金濠广场超高层结构设计

吴文锦 （安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程概况

金濠广场三期项目包括38层超高层酒店式公寓、27层酒店、5层商业裙房以及全场地分布的地下室。地上面积5.78万m2，地下建筑面积2.85万m2。高层与裙楼之间设抗震缝。本超限高层，高128.9m，长56.1m，宽17.1m；工程结构使用年限5年，设防烈度为7度（0.1g），地震设计分组为第一组，标准设防，Ⅱ类建筑场地，特征周期0.35s，地面粗糙度B类，基本风压0.35 kN/m2

2 结构布置及特点

结合建筑形体及建筑使用功能，本工程采用框架剪力墙结构，平面布置较规则，长宽比3.28，高宽比较大为7.57。结构平面布置图见图1，结构剖面图见图2。

图1

3 超限情况和应对措施

图2

本工程超框剪结构A级最大适用高度120m；考虑偶然偏心时扭转位移比为1.33；第8层和第9层（建筑第4层和第5层）侧向刚度比不满足《建筑抗震设计规范》3.4.3条关于楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%的要求，为薄弱层。

针对本工程超限情况，采取以下措施保证本结构的抗震性能。

①根据弹性时程分析结果对振型分解反应谱法地震剪力进行放大，满足时程法计算结果的平均值和振型分解反应谱法计算结果的较大值的要求。

②对于竖向构件斜截面按中震计算结果配筋，竖向构件正截面及水平构件斜截面按中震计算结果和小震计算结果包络设计，确保结构达到既定的抗震性能目标。

③基础顶～26层架柱采用型钢混凝土柱，以满足柱轴压比要求同时提高框架柱的延性；26层以上其它框架柱通过全高采用井字复合箍 (箍筋间距100rnm)以提高结构延性。

④洞口周边板厚取120mm，并采用双层双向拉通配筋，适当提高楼板配筋率，加强水平力的传递，提高结构整体抗震性能。

4 结构抗震性能目标

根据本工程结构特点和超限类型并征询专家及业主的意见，选用性能目标1、4+、5性能水准。工程抗震设防性能目标细化表如下所示。

抗震设防性能目标细化表 表1

5 结构计算分析

5.1 小震弹性反应谱分析

分析中剪力墙采用壳单元，梁柱采用空间杆单元，楼板无较大开洞，采用刚性楼板假定，连梁刚度折减系数取0.7，周期折减系数取0.75，使用YJK和SATWE两个程序的计算结果对比可知，前三阶振型、周期、基底剪力，结构总质量等均较吻合，未出现原则性冲突或矛盾的结果，计算结果见表2。规定水平力作用下，柱倾覆弯矩与总倾覆弯矩之比均小于10%，位移指标、剪力墙抗震等级按剪力墙结构确定，框架抗震等级按框-剪结构确定。柱占总剪力小于20%的层数偏多，二道防线0.2V0调整系数上限值调整为6，各层均可以调整到位。

5.2 小震弹性时程分析

根据场地的频谱特性、加速度的有效峰值和时程曲线的有效持续时间这地震动三要素的要求，本工程选用两条人工波及五条天然波，其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。分析结果见表3.

YJK与SATWE计算结果 表2

根据计算结果分析，每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，七条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值大于振型分解反应谱法的80%，时程分析七条地震波的平均层间剪力在模型5～35层（建筑31层以下）小于CQC法的层间剪力；在36～42层（建筑32～38层）大于CQC法的层间剪力，X向最大值为CQC的1.21倍；Y向最大值为CQC的1.10倍。后续设计时，拟采用分层放大的方法，将36～39层（建筑32～35层）地震力放大1.1倍，40～42层（建筑36～38层）地震力放大1.21倍。

5.3 中震（设防地震）作用下的结构承载力复核

中震作用时的抗震性能目标为：底部加强区为第3性能水准，底部加强区以上为第4性能水准。在进行设防地震作用下结构承载力计算时，采用如下计算条件：①荷载分项系数取1.0；②不考虑构件抗震等级引入的内力调整系数；③风荷载不参与计算。

中震结构承载力计算采用YJK中震等效弹性计算方法，分2个模型计算，其中底部加强区范围采用中震性能3（即抗剪弹性、抗弯不屈服）方法完成，其他部位采用中震性能4（即抗剪不屈服、抗弯不屈服）方法完成。程序计算参数取值如下：①地震影响系数最大值按中震取值0.23；②构件抗震等级按非抗震，即不考虑构件抗震等级引入的内力调整系数；③结构阻尼比取0.05；④连梁刚度折减：对于性能3取0.6；对于性能4取0.5。结构中震整体计算结果见表4.

弹性动力时程分析结果 表3

表4

在中震作用下，底部加强区及上部竖向构件斜截面均保持弹性，正截面均未屈服。个别墙柱在中震不屈服验算时为偏心受拉构件，经验算拉应力平均值均小于混凝土抗拉强度标准值。水平构件受剪受弯均满足屈服承载力设计要求，个别连梁斜截面抗剪屈服，经复核满足截面限制条件。

5.4 大震竖向构件截面复核

大震作用下截面复核采用等效弹性计算，计算程序采用YJK大震性能5方法完成。计算参数如下：①荷载分项系数取1.0；②不考虑构件抗震等级引入的内力调整系数；③风荷载不参与计算；④地震影响系数最大值按中震取值0.5；⑤结构阻尼比取0.07；⑥连梁刚度折减取0.3；结构中震整体计算结果见表5.。大震作用下，竖向构件受剪截面均满足《高规》3.11.3条式3.11.3-4的要求，底部加强区及上部竖向构件绝大多数满足正截面、斜截面不屈服条件个别墙肢抗剪屈服，经验算抗剪截面满足截面限制条件。部分连梁抗剪、抗弯屈服，框架梁基本未屈服。

表5

5.5 大震动力弹塑性分析

采用YJK弹塑性时程分析软件（YJK-EP）进行分析计算，分析模型中的杆件均采用纤维梁单元模拟。纤维梁单元能考虑轴力和弯矩共同影响，每根纤维的由轴力与双向弯矩产生效应的组合。墙单元采用基于双轴正交异性本构理论平板壳单元模拟。

根据抗震设防标准、场地条件、建筑物第一振型对应的周期等因素，对于50年超越概率2%的地震动参数选取适宜本场地的天然地震波Chi-Chi，Taiwan-05_NO_2937，Tg （0.41）、Kocaeli，Turkey_NO_1177，Tg（0.40）及人工波 01。地震波加速度峰值取为220gal。

大震动力弹塑性分析整体指标见表6.，结构在罕遇地震下的层间位移满足小于1/120的规范要求，且有一定的富余，达到了“大震不倒”的抗震设防要求。框架梁及连梁多数进入塑性，连梁塑性性能得到充分发展，起到很好的耗能作用，部分剪力墙出现中度损伤，个别剪力墙出现较严重破坏，大部分框架柱基本完好。实现二道防线的设计目标。在大震作用下各构件的出铰顺序基本上是：首先连梁屈服，其次部分框架梁屈服，最后是部分竖向构件出铰。结构的弹塑性反应及破坏机制，符合结构抗震的概念设计要求，满足既定的抗震性能目标。

表6

6 结语

本工程为B级高度高层建筑，存在位移比超限和竖向刚度比超限两项不规则项，根据建筑形体和功能要求，采用框架-剪力墙结构体系。通过小震、中震和大震作用下的抗震性能分析，表明结构能够达到预定的抗震设防目标。

由于受规划条件限制，本工程高宽比较大达到7.57（《高规》建议值不超过6），造成结构底部竖向构件尺寸较大，柱截面为1.2m×1.2m且配置型钢，墙厚600mm，结构经济性较差，经试算，若将建筑面宽加大，高宽比调整到6以内，相同的结构布置，竖向构件截面尺寸可减小，实现较好的经济性。