某地块项目 A 号主楼结构设计分析

武莲霞（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002）

1 工程概况

某地块项目主要由 6 栋相对独立的新金融总部办公楼组成，按建筑形态分为 A、B、C、D、E、F 等 6 栋高层。地上 1 F、2 F 为办公入口大堂；3 F 及 3 夹层为架空层，内有设备房和健身房；标准层为大空间办公层；顶部两层为高管办公层。建筑鸟瞰图见图 1。

图1 建筑鸟瞰图

2 结构设计

2.1 A 号主楼结构体系

A 号主楼地上 15 F，地上头两层层高均为 5.2 m，设备层及悬臂转换桁架层层高分别为 2.9 m、3.2 m，标准层层高为 4.3 m，结构体系为核心筒-底部悬臂桁架承托外框柱体系见图 2。

2.2 A 号主楼结构布置

为满足建筑立面要求，外框有四根框架柱不落地，利用 3 层夹层的 3.2 m 层高，在楼层范围内设置钢结构转换桁架，将不落地的 4 根钢框架柱托起。转换桁架形式为梯形钢结构悬臂桁架，桁架根部外包高度为 3.2 m，悬挑跨度为 7.5 m。桁架上下弦采用矩形钢管，腹杆采用焊接工字钢，各标准层钢框柱相关位置采用钢梁、钢柱及组合楼板结构形式，其余部位仍采用钢筋混凝土结构形式。悬臂转换桁架搁置处剪力墙墙厚为 900 mm，剪力墙底部加强区内设钢骨，以达到剪力墙在中震及大震下的性能化要求。

剪力墙抗震等级为二级，底部框架抗震等级为三级，标准层框架抗震等级为三级，局部框架跨度大于 18.0 m 的框架抗震等级为二级，外钢框抗震等级为三级。

3 超限情况和应对措施

3.1 结构超限情况

根据 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和 JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中有关规定，A 号主楼存在局部平面扭转不规则（首层考虑偶然偏心的扭转位移比 1.47）、楼板不连续（2 层开洞面积 60%）、尺寸突变（三层以上平面收进 60%，悬挑转换桁架悬挑长度为 7.5 m）以及构件间断（外框柱转换，柱不连续）共两项竖向一般不规则和两项平面一般不规则，不存在严重不规则，属于超限高层建筑。

3.2 针对超限的结构措施及性能目标

3.2.1 针对竖向构件不连续的加强措施

(1) 针对扭转不规则采取的措施。首层适当加大短向框架梁的刚度，合理调整核心筒墙厚及连梁高度；裙房以上的主楼范围，合理布置核心筒墙厚及相关连梁梁高，减小平面刚心与质心的偏差。

(2) 针对楼板不连续采取的措施。将 2 F 楼板厚度加至 150 mm，楼板按双向双层配筋，同时加强周边梁的配筋率，并在周边梁中设置抗扭腰筋。复核开洞形成的穿层柱的计算长度，外框的长柱按短柱的剪力复核承载力，同时跃层柱及短柱承载能力按中震弹性及大震不屈服进行设计。

(3) 针对尺寸突变采取的措施。设计中严格按规范要求，有效控制结构的刚度比和抗剪承载力的比值，避免形成薄弱层和软弱层。3 夹层为悬挑转换桁架下弦平面，将核心筒处楼板厚度增至 200 mm。

(4) 针对构件间断采取的措施。① 悬臂转换桁架搁置处剪力墙墙厚为 900 mm，端部转角处增设钢骨至芯筒底部，严格按照规范要求控制其轴压比。悬挑转换桁架处及以下部位的剪力墙抗震等级为二级，按中震弹性、大震不屈服设计。剪力墙墙身内均匀设工字型钢柱，与墙身纵向分布的钢筋共同承担中震下拉力。将悬臂转换桁架以上 2 层剪力墙也设定为关键部件，其性能化标准为中震弹性、大震不屈服。② 悬臂转换桁架所在楼层为结构薄弱层，计算分析时对该楼层地震作用下的剪力乘以 1.25 的增大系数，并适当提高薄弱层竖向抗侧力构件的配筋率。③ 将标准层钢框架柱承担的剪力分配至本层剪力墙上承担，保证剪力墙有足够的安全度。④ 悬臂转换桁架上弦杆所在楼面采用钢筋混凝土楼板，厚度为 200 mm，控制中震及大震下楼板钢筋应力，下弦杆处核心筒内楼板厚 200 mm，楼板钢筋双向双层设置，提高楼板配筋率。⑤ 悬挑桁架的上下弦杆及腹杆和均采用钢结构，钢材材料为 Q 420 GJ-B-Z 25，小震作用下上下弦杆应力比控制在 0.85 以内；中震作用下达到中震弹性，应力比控制在 1.00 以内；大震作用下达到大震不屈服，应力小于钢板的屈服强度。

3.3 性能目标

结构抗震性能目标根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素确定。

本工程根据结构的自身特殊性，针对塔楼的结构体系特点及超限情况，根据 JGJ 3—2010 3.11.1 抗震性能目标四等级和 3.11.2 抗震性能五水准规定，适当提高性能水准。

4 多遇地震下抗震设计的计算分析论证

本工程采用 SATWE 和 ETABS 两种软件对结构进行多遇地震弹性反应谱分析。由整体结构计算结果对比可知，两种软件计算指标接近，且结构动力特性基本吻合，周期比（T 3/T 1）满足 JGJ 3—2010 限值 0.9 的要求；在水平地震力和风荷载作用下的最大层间位移角均符合要求，因 A 号主楼角部四根框架柱不落地，核心筒位移指标按剪力墙结构控制；两种程序得到的结构首层剪力值比较接近，剪重比值相近，均满足规范最小剪重比要求 1.6%；结构体系在两个方向的动力特性较为相近，结构整体抗扭刚度较好。

进行弹性时程分析时，根据 GB 50011—2010 第 5.1.2 规定，本工程采用 7 条时程曲线，其中 2 条人工波，5 条天然波，满足规范规定的实际强震记录 ≥2/3 的要求。每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法计算结果的 65%，且 7 条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的 80%，结构设计时按 7 条地震波作用下结构响应的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值进行取值。

5 罕遇地震下的构件设计计算结果及分析论证

5.1 底层竖向构件的中震和大震验算

底层竖向构件(核心筒剪力墙及落地外框柱) 轴压比满足规范要求。根据性能目标，底部加强区（地下 1～6 F 结构楼板）核心筒墙体及截面按中震弹性和大震不屈服设计。计算结果均能满足性能目标要求。底部核心筒墙体中震下受拉验算，以底层 900 mm 厚剪力墙为例，水平地震组合下产生的拉力由剪力墙竖向分布筋和受拉钢骨共同承受，竖向分布筋配筋率为 1.0%，每延米须另加钢骨，钢骨全截面含钢率为 1.4%。据性能设计目标要求，底层混凝土框架柱在中震下的承载力应满足中震弹性要求，在大震下的承载力应满足大震不屈服要求。计算结果均能满足。

5.2 悬臂转换桁架的中震和大震验算

A 号主楼悬臂转换桁架主要承受上部外框柱传递来的柱底反力，以一榀桁架(最大柱底轴力)为例分析悬臂转换桁架内力的控制工况。由计算结果可知，中震和大震作用下考虑竖向地震组合的桁架内力和小震作用下考虑恒+活组合的桁架内力较为接近，中震弹性设计的悬臂转换桁架能够同时满足大震不屈服。

验算悬臂转换桁架在小震作用下的构件应力比和端部挠度，结果均满足规范要求。在结构自重作用下，悬臂结构端部将产生一定的挠度，为了消除感观上的倾斜以及便于幕墙结构等附属结构的连接，可以对转换桁架预起拱或预变形，使施工完成后结构的外形与建筑师的理论建筑定位相同。变形量可以通过精确的计算分析确定。

验算悬臂桁架主要杆件在中震弹性下、大震不屈服作用下的应力比，计算结果均满足规范要求。

针对因悬臂转换桁架竖向挠度而对楼板产生的附加拉应力，进行中震、大震作用下的计算。根据计算结果，上弦杆对应的楼板须设置抗拉钢筋以抵抗楼板附加拉力，下弦杆对应的楼板仅须加强构造。

6 罕遇地震静力弹塑性分析

为与“大震不倒”的第 3 水准抗震设防目标相对应，本工程对建筑结构进行了第 2 阶段抗震设计，即罕遇地震作用下的结构弹塑性变形验算。A 号主楼大屋面高度为 59.5 m，可采用弹塑性静力推覆分析方法 (Push-Over Analysis) 分析。结构推覆曲线见 图 3、图 4。

图3 顶层 X 向荷载—位移曲线图

图4 顶层 Y 向荷载—位移曲线

推覆分析结果如下所示。

(1) 罕遇地震下的最大弹塑性层间位移角为 1/269，能满足规范 1/120 的限值要求。

(2) 连梁在地震作用下作为第 1 道抗震防线首先消耗能量，出现塑性铰，基本达到预期目标。

(3) 推覆过程中，整体结构逐渐进入弹塑性状态，侧向刚度没有出现明显突变，直至大震性能点仍然保持稳定的抗侧承载能力。

7 罕遇地震动力弹塑性分析

以 ABAQUS/STANDARD 和 ABAQUS/EXPLICIT 作为求解器，进行动力弹塑性计算,分析时考虑结构几何非线性以及材料非线性。整个分析过程分为施工加载计算、“附加恒+0.5 活”加载计算、地震波时程计算 3 个部分。

由整体计算结果可知，在给定地震波作用下，结构均处于稳定状态，满足“大震不倒”的抗震设防目标：结构在 X、Y 两个主方向剪重比分别为 14.0% 和 14.7%，顶层位移平均值分别为 297 mm、215 mm，最大层间位移角分别为 1/151、1/212，满足层间位移角 ≤1/100 高规[2]的限值要求。

对包括墙体、框架柱、梁、悬臂转换桁架及上下弦楼板在内的构件也作了计算和分析。结果显示，在罕遇地震作用下，构件的受力性能均满足设计要求。

8 结 语

本项目 A 号主楼为核心筒+底部悬臂桁架承托外框柱体系的超限高层建筑。本文通过对其超限类型和程度进行分析，采取一系列有效控制安全的技术措施，同时提出了性能目标要求。通过多个程序对小震、中震及大震作用下的整体结构和底部加强区核心筒及悬臂转换桁架等关键构件进行计算，并对结构分别进行了罕遇地震静力弹塑性分析和动力弹塑性分析，采取了一系列加强措施，使结构达到预定的抗震性能要求，满足规范关于“小震（多遇地震）不坏、中震可修、大震（罕遇地震）不倒”的抗震设防目标。