杭州“星创城”超高层结构计算分析

1 工程概况

本项目位于杭州市余杭区良渚新城，功能为办公楼，结构地下2层，地上46层，顶部3层为幕墙构架，建筑高度为200 m，平面建筑尺寸44.40 m×43.30 m，建筑面积79 500 m2。见图1、图2。

图1 鸟瞰图

图2 塔楼透视图

本工程结构设计使用年限为50年，抗震设防类别为标准设防类，主体结构抗震等级为二级，结构安全等级为二级。根据《中国地震动参数区划图（GB 18306—2015）》，拟建场地的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05 g，根据地勘报告，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.45 s。按照《建筑结构荷载规范（GB 50009—2012）》50年一遇的基本风压为0.45 kN/m2，地面粗糙度为B类，50年一遇的基本雪压为0.45 kN/m2［1］。

2 地下室和基础

根据地勘报告，本工程桩基类型采用钻孔灌注桩，基础采用平筏基础，以满足承载力和沉降的要求。基础设计等级和桩基设计等级均为甲级，上部嵌固部位为地下室顶板。场地内潜水位埋深0.4～3.9 m，潜水位对基坑抗浮影响较大，地下室长期潮湿的环境对混凝土结构会产生微蚀性，地下室抗浮设计等级为甲级，抗浮设计水位取4.000 m。本工程钻孔灌注桩桩径800 mm，桩长不小于56 m，持力层均为⑩3中风化泥质粉砂岩，桩端进入持力层深度不小于2 m，单桩承载力特征值9 800 kN。

3 上部结构体系

本工程采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构，建筑标准平面层接近正方形，局部凹进，平面尺寸为44.4 m（X向）×43.3 m（Y向），高宽比为4.5。核心筒体连续完整，尺寸为20.15 m（X向）×17.55 m（Y向），核心筒最大高宽比为4.80。第12层、第23层、第34层作为避难层，标准层层高4.2 m，避难层层高5.1 m。标准层结构平面布置图见图3。

图3 结构平面布置

本工程地上46层，结构高200 m，如采用钢筋混凝土框架-混凝土核心筒结构不仅自重较大，梁高也因为较高而影响建筑净高，而且高度超过了钢筋混凝土结构的A级高度，属于超限结构，因此结构设计采用了自重较轻、构件截面较小且不超限的钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒组合结构。此结构具有良好的抗震承载力和变形能力，钢筋混凝土核心筒与外围钢管混凝土外框架柱协同受力，形成良好的二道防线，从而实现大震不倒的要求［2］。

4 结构计算与分析

本工程分别采用YJK和MIDAS Gen程序对结构的主要影响结果进行比对分析，相互验证。

4.1 周期对比

YJK和MIDAS Gen两种软件前3阶振型和周期见表1。由表1可见，两个程序前两阶周期为平动，第三周期为扭转，周期比最大0.65，满足《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3—2010）》（以下简称《高规》）不超过0.85的要求。

表1 周期对比

4.2 最大层间位移角

本工程建筑高度200 m，根据《高规》第3.7.3条要求，高度在150～250 m之间的高层建筑，其楼层层间最大位移与层高之比可线性插入取用，本工程经过计算为1/615。各工况下最大层间位移角见表2，各楼层弹性层间位移角曲线见图4、图5。

由表2可知，在地震作用和风荷载作用下，X、Y向最大弹性层间位移角远小于规范限值1/615的要求。由图4、图5可以看出，两种程序计算结果显示的最大层间位移角数值比较接近，且变化趋势相似。

图4 地震荷载作用下的层间位移角曲线

图5 风荷载作用下的层间位移角曲线

表2 最大层间位移角对比

4.3 楼层刚度比

根据《高规》3.5.2条规定，对于框架-核心筒结构，当层高变化时刚度变化不明显，本楼层侧向刚度不宜小于上部相邻楼层的90%；当本层层高超过相邻上层层高的150%时，本楼层与上一楼层侧向刚度比值不宜小于1.1；对结构底部嵌固层，本楼层与地下室刚度比值不宜小于1.5［2］。YJK和MIDAS计算的X向和Y向刚度比见图6。从图6中可以看出，两个程序的刚度比曲线趋势相似，计算结果基本吻合。该项目本层与上一层层高比均小于1.5，层刚度比均大于规定限值0.9，且在结构底部嵌固等，刚度比大于1.5。由于地下室及顶部幕墙构架层层高变化较大，地下室顶板作为嵌固端，因此刚度比曲线存在突变［3］。

图6 侧向刚度比曲线

4.4 剪重比

对于长周期结构，加速度对结构的效应可能影响不是最大，地震动态作用中的地面运动速度和位移对结构的效应起控制作用，基于上述这点考虑，规范提出了剪重比的要求。根据《建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）》（以下简称《抗规》）第5.2.5条，要求X向和Y向楼层的最小剪重比为0.80%［3］。YJK和MIDAS对剪重比的计算结果见图7，两个程序计算结果趋势相同，数值略有偏差但在误差许可范围内。从图6中可以看出，存在少部分楼层在结构底层的剪重比不满足抗规要求的限值，对于刚度小的楼层应乘以不小于1.15的增大系数进行调整［4］。

图7 剪重比曲线

5 弹性时程分析

使用YJK计算软件进行弹性动力时程分析，将楼层位移、层间位移角和楼层剪力的结果与振型分解反应谱分析结果进行比较。根据程序地震波筛选结果选取1组人工波和2组天然波，3条波均满足《高规》规定的持续时间、有效加速度峰值、基底反力和频谱特性的要求。时程分析的结果见图8。

由图8结果显示，3条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值大于规范要求的振型分解反应谱法的80%并小于120%，每条时程曲线计算所得的结构基底剪力均大于规范要求的振型分解反应谱法的65%且不大于135%，地震波能达到规范对基底剪力的要求。从主要计算结果图中可以看出，除顶部外，CQC法的层间位移角曲线在绝大部分范围均大于3条地震波对应的平均层间位移角曲线，仅在顶部略微小于3条地震波对应的平均层间位移角曲线，说明非常有必要考虑高振型产生的鞭梢作用，结构设计对顶部楼层相关部位的构件竖向刚度进行加强，最终满足了规范要求［4］。

图8 时程分析结果

6 结语

1）通过YJK和MIDAS Gen软件计算比较分析，本工程采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构是比较合适的，两种软件经过比较计算后发现结果均能满足规范要求，这种结构也很好地满足了建筑效果和建筑使用功能的要求。见图9。

图9 北立面透视夜景

2）弹性时程分析的计算结果表明，地震作用下结构的最大层间位移角、最大层间位移和最大楼层剪力满足规范规定的要求。但顶层部分楼层层间位移角较分解反应谱法的结果偏大，应适当增加结构部分楼层的整体刚度。