足预期的性能目标。

9 结构加强措施

本工程为框架-剪力墙结构，平面及竖向均较规则，结构高度148.55 m，超出B级适用高度限值23.8%。因此，本结构除按照规范要求进行设计外，还针对超限项目采取以下加强措施：

（1） 根据结构布置，设计时同时满足框架-核心筒体系的构造措施；为保证结构框架二道防线的实现，对框架柱的剪力进行分段调整，相较于规范要求，有所加强。

（2） 严格控制框架柱轴压比小于0.65（规范限值0.7），底部剪力墙轴压比小于0.45（规范限值0.5）；提高底部加强区范围框架柱抗震等级至特一级。

（3） 严格控制竖向构件承载力变化位置，且在每次变化位置，设置过渡层或加强其配筋，避免刚度突变。

（4） 对中震下存在小偏拉的墙体，在满足特一级构造的基础上，增加边缘构件纵筋配筋率，约束边缘构件纵向最小构造配筋率为1.6%，构造边缘构件纵向配筋率为1.4%。

（5） 底部加强区竖向构件即按中震抗剪弹性、抗弯不屈服及大震抗剪不屈服的性能目标进行分析验算，并将中震抗剪弹性、抗弯不屈服，大震抗剪不屈服与小震结果包络设计。

（6） 核心筒外围连梁均采用交叉暗撑。

10 结 语

本工程属高度超限建筑，平面及竖向较为规则，根据建筑使用功能，通过结构方案比选，采用框架-剪力墙结构。采用了YJK、ETABS等多个软件对其进行了竖向荷载、风荷载、地震作用下的弹性计算，并采用了SAUSAGE对其进行了罕遇地震作用下的弹塑性动力分析。根据上述分析结果，针对超限采取了一些针对性加强措施。分析结果表明：该结果抗震性能良好，能够满足既定的抗震性能目标。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ-3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.JGJ-3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2011.（in Chinese）

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］.2016年版.北京：中国建筑工业出版社，2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.2016 Edition.Beijing：China Architecture and Building Press，2010．（in Chinese）

［3］璀璨栖悦商务中心（KCGD2018-20-A1号地块）1#楼抗震设计可行性论证报告 ［R］.成都：四川中泰联合设计股份有限公司，2020.

Feasibility study report of The tower 1 of Cuican Qiyue Business Center（Block KCGD2018-20-A1） for seismic design［R］.Chengdu：Sichuan Zhongtai United Design Co，2020.（in Chinese）

Design of Super High-Rise Structure with a Super High Aspect Ratio of Tube in a High Intensity Areas

LIANGLi LIMiao*LIUXuan

（Sichuan Zhongtai United Design Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China）

The tower 1 of Cuican Qiyue Business Center，148.550 m， is a super class B high-rise building in Kunming city. Considering aspect ratio of the core-tube exceeds 21，much beyond the code limit value， elastic analysis of the structure is calculated by YJK and ETABS. By comparing the calculation results of seismic capacity， frame-shear-wall with better seismic performance was selected.According to design performance goals， the structure was performed elastic analysis under frequent and medium earthquakes and dynamic elastoplastic analysis under rare earthquakes using Sausage.Based on the results of above analysis， targeted strengthening measures are taken to ensure seismic performance of the structure.

high intensity area， ultra-limit high-rise building， super height-width ratio of core wall， frame shear wall， performance-based seismic design， strengthening measures

2021-01-29

梁 立，学士，高级工程师，一级注册结构工程师。E-mail： liangli@ccddesign.com.cn；

联系作者：李 邈，硕士，工程师，一级注册结构工程师。E-mail：303362060@qq.com。