广州医药港项目超限高层结构设计分析

肖 南，时 丹，方 杉

（杭州市建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州310001）

1 工程概况

本工程位于广州市荔湾区东沙街，上部建筑由5层裙楼及11～12层塔楼组成，上部建筑面积约为507 122 m2。地块内满铺设置3层地下室，地下室建筑面积约为358 845 m2。建筑效果图见图1。

图1 建筑效果

整个地块的上部建筑分为一区、二区两个区块。其中一区上部建筑由5层裙楼及11层塔楼组成。裙楼的层高为1层6.70 m，2～5层5.00 m，建筑高度为26.85 m。塔楼6层以上的层高均为5.00 m，建筑高度为56.85 m。二区上部建筑由5层裙楼及11～12层塔楼组成，裙楼的层高同一区。南北侧11层塔楼6层以上的层高均为5.00 m，建筑高度为56.85 mm；东侧12层商业塔楼7层以上的层高均为4.35 m，建筑高度为57.95 m。裙楼的使用功能为商业综合体，塔楼的使用功能为商铺。地下室的平面尺寸约为526 m×270 m，地下室的底板面建筑标高为－13.90 m。

2 结构概况

2.1 设计条件和参数

本工程设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度（0.1g），地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。建筑抗震设防类别为乙类（重点设防类）［1］。基本风压为0.50 kPa（50年重现期），地面粗糙度类别为C类，不考虑雪荷载［2］。

2.2 结构设计概况

本工程上部建筑平面尺寸超长，在适当位置设置变形缝，将上部结构划分为14个独立的结构单元，变形缝自首层平面以上开始设置，地下室不设永久变形缝。一区上部结构共划分成10个结构单元，结构单元编号为“结构单元一至十”，二区上部结构共划分成4个结构单元，结构单元编号为“结构单元十一至十四”，上部结构裙楼、塔楼结构单元划分见图2、图3。

图2 裙楼结构单元划分示意

图3 塔楼结构单元划分示意

所有结构单元均采用现浇钢筋混凝土框架－剪力墙结构，以地下室顶板作为上部结构的嵌固端。各结构单元之间布置有较多的连廊用于连通各区平面，连廊采用钢结构，楼板采用钢筋桁架混凝土楼板，连廊钢梁一端与主体结构采用球铰支座铰接连接（不滑动），另一端与主体结构采用球铰滑动支座连接，连廊楼板与主体结构楼板设置变形缝脱开，使连廊与主体结构能各自自由变形。

根据地勘报告，结合上部结构特点及荷载大小，本工程采用天然地基筏板基础。局部土质较差或荷载较大区域（主要位于商业塔楼范围）采用刚性桩复合地基筏板基础。抗浮采用抗浮锚杆。

2.3 结构超限情况及抗震性能目标

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本工程各结构单元除“单元十二、十四”外，其余12个结构单元均为超限高层。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3—2010）》［3］，结合实际情况，本工程超限结构单元设定抗震性能目标为C级，超限结构单元各相关部位构件性能水准见表1。

表1 构件抗震性能水准

由于各超限结构单元建筑高度、结构布置相近，结构体系相同，超限情况类似，故本文选取超限结构单元三作超限分析，其余超限结构单元抗震性能可参照该单元的结果。

3 结构体系（超限结构单元三）

超限结构单元三地上共11层，其中1～5层为大底盘商业裙楼，6～11层为商业塔楼。裙楼平面尺寸为78.6 m×86.6 m，塔楼平面尺寸为78.6 m×14.9 m。首层层高为6.6 m，其余层层高均为5.0 m。裙楼屋面高度为26.6 m，塔楼屋面高度为56.6 m。本单元采用现浇钢筋混凝土框架－剪力墙结构，剪力墙抗震等级为一级，裙楼外周顶部两层框架柱及塔楼收进部位上下各两层框架柱抗震等级为一级，其余框架柱抗震等级为二级，框架梁抗震等级均为二级。楼面采用现浇钢筋混凝土梁板结构。

结构主要构件信息如下：1）构件尺寸：塔楼剪力墙厚度200～650 mm（底部加强区）、200～500 mm（非底部加强区），裙楼剪力墙厚度500～650 mm（底部加强区）、400～450 mm（非底部加强区）；塔楼框架柱尺寸为1 400 mm×1 600 mm～800 mm×800 mm，裙楼框架柱尺寸为1 300 mm×1 600 mm～800 mm×800 mm；梁尺寸为400 mm×800 mm～1 200 mm（框架梁）、250 mm×700 mm（次梁）。楼板厚度为180 mm（地下室顶板层）、120 mm、150 mm、350 mm。2）混凝土强度等级：墙柱裙楼屋面以下C55，裙楼屋面以上C50～C45；梁板裙楼屋面及以下C35，裙楼屋面以上C30。

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本结构单元包含扭转不规则、楼板不连续、高位收进、塔楼偏置等4个超限项，属于超限高层。

4 计算分析（超限结构单元三）

4.1 小震计算分析

4.1.1 振型分解反应谱法

本工程小震弹性分析选用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件（v2.2）和北京盈建科软件股份有限公司编制的YJK软件（1.8.2）进行计算。计算结果见表2。

由表2可知，两种软件的计算结果接近，绝大部分指标相差均在10%以内。这说明计算结果合理有效，计算模型符合结构的实际工作状况。计算结果表明，结构周期及位移符合规范要求，剪重比适中，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。

表2 小震弹性计算结果汇总

4.1.2 弹性时程分析法

采用YJK软件进行多遇地震下的弹性时程分析。按地震波选取三要素（频谱特性、有效峰值和持续时间），天然地震波选取Chi－Chi（Taiwan－04＿NO＿2721）、Chi－Chi（Taiwan－06＿NO＿3283）、Coyote Lake＿NO＿147、Irpinia（Italy－01＿NO＿283）、Whittier Narrows－01＿NO＿613等5条。人工地震波选取ArtWave－RH1TG035、ArtWave－RH4TG035等2条。地震加速度最大值为35 cm／s2。每条地震波均按主波方向，次波方向双向输入（地震加速度最大值比值1∶0.85），地震波持续时间约30～60 s。计算所得结构底部剪力与振型分解反应谱法计算结果对比见表3。由表3可得弹性时程分析结果满足7条波平均基底剪力不小于振型分解反应谱法结果的80%，每条地震波基底剪力不小于振型分解反应谱法结果的65%的条件，故所选地震波满足规范要求。经分析比较，振型分解反应谱法计算出的底部剪力、楼层剪力及层间位移均可以包络住弹性时程分析得出的平均值，不需要对地震力进行放大。

表3 结构底部剪力计算结果对比

4.2 中震、大震静力分析

算参数见表4。在对结构进行中震及大震的性能设计时，其计

表4 中震和大震计算参数

采用YJK软件计算结构在中震下的性能，得出以下结论：1）中震作用下，X、Y向的最大层间位移角分别为1／581、1／691，属于轻微破坏，满足中震可修的要求。2）所有竖向构件均能满足中震性能目标要求，中震下塔楼两侧墙肢及核心筒电梯间部分墙肢配筋比小震增加，故上述剪力墙配筋采用中震计算结果包络配筋。3）各框架梁及连梁满足抗剪不屈服的要求。4）各墙肢和框架柱均未产生拉力，满足结构的竖向构件抗拉要求。

采用YJK软件计算结构在大震作用下的性能，得出以下结论：1）大震作用下，关键构件满足抗剪、抗弯不屈服的性能要求。2）普通竖向构件受剪截面满足规范要求。

4.3 大震弹塑性动力时程分析

4.3.1 整体计算结果

采用PKPM－SAUSAGE软件进行罕遇地震（大震）作用下的弹塑性时程分析。通过多遇地震（小震）弹性时程分析，从PKPM软件地震波库中筛选出适合本工程计算使用的，且满足规范要求的2条天然波和1条人工波。其中人工波选用RH1TG040，天然波选用TH047TG040和TH069TG040。

计算得各组地震波作用下弹塑性大震下的层间位移角如下：X方向层间位移角最大值出现在3层或4层，分别为1／247、1／191、1／206；Y方向层间位移角最大值出现在6层或7层，分别为1／181、1／144、1／166。X、Y方向层间位移角最大值均小于规范限值1／100，说明结构在罕遇地震下仍具有必要的整体刚度，满足“大震不倒”的要求。

4.3.2 塑性损伤情况统计

在罕遇地震的三组地震波作用下，构件损伤严重程度可分为“无损伤”“轻微损伤”“轻度损伤”“中度损伤”“重度损伤”及“严重损伤”。由计算可知，全楼框架柱的性能等级大部分控制在“轻度损伤”及以下，少数达到“中度损伤”，其中首层框架柱“无损伤”的比例为6.3%，“轻微损伤”的比例为35.7%，“轻度损伤”的比例为58.0%。全楼剪力墙的性能等级都能够控制在“轻度损伤”及以下，其中首层剪力墙“轻微损伤”的比例为14.6%，“轻度损伤”的比例为85.4%。全楼框架梁的性能等级多数为“轻度损伤”及以下，少数达到“中度损伤”，其中二层楼面框架梁“无损伤”的比例为3.7%，“轻微损伤”的比例为85.2%，“轻度损伤”的比例为11.0%，“中度损伤”的比例为0.1%。全楼连梁的损伤程度相对较大，但50%以上处于“中度损伤”及以下，部分处于“重度损伤”，其中二层楼面连梁“轻度损伤”的比例为43.3%，“中度损伤”的比例为46.7%，“重度损伤”的比例为10%。上述构件的损伤情况符合预先设定的抗震性能目标。

4.3.3 塑性损伤发展顺序

结构构件塑性变形的发展顺序是判断结构抗震性能的重要依据。结构主要构件塑性变形的发展顺序见表5。由表可知，地震波作用的前5秒，波形振幅较小，地震作用较小，关键构件和框架柱均处于弹性状态，结构塑性变形首先在个别连梁上出现；在地震波作用持续5～15 s是波形振幅最大的时间段，结构楼层位移和层间位移角也在此时间段达到最大，框架柱和框架梁中度损伤数量增加，连梁屈服数量明显增加；在地震波作用15～20 s时，地震波形趋于平缓，主要构件的塑性变形均不再增加。结构在罕遇地震作用下，塑性变形发展的顺序是：连梁、框架梁→框架柱→剪力墙。

表5 结构主要构件塑性变形的发展顺序

4.3.4 小结

1）罕遇地震（大震）作用下结构楼层剪力约为多遇地震作用下的3.0～3.86倍，均比两者的最大加速度峰值倍数（220／35＝6.29倍）小，主要是罕遇地震考虑了结构构件的弹塑性行为，符合实际情况。

2）罕遇地震作用下，地震作用主方向为X向、Y向时，结构楼层最大层间位移角分别为1／191和1／144，均小于框架剪力墙结构弹塑性层间位移角规范限值1／100，说明结构整体刚度较大，能够满足整体结构的预期性能目标要求，满足“大震不倒”的要求。

3）在罕遇地震的各组地震波作用下，关键构件总体评价的性能等级达到了“轻度损伤”，整体符合预期。

4）结构在罕遇地震作用下，塑性变形发展的顺序是：连梁、框架梁→框架柱→剪力墙。各构件的损伤情况符合预先设定的抗震性能目标。

5 结构加强措施（超限结构单元三）

根据结构单元三超限情况及计算结果，在设计中采用了如下加强措施：1）针对楼板开大洞的情况，开洞周边楼板厚度不小于150 mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。2）针对高位收进，高位收进处的裙房屋面，板厚不小于150 mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。裙楼外周顶部两层框架柱及塔楼收进部位上下各两层框架柱抗震等级提高至一级。3）针对局部穿层柱，穿层柱小震剪力按周边相邻相同截面的普通柱剪力计算，轴力按自身计算，考虑穿层柱的自身计算长度进行验算配筋，纵筋配筋率提高至不小于1.2%，箍筋全高加密。4）针对罕遇地震下底部加强部位剪力墙及框架柱损伤情况，首层至3层框架柱纵筋最小筋配筋率按规范要求提高0.1%，剪力墙配筋率提高至不小于0.40%。

6 结 语

1）采用两个不同的软件SATWE和YJK对结构进行小震作用下的分析计算，结果表明结构各项指标均满足规范要求，结构体系安全、合理。

2）中震作用下结构各项性能均满足预定的抗震性能目标，部分竖向构件配筋中震计算结果大于小震，应按中震计算结果配筋。

3）用SAUSAGE软件对结构进行了大震作用下的弹塑性时程分析，结果表明，各结构构件均满足抗震性能目标的要求，关键构件总体评价的性能等级达到了“轻度损伤”，符合预先设定的抗震性能目标。

4）根据计算结果，提出了切实有效的结构加强措施。