某八度区超高层的结构设计

戴 琳，王宇轩

(1.汉嘉设计集团股份有限公司，浙江 杭州 310005； 2.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310005)

1 工程概况

本项目位于陕西省西咸新区沣西新城内，处于城乡发展结合区。基地内场地趋于平坦，场地微高差。 区位条件优越，交通便捷，有着显著的地域重要性。本项目以数据中心为主体功能，融入办公、酒店、餐饮、配套商业、配套运动设施等多功能配置。

本项目用地分南北两个地块，南地块为一期，用地面积69 771 m2，北地块为二期，用地面积51 693 m2。本文所述2栋超限高层建筑均位于南地块。

南地块总体布局为：地块东侧沿白马河路布置1号楼(科研中心塔楼及配套裙房)，南侧沿康定路布置2号楼(2号楼塔楼及配套裙房)，北侧布置3号、4号、5号楼(数据中心A栋、柴发楼、数据中心B栋)；东南转角部位设置形象入口广场；西南角设置绿化休闲公园；地下设置二层地下室(主要功能为停车库、设备用房及配套设施)。1号楼、2号楼与配套裙房之间采用双排柱设缝脱开，3号楼与1号楼之间的连廊采用双面悬挑设缝脱开。南地块总平面图详见图1。其中，1号楼塔楼(31F)和2号楼塔楼(31F)为本文所论述的超限高层建筑。

2 结构体系

2.1 结构布置

2号楼塔楼和1号楼塔楼平面均为正方形，从首层至屋顶层各层平面外轮廓尺寸均保持不变。根据建筑功能要求，均采用外框柱+核心筒的平面结构布置形式，核心筒在X，Y两方向上均为居中。核心筒从首层至屋顶层连续。

2号楼塔楼标准层主梁布置原则为：尽量与隔墙对齐，但为避免部分主梁支承在核心筒连梁或另一方向主梁上，部分主梁改为斜向布置，直接支承在核心筒剪力墙上。次梁均按照与隔墙对齐的原则布置。1号楼塔楼标准层主梁均拉结外框柱和核心筒。四角次梁为斜向布置，其余区域均沿柱网长向布置单向双次梁。2号楼塔楼标准层典型板厚120 mm，1号楼塔楼标准层典型板厚110 mm。

2号楼塔楼和1号楼塔楼标准层平面结构尺寸及梁布置见图2，图3。

2号楼塔楼层高分布如下：1层～4层层高5 700，5层为设备转换层(层高3 550)，11层、22层为避难层(层高5 250)，顶层(31层)层高4 900，其余标准层层高均为4 200，屋顶高度138.3 m(至室内地坪)、138.6 m(至室外地坪)。

1号楼塔楼层高分布如下：1层～4层层高5 700，11层、22层为避难层(层高5 250)，顶层(31层)层高5 250，其余标准层层高均为4 200，屋顶高度139.3 m(至室内地坪)、139.6 m(至室外地坪)。

因建筑高度较高，地震力较大，决定核心筒外墙厚度、框架柱截面尺寸的主要控制因素均为抗侧刚度，即地震力作用下的层间位移角控制，而墙、柱的轴压比均有一定的余量。

以2号楼塔楼为例，竖向构件按以下原则收小截面，1号楼塔楼与2号楼塔楼类似：

1)5层层高较小，是侧向刚度突然增加的楼层，为减小该突变，竖向构件收截面的第1个分界面选在5层楼面。

2)11层层高较高，是侧向刚度突然减小的楼层，为减小该突变，竖向构件收截面的第2个分界面选在12层楼面。

3)22层层高较高，是侧向刚度突然减小的楼层，为减小该突变，竖向构件收截面的第3个分界面选在23层楼面。

4)竖向构件收截面的第4个分界面选在28层楼面。

2号楼塔楼、1号楼塔楼的嵌固端均选在一层楼面，即地下室顶板位置。相关范围取塔楼外侧竖向构件外扩3跨的范围。嵌固端板厚不小于180 mm，采用双层双向配筋，配筋率均不小于0.25%。根据《高规》5.3.7条，当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下1层与首层侧向刚度比不宜小于2。2号楼塔楼、1号楼塔楼的地下1层与首层侧向刚度比均满足规范要求。

2.2 超限情况与对策

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[1]3.3.1节规定，8度区(0.20g)A级高度钢筋混凝土框架-核心筒高层建筑的适用高度为100 m，B级高度钢筋混凝土框架-核心筒高层建筑的适用高度为140 m，本项目2号楼塔楼和1号楼塔楼屋顶高度为138.6 m和139.6 m(至室外地坪)，超过A级高度限值，属于高度超限工程，但不超过B级高度限值。考虑偶然偏心的扭转位移比计算值，2号楼塔楼为1.26，1号楼塔楼为1.27，均超过1.2，但不超过1.4，且均为少数个别楼层，属于1项一般不规则，不属于特别不规则。1号楼塔楼在1层～2层北侧由于楼板缺失，局部共6根框架柱形成穿层柱(2层，共11.4 m高)。属于1项一般不规则，不属于特别不规则。

针对高度超A级限值但小于B级限值，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》3.9.4条，按B级高度确定构件的抗震等级为：框架一级、核心筒特一级。除按规范要求进行构件设计外，尚采取了以下措施予以加强：

1)剪力墙底部加强区范围根据《高层建筑混凝土结构技术规程》7.1.4条，取底部2层和1/10总高度的较大值，实际取至4层楼面标高(17.050)，并向下延伸至基础。

2)本项目2栋超高层主楼下均设两层地下室，地下室连为一体，以地下室顶板作为上部结构的嵌固端。主楼竖向构件抗震等级在地下室范围内均不降低。

3)约束边缘构件延伸向上延伸至底部加强区以上3层，即7层楼面；核心筒四角约束边缘构件全高设置。

4)外框柱轴压比限值按边柱0.70、角柱0.65控制(规范限值为0.75，层高较小之部分楼层柱剪跨比小于2，但不小于1.5，规范限值降低为0.70)。

1号、2号楼塔楼扭转位移比超限，但超出不多，且超限层数很少。针对此项不规则，采用以下措施予以加强：

1)在计算中考虑平扭耦联效应。

2)外框柱轴压比限值按边柱0.70、角柱0.65控制。

1号塔楼因局部楼板缺失而形成的穿层柱(1层～2层，共6根)。因柱截面较大，虽然长度较长，但长细比并不大，且柱轴压比本身较小(0.50左右)。针对此项不规则，采取了以下措施予以加强：

1)穿层柱箍筋全高加密。2)穿层柱按本楼层其他非穿层柱的平均剪力设计值放大1.2倍进行设计。

根据超限条款分析结果，2号楼塔楼、1号楼塔楼均只有高度超限，而规则性不超限。根据规范规定，可不进行性能化设计。

3 结构计算

3.1 静力弹性分析

2号楼塔楼、1号楼塔楼的静力弹性分析，均选用SATWE和ETABS两种软件进行计算，并将主要计算结果进行对比以判别计算的正确性。

2号楼塔楼、1号楼塔楼的总质量计算结果误差率，2号楼塔楼为0%，1号楼塔楼为2%，可以认为计算结果准确可信。

2号楼塔楼、1号楼塔楼的前3阶振型周期及扭转周期比的对比详见表1，表2。从图表中可以看出，两种软件计算的各阶振型趋势相同，第一周期计算结果误差率为：2号楼塔楼0.9%，1号楼塔楼0.3%，可以认为周期计算结果基本准确可信。

表1 2号楼塔楼(酒店)前3阶振型周期对比

表2 1号楼塔楼(科研办公)前3阶振型周期对比

扭转周期比结果均不大于0.85，满足规范限值要求(《高规》3.4.5条)。

2号楼塔楼多遇地震作用下的层间位移角两个软件计算结果趋势比较接近，且均满足规范限值1/800的要求。2号楼塔楼、1号楼塔楼在偶然偏心地震力作用下的扭转位移比SATWE计算结果个别楼层的扭转位移比超过1.2(《高规》3.4.5条规定不宜超过)，但不超过1.4(《高规》3.4.5条规定不应超过)。

根据2.2章所述，针对超限情况，本工程外框柱轴压比限值按边柱0.70、角柱0.65控制(规范限值为0.75)。核心筒剪力墙轴压比限值，根据《高规》7.2.13条，取为0.5，实际墙肢计算轴压比均小于0.4。从计算结果可以看出，轴压比分布均匀合理，且均满足前述超限应对措施中的轴压比限值要求[2]。

3.2 静力推覆分析

计算软件选择PKPM系列软件中的“静力推覆分析”模块。大震静力推覆分析的主要目的是：

1)检验结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形，控制层间弹塑性层间位移角小于规范限值(框架-核心筒结构为1/100)。

2)对罕遇地震作用下结构的抗倒塌能力进行判断。

3)了解结构塑性铰的形成规律，针对性地优化结构布置。

表3 推覆主要结果汇总

从变形和损伤图中可以看出：

1)大震作用下，核心筒墙肢和连梁上均出现了不同程度的损伤。损伤程度主要为LS级和CP级，部分损伤达到D级甚至E级(主要是与连梁相连处)，但比例不大。下部楼层墙肢损伤程度接近CP级，上部楼层墙肢损伤程度接近LS级。可以认为大震下核心筒剪力墙有一定程度的损坏。

2)大震作用下，框架梁、柱上均出现了不同程度的塑性铰。框架梁上出现了大量塑性铰，下部到中部楼层的塑性铰达到D级甚至E级。框架柱上出现的塑性铰较少，且程度较轻，不超过LS级。可以认为框架柱均保持得较为完好，能够起到二道防线的作用，确保“大震不倒”。

3.3 特殊构件和部位的专门分析

1)核心筒墙肢中震拉应力分析。

《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中规定:“中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用《高规》中规定的特一级构造。中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力，且平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值(可按弹性模量换算考虑型钢和钢板的作用)，全截面型钢和钢板的含钢率超过2.5%时可按比例适当放松。”

根据计算可知，中震作用下，核心筒外墙会出现较大的拉力，核心筒内墙不出现拉力或拉力较小。底层的拉力较大，随着层数的增加，拉力迅速减小。因此，最不利的部位为底层核心筒外墙。

中震作用下，核心筒外墙墙肢的拉力和轴拉比计算结果详见图4，图5。

对于实验设定如下评判标准：（1）注重荷载-沉降曲线观察，确定承载力陡降的同时，查看位移传感器的显示数据，确认总沉降量是否大于40mm；（2）基础桩因受承载过大已经发生破坏，且破坏仍在不断增加；（3）针对桩长超过25m的基础桩，其荷载-沉降曲线缓慢变形的阶段尚未出现；（4）实验中，若发生下一次的沉降量是本次沉降量的2倍且此状态还在持续，则表明基础桩荷载受力还未稳定；（5）实验中加载的最大荷载大于设计单桩承载力的2倍是实验数据有效的基础，若施加荷载不够，则实验无效。

从计算结果可知，四角外墙平均拉应力普遍超过1倍混凝土抗拉强度标准值，但平均拉应力均未超过2倍混凝土抗拉强度标准值，满足规范要求[3]。在外墙中预埋型钢，型钢截面积按能够承担全部拉力来配置。

2)1号楼塔楼(科研办公)2层楼板中震拉应力分析。

1号楼塔楼(科研办公)2层北侧楼板局部开大洞口，Y向开洞尺寸占尺寸的38%，开洞面积占总面积的29%，均不超过规范限值(尺寸限值50%，面积限值30%)。但由于楼板不连续，在水平地震作用下，楼板可能出现较明显的应力集中。因此该层楼板加厚至120，并采用YJK对中震下的楼板应力进行了分析。

计算结果中，X向、Y向中震作用下的楼板拉应力峰值约2.4 MPa，集中在核心筒的角部。按每延米计算，楼板中的最大拉力数值约138 kN/m，换算成受拉钢筋，面积约为399 mm2/m。

考虑在楼板中额外配置钢筋以承受该拉应力，额外配筋约需要Φ8@250双层(实配As=402 mm2/m)。

3)1号楼塔楼(科研办公)2层楼板大震剪力分析。

1号楼塔楼(科研办公)2层北侧楼板局部开大洞口。采用YJK对大震下的楼板剪力进行了分析，分析结果如图6所示。从云图中数据可以看出，大震作用下，板中剪力最大值为336.7 kN/m。

根据《混凝土结构设计规范》6.3.1条验算受剪截面：

0.2βcfcbh0=0.2×1×16.7×120×970=388.8 kN>V，满足要求。

根据《混凝土结构设计规范》6.3.4条计算受剪所需横向钢筋：0.7×1.57×120×970+360×Asv/150×970=336 700，得：Asv=89.68 mm2。

板内需要额外配置Φ8@150双层双向的抗剪钢筋。

综合考虑计算结果，2层楼板中需额外配置的钢筋为：Φ8@150双层双向[4]。

4 结论

根据分析和计算结果，2号楼塔楼、1号楼塔楼总结如下：

1)2号楼塔楼(酒店)存在高度超A级限值，并存在扭转不规则共1条一般不规则条款，属于超限高层建筑；1号楼塔楼(科研办公)存在高度超A级限值，并存在扭转不规则、局部穿层柱(楼板缺失)不规则条款，属于超限高层建筑。

2)2号楼塔楼(酒店)、1号楼塔楼(科研办公)的弹性分析中，地震作用考虑按反应谱法和时程法的大值进行计算，风作用按规范给出的风荷载进行计算。弹性分析的结果表明，除第1条所述超限条款外，其余结构的整体指标均满足规范要求。

3)对于超限的条款均提出了有针对性的加强措施，保证了整体结构和重要构件都具有足够的安全余量。

4)进行了静力弹塑性分析以考察结构在大震作用下的塑性发展状况，证明了抗震目标能够实现。

通过以上工作，可认为本工程结构设计能够实现《建筑抗震设计规范》中“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求，结构设计是安全的。