某超限高层结构设计

冯东方

（广州地铁设计研究股份有限公司，广州 510000）

1 引言

随着城市化进程的不断发展，越来越多的综合交通枢纽一体化项目在大城市中拔地而起。本项目是集游客中心、长途客运中心、旅游大巴站、城市公交站、写字楼、公寓等多功能为一体的大型综合交通枢纽。本文结合项目中其中一栋超高层办公楼，对结构超限类型和程度进行分析和判断，并根据结构超限情况和相关规范要求提出相应的抗震性能目标。通过多种软件计算、对比、分析和设计，使结构主体最终达到设定的抗震性能目标，从而为今后类似工程的抗震性能化设计提供参考价值。

2 工程概况

本项目位于广州白云区，共4 栋塔楼，其中，本次超限的范围为西南地块的办公楼，如图1 所示，其南侧为旅游大巴停车场。西南塔楼地上总建筑面积为83 856 m2，地下4 层，地上共34 层（含3 层裙楼），总建筑高度148.80 m。其中4 层层高为5.63 m，避难层层高为4.35 m，其余标准层层高为4.15 m。

图1 综合交通枢纽一体化工程建设项目西地块场站综合体项目总平面

本项目民用建筑结构设计使用年限为50 年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为。抗震设防分类为乙类（标准设防类），抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g。

3 结构体系

本项目结构形式采用框架-核心筒结构，核心筒平面以及塔楼平面均为长方形，其中核心筒平面为上下对齐、尺寸不收进，结构高宽比为3.96，核心筒高宽比为10.78，均在规范限值以内。框架柱截面为1 600 mm×1 600 mm～800 mm×800 mm，剪力墙截面尺寸为200～700 mm，框架梁为500 mm×800 mm～200 mm×700 mm。塔楼标准层核心筒内板厚120 mm，核心筒外板厚为110 mm，避难层板厚120 mm，屋面层板厚130 mm。

4 整体分析

4.1 结构超限类型和程度

根据 《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）[1]和JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）对结构超限类别和程度进行判定，本工程高度超出A 级高度限值130 m，不超出B 级高度限值180 m，属于超A 级高度高层建筑，且存在扭转不规则和楼板不连续2 项不规则项[2]。

4.2 抗震性能目标

根据结构构件可靠性及重要性要求判断，本工程无关键构件，耗能构件取框架梁及连梁，竖向构件为普通的竖向构件[3]。

本结构的抗震性能目标如表1 所示，各性能水准下结构构件预期的震后性能状况如表2 所示[4]。

表1 抗震性能目标

表2 各性能水准结构预期的震后性能状况

4.3 多遇地震分析

4.3.1 振型分解反应谱分析

采用YJK 计算软件对结构进行整体弹性分析，并采用MIDAS Building 2021-Structure Master 软件对结构的整体计算指标对比分析，如表3 所示。

表3 整体计算指标对比

由表3 可见，两个软件计算的周期、振型、风荷载作用及地震作用下的最大层间位移角（＜1/600）、最大层间位移比基本一致，满足规范要求。

4.3.2 弹性时程分析

本工程采用YJK 软件进行多遇地震下主体结构的弹性时程分析补充计算，选取2 条人工波和5 条天然波进行弹性时程分析[5]。

通过弹性时程分析得出如下结论：（1）楼层位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀；（2）7 条地震波计算得到的楼层最大位移角均＜1/600，满足规范要求；（3）弹性时程分析计算的剪力平均值小于规范反应谱结果。

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由此可见，在结构弹性阶段反应谱分析结果起控制作用。但时程分析计算的局部楼层比振型分解法稍大，对这些楼层进行施工图设计时，将振型分解法的地震作用适当放大约1.1倍，使其能基本包络时程分析结果。

4.4 设防地震分析

采用YJK 软件在设防地震作用下对结构进行抗震性能验算。根据分析结果得出：（1）中震下竖向构件偏拉应力验算，框架柱未出现拉应力，均保持受压状态，符合性能水准要求。下部楼层核心筒出现受拉，以角部受拉最为严重，大部分＜1.0ftk（ftk为抗拉强度标准值），但验算均能满足规范要求，且已实施楼层（4 层以下）考虑到核心筒角部的重要性，采用加设型钢进行抗拉。（2）竖向构件均满足抗弯不屈服、抗剪弹性的性能要求。（3）耗能构件（框架梁及连梁）均达到抗剪不屈服的性能要求。（4）为保证裙楼和塔楼楼板可靠传递水平力，控制楼板板厚和最小配筋率，并根据实际情况在局部应力较大处加强楼板构造配筋，保证楼板中震抗剪不屈服的性能要求。

4.5 罕遇地震分析

4.5.1 大震动力弹塑性时程整体性能分析

本工程采用3 组地震波对结构进行大震弹塑性时程分析，其中包含1 组人工波和2 组天然波，结构建模分析采用SAUSAGE 软件，各方向模型大震最大弹塑性层间位移角及基底剪力见表4。

表4 大震弹塑性时程分析的基底剪力

结构在3 条地震波动力时程分析下的塑性损伤分布情况基本类似。由动力弹塑性分析结果可知：

1）框架柱基本处于无损坏～ 轻度损坏，核心筒剪力墙基本处于无损坏～中度损坏，满足性能水准4 的要求。

2）梁多数出现轻微损坏，部分出现重度损坏；连梁大部分出现重度及严重损坏，损伤程度大于剪力墙，连梁的耗能能力得到充分发挥，达到强墙肢、弱连梁的性能目标，耗能构件满足性能水准4 的要求。

3）结构裙房顶部、标准层、屋面层楼板基本处于无损坏～轻微损坏，满足性能水准4 的要求。

5）各组地震波作用下主体结构的弹塑性层间位移角最大值为1/101，结构的层间位移角曲线光滑、没有明显的突变，从而说明结构无明显薄弱层，符合相关规范的要求。

6）在核心筒剪力墙的塑性刚度下降后，主体结构框架仍具有足够的承载力，没有出现明显损伤，说明框架可以起到第二道防线的作用。

综上分析，结构整体抗震性能良好，与预期塑性化过程吻合。

4.5.2 大震等效弹性验算

采用YJK 进行大震等效弹性分析，依据《高规》第3.11.3条的相关公式进行竖向构件弹性大震下的受剪截面验算。本工程大震下的性能目标定为性能水准4，各层墙柱剪压比在等效弹性大震作用下均满足相关规范要求，说明在大震作用下结构竖向构件的受剪截面均能满足相关规范要求。

5 专项分析

5.1 温度分析

1）温度应力概况：裙楼顶板尺寸为37.6 m×91.1 m，塔楼标准层尺寸为38.2 m×64.0 m，分析温度作用对结构的影响，并采取相应措施。根据DBJ 15-101—2014《建筑结构荷载规范》，广州室外最高温度为35 ℃；室外最低温度为8 ℃，取±25 ℃进行温差分析。用YJK 软件针对温度应力做专项分析，考虑混凝土收缩徐变对温度作用的释放作用，取松弛系数0.3。

2）板计算结果：降温工况下楼板应力分布均匀，梁柱节点处刚域有应力集中现象，楼板最大拉应力在1.5 N/mm2以内，小于混凝土抗拉强度设计值1.57 N/mm2；楼板最大压应力在1.4 N/mm2以内，受压偏大位置位于核心筒剪力墙附近，楼板压应力小于混凝土受压强度设计值16.7 N/mm2。

升温工况作用下楼板应力分布均匀，梁柱节点处刚域存在应力集中现象，楼板最大拉应力在1.4 N/mm2以内，小于混凝土受拉强度设计值1.57 N/mm2；标准层及屋面层楼板压应力不超过1.5 N/mm2，小于混凝土受压强度设计值16.7 N/mm2。

温度力作用下楼板应力分布均匀，局部梁柱节点处刚域附近存在应力集中现象，楼板采用钢筋混凝土截面形式，通过适量的配筋满足板压拉应力的验算要求，进而可保证板在温度作用下的设计要求。

3）结论：根据以上分析，已施工的裙楼顶层楼板满足温度作用下的受力要求，标准层及屋面层楼板通过采取设置后浇带等施工措施控制温度裂缝，减轻温度应力对结构的不利影响，同时屋面层在施工图阶段梁板配筋考虑温度作用的影响，采用包络设计。从而可保证在温度作用下，结构构件满足安全性和使用性要求。

5.2 穿层柱整体稳定分析

由于建筑功能要求，需要局部开洞，分别在首层、4 层、11层形成局部的穿层柱。在有限元分析软件SAUSAGE 中，在穿层柱顶端加载计算，获得穿层柱屈曲模态，提取穿层柱屈曲临界荷载值。将屈曲临界荷载值代入欧拉公式，见式（1），计算得到穿层柱的有效长度：

式中，l 为穿层柱的几何长度；EI 为穿层柱沿屈曲方向的截面弹性抗弯刚度；Ncr为穿层柱的屈曲临界荷载[6]。

根据以上计算得到的穿层柱有效长度反算出计算长度系数，计算结果如表5 所示，均小于模型中采用的长度系数，表明在设计荷载工况下塔楼各层穿层柱均不会发生局部屈曲，原设计满足计算需求。

表5 穿层柱屈曲验算

6 结语

本工程高度超过A 级高度限值130 m，不超过B 级高度限值180 m，属于超A 级高度高层建筑，并存在扭转不规则和楼板不连续2 项不规则项。

针对上述情况，本工程着重概念设计，采用YJK、Midas Building 及SAUSAGE 等多种程序对结构进行小震、中震、大震及专项计算分析。结果表明，结构各项指标表现良好，均达到规范及设定的性能目标要求。除满足计算要求外，又从抗震构造措施方面入手，加强结构的重要部位和薄弱部位的抗震性能。因此，可以认为本工程结构满足现行规范的性能目标等级C 的设防要求，结构是可行且安全的。