保利天环花园超限工程结构设计

姚一帆

（广东海外建筑设计院有限公司，广州 510000）

1 引言

现阶段，高层建筑建设项目越来越多，在项目为了追求更完美的外形、 更舒适的内部环境以及更宽敞的使用空间的情况下，有可能就会出现超限的高层建筑。 超限建筑一般指超过规范规定的结构最大适用高度或不属于普通结构类型范围的高层建筑工程， 也包括结构体型严重不规则以及规范要求的必须通过抗震专项审查、专家论证的高层建筑工程。 对此，设计者通常利用过往的工程经验对超限建筑的抗震进行设计，再经过专家的专项审查和论证，确保这类超限高层建筑安全[1]。

2 工程概况

保利天环花园项目位于顺德区乐从镇银桂路以北、 万宁路以南地块。 总建筑面积368 886.73 m2，由15 栋塔楼、1~2 层地下室和1~2 层沿街商铺组成。上部塔楼中，超高层住宅为50层，建筑高度约147.800 m。 按GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》[2]，本项目抗震设防类别按丙类，抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.1g，本场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45 s。 基本风压为0.6 kN/m2，地面粗糙度为B 类，承载力计算时取基本风压的1.1 倍。

2.1 结构超限判别

结构高度超过A 级高度，未超过B 级高度，根据相关文件，结构存在3 项一般不规则，分别为：（1）扭转不规则。 在考虑偶然偏心地震的规定水平力工况下，结构扭转位移比＞1.2，但＜1.4。 （2）凹凸不规则。 平面凹凸尺寸超出相应边长30%。（3）局部不规则。 由于建筑使用功能的要求，上部部分墙体需要在2 层进行转换，转换墙体比例为1.7%，＜10%，属于局部转换。 因此，本项目属于房屋结构高度超限且结构体型特别不规则的高层建筑工程。

2.2 抗震性能目标

根据本工程的超限判别、结构特征和经济合理性的要求，以及JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]的规定，对抗震性能目标的划分按以下要求： 本工程建筑抗震性能目标定为C 级，即小震满足抗震性能水准1、中震满足抗震性能水准3、大震满足抗震性能水准4。

2.3 多遇地震分析结果

本工程采用SATWE 和MIDAS BUILDING 两种软件进行对比计算。

经过分析，在多遇地震及风荷载的作用下：（1）两种软件SATWE 和MIDAS BUILDING 分析的各项结果均具备相似性和规则性，说明分析模型准确。 （2）结构各项控制指标均在有效区间之内，满足规范相关要求，结构具有合适的刚度和承载力。 （3）弹性时程分析的时程波与规范反应谱在正态分布上统计相符，分析结果满足要求。 由此表明：多遇地震及风荷载作用下，各项设计控制结果均满足性能水准1 的抗震性能目标。

2.4 设防烈度地震作用分析

根据抗震性能目标， 为了判别结构在设防烈度地震作用下抵抗地震力的性能， 对本工程进行中震弹性及中震不屈服计算分析。

2.4.1 基底剪力对比

中震与小震基底剪力之比在2.8 左右，由此表明：中震地震作用量级合理，设计参数正确。

2.4.2 剪力墙受弯验算

根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》要求，取地下2~4 层为约束边缘构件，5 层~ 屋面层为构造边缘构件。 小震时剪力墙边缘构件及墙身配筋均为构造配筋，因此，进行中震剪力墙受弯验算时，取墙身配筋为0.25%，约束边缘构件纵筋配筋率为1.2%，构造边缘构件配筋率为0.9%。

取典型墙肢直墙段，利用XTRACT 软件对墙身进行受弯验算，均满足规范规定。

2.4.3 剪力墙受剪验算

按JGJ 3—2010 《高层建筑混凝土结构技术规程》7.2.7 对剪力墙剪压比和受剪承载力进行验算。 结果表明，作为关键构件的底部加强区剪力墙墙肢剪压比及受剪承载力均满足中震弹性的性能目标， 普通竖向构件的非底部加强区剪力墙的相关计算结果也均满足中震不屈服的性能目标。

2.4.4 剪力墙受拉验算

墙肢名义拉应力为截面轴力与截面面积的比值， 即截面的平均拉应力。 中震不屈服工况下墙肢分析结果显示，仅底部和顶部少量墙肢出现拉应力，其他墙肢均未出现拉应力。 受拉墙肢中最大轴拉比＜2，表示墙肢轴拉力＜2ftk（ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值），表明剪力墙受拉满足中震不屈服验算。

2.4.5 框架梁与连梁受弯、受剪验算

SATWE 中震不屈服分析结果显示，多数框架梁和连梁满足中震抗弯不屈服，仅局部构件在局部楼层出现受弯屈服，所有层的框架梁和连梁均未出现抗剪屈服。 施工图阶段按小震和中震的包络值进行设计，能够满足框架梁、连梁预定的性能指标。

2.4.6 设防烈度地震分析结论

综上分析，在设防烈度地震作用下：（1）中震与小震基底剪力之比约为2.8，表明地震作用数量级合理。 （2）剪力墙的底部加强区均满足受弯不屈服，受剪为弹性；非底部加强区满足受剪与受弯不屈服。 仅底部和顶部少量墙肢出现拉应力，名义拉应力＜2ftk。（3）连梁、框架梁少量出现受弯屈服，但受剪不屈服，满足预定性能目标。 个别连梁通过采取加设交叉斜筋的加强措施满足规范剪压比限值要求。 由此表明，各项设计控制结果在中震作用的情况下，均达到性能水准3 的抗震性能目标。

3 罕遇地震下动力弹塑性时程分析

JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中5.1.13 条规定 “B 级高度的高层建筑、混合结构和复杂高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算”。 本工程的结构高度超过了JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.3.1-2 中B 级最大适用高度,属于一般不规则结构，有必要了解结构在罕遇地震作用下的性态。

3.1 分析模型与参数选取

本工程选用了MIDAS BUILDING 系列软件中的结构大师软件（STRUCTURE MASTER 2014）进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。

本工程进行弹塑性时程分析时， 从弹性时程分析的地震动波形中选用了地震动响应与本工程相接近的两条记录波DZ1、DZ3 及人工模拟波RG1。 地震波的加载采用双向加载。

3.2 计算结果分析

3.2.1 基底剪力

动力弹塑性基底剪力与小震弹性时程分析基底剪力之比为3.61~4.73，表明动力弹塑性分析基底剪力数量级合理。动力弹塑性分析基底剪力与大震弹性时程分析基底剪力比值在0.58~0.76，表明地震能量得到有效耗散。

3.2.2 层间位移角

各工况下楼层最大层间位移角均满足1/120 的限值。表明结构在罕遇地震作用下仍具有足够的刚度，大震不倒，能满足相应的性能目标。

经过分析结果，在罕遇地震作用下：（1）作为主要抗侧力构件的剪力墙混凝土纤维未出现拉压屈服， 只有极少部分发生剪切屈服，比例为0.6%~4.7%。 钢筋纤维部分受拉屈服，未出现剪切屈服。 （2）作为主要耗能构件的连梁，首先在底部出现剪切屈服，然后向顶部扩展，工况结束时，约有40%的连梁发生剪切屈服。 （3）作为耗能构件的框架梁先在底部出现弯曲屈服，然后向顶部扩展，工况结束时多数框架梁在第一屈服状态，只有底部和顶部少量框架梁进入第二屈服状态，未有框架梁进入第三屈服状态。

3.3 结构构件薄弱部位分析

由于本结构平面呈蝶形，扭转效应明显，核心筒区域是连接各子区块的重要枢纽，因此，核心筒部位受力相对较大，连梁多发生5 级屈服。

为保证核心筒连接的作用，延缓连梁的屈服，在施工图阶段对受力较大、连梁屈服较严重的楼层，核心筒连梁增设交叉斜筋，保证连梁的强剪弱弯性能。 同时将核心筒区域板厚增加至180 mm，并双层双向配筋，保证在罕遇地震作用下核心筒楼板的枢纽作用。

3.4 分析结论

通过分析结构在罕遇地震作用下的动力弹塑性时程指标，结合整体反应结果和各个结构构件的性能分析，综合后可以得出如下结论：（1）结构层间弹塑性位移角均比规范限值要求小，剪力墙和框架柱等主要抗侧力构件没有发生严重破坏，局部构件存在少量屈服， 但少量的局部构件屈服不会危及结构的整体安全或产生倒塌，结构的整体性优良，可满足 “大震作用下不倒” 的抗震性能目标要求。 （2）剪力墙混凝土受压没有超过抗压强度，钢筋拉压没有弯曲屈服，均处于弹性应力状态；个别墙肢局部受剪屈服，但比例较小，受剪截面经复核计算后，能满足性能目标要求，不会出现墙肢整体在剪力作用下的屈服和破坏。 （3）多数楼层框架梁两端的区域进入弯曲屈服状态，框架梁未发生剪切屈服，部分连梁发生剪切屈服，结构的耗能体系设计情况良好。

由此表明： 对于罕遇地震作用下性能水准4 的抗震性能目标，各项设计控制指标均能满足。

4 转换构件专项分析

由于建筑使用功能的要求， 本工程存在局部剪力墙不直接落地，在2 层转换的情况，转换率为1.7%，属于局部转换。转换层层高5.4 m，采用框支梁作为转换构件，框支梁尺寸为1 400 mm×1 700 mm，1 200 mm×1 700 mm 和800 mm×1 700 mm，框支柱尺寸为1 100 mm×1 400 mm，混凝土强度等级均为C55，周边板厚200 mm。

4.1 设防烈度地震分析

1）框支柱正截面承载力验算：此过程与剪力墙相同，利用XTRACT 软件对框支柱进行受弯承载力验算。可以看出，框支柱受弯满足受弯中震弹性的性能目标。

2）框支柱斜截面承载力验算：结果表明，框支柱受剪满足中震弹性的性能目标。

4.2 罕遇地震分析

根据罕遇地震作用下转换梁的应力分析结果， 经核查均未出现塑性铰，转换梁满足大震不屈服的性能目标。

5 结语

结构类型和结构体系的准确选择、 合理布置是高层建筑结构设计中的首要因素，它关系到结构的整体刚度、抗震抗风能力、造价指标，以及施工周期等问题。 对结构加强概念设计，采用不同程序对比计算分析，采取适当的抗震加强措施，可以有效解决超限高层建筑存在的结构难点和相关问题， 保证结构的安全。 本工程设计中对结构高度超过A 级高度的高层建筑工程的超限分析计算思路和分析方法， 对其他类似的超限结构设计也具有一定的参考意义。