某超限高层建筑结构关键技术分析与设计

杨卫杰，陆日超，叶茂烜，余楚江

（广州市设计院集团有限公司 广州 510620）

1 工程概况

本项目位于广州国际金融城起步区，为超高层办公塔楼，主塔楼结构高223.46 m，地上48层，地下5层，建筑效果如图1 所示。本项目采用钢管混凝土叠合柱-钢筋混凝土核心筒结构，裙楼范围较小，可视为单栋塔楼。本项目与拟建超高层塔楼通过连廊连接，连廊与本项目通过防震缝脱开，缝宽200 mm。本项目标准层平面布置如图2 所示，塔楼平面尺寸，长×宽为46.9 m×46.9 m，高宽比4.76。本项目26 层以下框架柱采用钢管叠合柱，其余框架柱采用钢筋混凝土柱，42～44 层设置斜柱层；核心筒采用钢筋混凝土剪力墙，结构三维计算模型如图3所示。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Rendering

图2 结构平面布置Fig.2 Structural Layout Plan

图3 结构计算模型Fig.3 Structural Calculation Model

2 结构设计

2.1 结构设计条件

2.1.1 建筑分类等级

设计使用年限50 年，设防烈度为7 度，地震动峰值加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s，抗震设防分类为标准设防类，建筑结构安全等级为二级。

2.1.2 风荷载

⑴《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［1］计算风荷载

本项目地面粗糙度为C 类。建筑体型系数μs=1.4，阻尼比为0.05。考虑顺风向及横风向风振的影响，重现期为50 年的基本风压ω0=0.5 kN/m2，风计算结果如下：Mx=2.17×109N·m，My=2.27×109N·m，Fx=1.58×107N，Fy=1.57×107N。

⑵风洞试验

由于本项目所处区域为城市建筑密集区，且为超高层建筑，受到临近建筑干扰宜考虑风力相互干扰的群体效应［2-7］，文献［1］提供的体型系数较为粗糙，而风洞试验可提供较为准确体型系数及风压值，使结构设计更为合理经济。本项目风洞试验模型及试验方向如图4所示。

图4 风洞试验模型及试验方向示意图Fig.4 Schematic Diagram of Wind Tunnel Test Model and Test Direction

文献［1］算法与风洞试验结果对比如表1所示，通过风洞试验与规范算法的比值，可以看出规范算法得到的倾覆弯矩和底部剪力更大，采用风洞试验结构进行结构设计，在保证结构安全可靠前提下，又可节省投资。

表1 风洞试验最不利倾覆力矩与底部剪力Tab.1 The Most Unfavorable Overturning Moment and Bottom Shear Force in Wind Tunnel Tests

2.2 结构超限类型及程度［8］

根据文献［2］、《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［9］及《高层建筑混凝土结构技术规程：广东省标准DBJ/T 15-92—2021》［10］的有关规定，根据计算结果判断，本项目存在高度超限（房屋高度223.46 m，为超B 级高度高层建筑）、局部存在穿层柱及斜柱（首2层、46～47 层存在局部穿层柱；42～44 层存在斜柱）等情况，本工程未有严重不规则项。

3 结构计算分析

3.1 多遇地震作用下弹性计算

⑴ETABS 与YJK 进行小震弹性对比分析；根据图5、图6 可知，分析程序所得的主要指标规律基本一致。小震计算分析结果如表2 所示，结构沿主轴方向振动形式相近，结构振型、周期、位移形态和量值在合理范围内；结构地震作用沿高度的分布合理；有效质量参与系数、楼层剪重比、位移角等指标均满足文献［2］要求。

表2 结构主要整体指标Tab.2 Main Overall Indicators of Structure

图5 地震及风载下（X向）最大层间位移角曲线Fig.5 Maximum Interlayer Displacement Angle Curve under Earthquake and Wind Load（X-direction）

图6 地震及风载下（X向）层剪力曲线Fig.6 Shear Curve of the（X-direction）Floor under Earthquake and Wind Load

⑵弹性时程分析，选用5组实际记录波+2组人工模拟波进行分析，主方向地震波加速度峰值取35 cm/s2。结果满足文献［2］第4.3.5-1 条要求，前三阶周期范围内地震波加速度平均反应谱与规范反应谱相差不大于20%，如图7所示。

图7 小震各地震波反应谱平均值与规范反应谱曲线对比Fig.7 Comparison between the Average Value of Seismic Wave Response Spectrum and the Standard Response Spectrum Curve for Small Earthquakes in Different Regions

3.2 罕遇地震下动力弹塑性时程分析

3.2.1 前处理参数［11］

采用SAUSAGE 程序，基于显式积分的动力弹塑性分析方法，钢材采用双线性动力硬化模型，混凝土采用弹塑性损伤模型，可考虑材料拉压强度的差异，刚度强度的退化和拉压循环的刚度恢复，其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按文献［11］表4.1.3 采用。构件模型，梁采用一维杆件纤维束模型Timoshenko 梁，可以考虑剪切变形刚度；剪力墙及楼板采用弹塑性壳单元。弹塑性分析中的配筋数据主要按小震弹性计算结果。SAUSAGE 中结构阻尼采用拟模态阻尼体系。选用人工波TH038TG055，天然波TH120TG045、天然波RH1TG065，地震波主方向峰值220 cm/s2，次方向峰值187 cm/s2，持续时间截取30 s。

3.2.2 抗震性能评价标准

文献［2］将结构抗震性能分为1～5 五个水准，相应构件损坏程度分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”五个级别，具体如表3所示。

表3 计算结果与文献［2］构件损坏程度的对应关系Tab.3 Corresponding Relationship between the Calculation Results and the Degree of Damage to Literature［2］Components

3.2.3 主要结果

⑴结构主要计算结果。弹塑性计算整体指标的综合评价如下：①考虑重力二阶效应及大变形，在各组地震波作用下，结构最大弹塑性层间位移角：X向为1/182，Y向为1/171，均小于文献［2］限值1/125［3］，且均集中于塔楼中部楼层（20～30层），表明罕遇地震下结构刚度未完全退化，仍能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求；②大震下框筒结构的剪力主要由核心筒承担。主要结果如表4所示。

表4 罕遇地震作用下结构整体计算结果汇总Tab.4 Summary of Overall Calculation Results of Structures under Rare Earthquakes

⑵构件的损伤情况。

罕遇地震下，塔楼上部（含斜柱层）框架柱混凝土出现程度不同的受拉损伤，中下部柱基本完好，未见明显的混凝土受压损伤及钢筋塑性应变，属轻微损伤。

剪力墙在罕遇地震作用下：结构X、Y向筒体开洞形成连梁，连梁作为耗能构件，连梁产生较严重的拉、压损伤；剪力墙墙肢受拉损伤集中于底部区，其中受压损伤较为轻微，墙肢较为完整。

综上所述，结构各性能水准如图8所示，各层连梁损伤较大，框架柱损伤区为上部区域，以拉伤为主，筒体墙肢在中部及底部主要发生轻微损伤，其余完好，结构满足大震不倒性能要求；为保证高强混凝土的延性、防止混凝土开裂，C70、C80 混凝土墙的墙身纵筋构造配筋率提高至0.8%，其余底部加强区剪力墙竖向分布钢筋配筋率提高至0.4%。

图8 结构性能水平分布Fig.8 Horizontal Distribution of Structural Performance

3.3 关键技术分析

3.3.1 叠合柱设计

叠合柱截面尺寸如表5所示，在小震作用下，分别计算叠合柱钢管外混凝土、钢管内混凝土轴压比；计算结果表明，叠合柱管外混凝土最大轴压比为0.55，管内混凝土最大轴压比为0.63，均小于0.9，满足文献［2］要求。

表5 叠合柱截面尺寸Tab.5 Cross section Dimensions of Laminated Columns

在中震作用下，叠合柱均满足抗剪弹性，抗弯不屈服的性能目标。以DHZ1（中柱）、DHZ2（角柱）为例，中震作用下，PMM 曲线计算结果表明，如图9、图10所示，叠合柱压弯承载力满足弹性要求。

图9 DHZ1叠合柱PMM曲线Fig.9 PMM curve of DHZ1 Laminated Column

图10 DHZ2叠合柱PMM曲线Fig.10 PMM Curve of DHZ2 Laminated Column

叠合柱节点如图11所示，梁中部纵筋穿过钢管满足锚固长度。当梁较宽时，梁角部纵筋斜向锚固，并且增加梁高范围内的钢管厚度，减少开孔造成的截面削弱。叠合柱与钢筋混凝土柱之间设置1～2 层过渡层，过渡层可采用钢管壁减薄的叠合柱或在截面中部附加芯柱的钢筋混凝土柱。适当增强叠合柱箍筋，已达到钢管与外混凝土共同工作目的［12-13］。

图11 叠合柱钢管开孔做法大样Fig.11 Detailed of Steel Pipe Opening Method for Composite Columns （mm）

3.3.2 斜柱分析

塔楼顶部42～44 层因建筑效果层层退台形成山型造型，结构上采用斜柱实现柱內移（柱中心内移约3 050 mm），如图12所示；斜柱轴力的水平分量主要由梁分担，与斜柱相连梁与核心筒连接，以使斜柱产生的拉力直接传递至核心筒；计算结果表明，与斜柱相连的梁轴拉力约20～260 kN，楼板拉应力约为1～2 MPa；为满足斜柱受力要求，梁按拉弯构件设计，楼板按配筋率0.2%双层双向拉通［14］。

图12 斜柱三维示意图Fig.12 3D Schematic Diagram of Inclined Column

4 结论

基于某超高层建筑结构分析，本文得出主要以下结论：

（1）本项目进行小震常规分析、大震动力弹塑性时程分析，主体结构达到所设定的C 级抗震性能目标；为保证高强混凝土的延性、防止混凝土开裂，C70、C80 混凝土墙的墙身纵筋构造配筋率提高至0.8%，其余底部加强区剪力墙竖向分布钢筋配筋率提高至0.4%，以满足罕遇地震下，筒体抗震性能要求。

⑵通过风洞试验，给出本项目更准确风压值，避免文献［1］风计算结果与实际情况偏差较大的问题，保证结构安全可靠的前提下，节约工程造价。

⑶对于本项目关键构件分析，从PMM 曲线分析结果表明，叠合柱可满足压弯承载力，给出了叠合柱的梁柱节点做法大样及加强措施要求；对于上部区域斜柱传力路径分析，斜柱轴力水平分量主要由每层梁承担，并将水平力传至核心筒，通过加强相关梁板配筋，以满足斜柱传力要求。