狭长平面超高层结构设计及抗震性能分析

周泽宇，梁子彪，林瑶明，刘婉筠，吴伟建

（1、上海天华建筑设计有限公司广州分公司 广州 510660；2、深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司 广州 510640）

1 工程概况

某项目位于广东省佛山市禅城区，总建筑面积约为42 万m2，首层均为架空层，层高9 m；标准层层高3.15 m，结构顶部均为复式住宅，层高分别为3.15 m、3.1 m；地面以下设两层地下室，负一、负二层为车库，层高分别为3.9 m、3.8 m。本项目结构高度超过《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［2］表3.3.1-1中A级框架-核心筒的最大适用高度H=120 m，为B级高度的超高层建筑；项目效果如图1所示。

图1 项目效果Fig.1 Rendering of Project

结构设计工作年限为50 年，结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7 度，Ⅲ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.05g，特征周期0.45 s，地基基础设计等级为甲级；风荷载地面粗糙度C 类，体型系数综合考虑取1.4，且考虑受扰建筑高度范围内的建筑物的干扰影响。

2 结构难点及特点

本项目结构高度近140 m，平面存在狭长、细腰情况，如图2所示，结构设计存在难点及特点如下：

图2 典型层建筑平面布置Fig.2 Typical Floor Building Layout Plan （mm）

⑴结构高度高，高宽比大［3］。按回转半径计算高宽比为8.88，结构细腰处最小平面尺寸为10.3 m，最大高宽比达到13.6，远超过文献［2］表3.3.2 中7 度剪力墙结构高宽比不宜超过6 的要求。Y向在地震以及风荷载作用下，侧向刚度偏弱［4］；建筑空间布局决定了剪力墙左右错位，无法通过形成连肢墙增加抗弯刚度，势必影响结构经济性指标，增加造价成本［5］。

⑵体型近似槽型且存在平面不规则，凹凸尺寸较大；标准层平面外包尺寸为20.0 m×57.7 m，长宽比L/B=0.56，L/Bmax=0.42，l/b=0.48，超过文献［2］表3.3.2的要求，属于凹凸不规则结构，不利于水平力的传递；由于建筑对层高有所限制，梁高难以增加，削弱了周边框架刚度，抗扭刚度弱。

⑶因本项目特点，建筑首层存在架空层，层高9 m，标准层层高3.15 m，需对首层墙加厚满足剪力墙稳定性要求；除加厚首层剪力墙外，需加大二层楼面梁高度，增加首层剪力墙之间的连接，使该楼层满足刚度比要求。

⑷结构X向长度近58 m 且不设结构缝，在升降温工况下楼板及楼面梁存在拉压应力，容易造成应力集中，增大楼面混凝土开裂的风险。

3 结构布置

本项目采用剪力墙结构体系，根据建筑体型与使用功能结构方案做了对比：

⑴方案1：平面设缝作为两栋单体单独计算；根据文献［1］要求计算缝宽600 mm，左右两栋塔楼单独进行计算。优点：平面尺寸在文献［2］规定范围内，塔楼平面长度不超40 m，塔楼温度应力不大。缺点：通过计算，由于分缝两侧的平面进深较小，刚度较弱，不利于扭转控制，导致单体在水平力作用下位移较大，需加大剪力墙厚度增加抗侧刚度，如图3所示。

图3 结构平面方案1Fig.3 Structural Plane Scheme 1

⑵方案2：本方案取消塔楼中间设缝，使塔楼从两个单体合并为一个单体分析，塔楼平面长度在58 m左右，超出文献［1］设缝间距要求。优点：合并为一个单体后，塔楼平面抗扭刚度大大提高，使塔楼在水平力作用下位移更趋于均匀，有利于各项指标的控制。剪力墙墙厚可控制在一定范围，提高建筑使用空间，经济性更好。缺点：平面长度在58 m 左右，超出文献［1］设缝间距，需考虑温度应力对塔楼的影响。

结合建筑使用功能要求、工程经济性、结构平面合理性等因素，选用方案2 平面如图4 所示，取消设缝，并补充塔楼温度应力分析，考虑混凝土浇筑后降温对塔楼受力的影响；由于Y向高宽比较小抗侧力较弱，Y向剪力墙在隔墙间尽量纵向对齐，并在端部设置端柱提高整体抗弯刚度，结构竖向构件截面如表1所示。

图4 结构平面方案2Fig.4 Structural Plan 2

表1 竖向构件尺寸Tab.1 Vertical Member Size

塔楼楼面采用普通钢筋混凝土楼盖体系，除了满足竖向荷载传递以及建筑立面构造要求外，为了提高剪力墙之间的联系作用，剪力墙连梁也作相应加强，具体楼面梁尺寸如下：

外圈框架梁：（200～300）mm×700 mm、300 mm×600 mm；剪力墙连梁：墙宽×（500～550）mm；其余楼面梁：200 mm×（400～500）mm。

首层板采用现浇钢筋混凝土楼板，楼板板厚取180 mm，标准层核心筒电梯厅：楼板厚度为150 mm；客厅（跨度8 m）：楼板厚度为200 mm；标准层角部楼板，中部收窄处楼板：楼板厚度为120 mm。

4 超限情况及抗震性能目标

本项目高度超限，并具有（扭转不规则、凹凸不规则）共2项一般不规则，（抗扭刚度弱）1项特别不规则，如表2所示，应进行超限高层抗震设防专项审查［6］。

表2 工程超限情况Tab.2 Engineering Characteristics beyond Code Limits

针对结构不规则情况，采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证。设计根据结构可能出现的薄弱部位及需要加强的关键部位，根据文献［1］要求，结构抗震性能目标为C 级，性能水准、构件在各地震水准下的损坏程度如表3所示。

表3 构件抗震性能等级Tab.3 Seismic Performance Level of Components

5 结构抗震性能分析

5.1 中震等效弹性分析

本项目采用YJK 与ETABS 两种不同力学模型软件进行对比中震等效弹性分析，采用振型分解反应谱计算，考虑偶然偏心，双向地震作用，扭转耦联，结构阻尼比取值5.5%，中梁刚度放大系数分别为1.2（边梁）、1.5（中梁），连梁刚度系数分别是0.5（地震）、1.0（风）；主要整体指标如表4 所示；计算结果显示：设防地震及风荷载作用下，周期比合理、位移角、扭转位移比、刚度比等计算指标均满足文献［1］限值要求。

表4 结构主要整体指标Tab.4 Structure Main Overall Indicator

⑴地震作用采用设防烈度地震，经过文献［1］关于剪重比的调整，地震作用下的基底剪力及倾覆力矩均大于风荷载，塔楼基本为中震起控制作用，由于结构体型为一字长条形状，Y向水平力及倾覆力矩大于X向。

⑵风荷载作用下，由于Y向迎风面宽度远大于X向，因此Y向风荷载顶点位移比X向大，各方向均满足文献［1］顶点位移的要求，说明结构具备足够的侧向刚度。

5.2 中震弹性时程分析

采用YJK 程序进行了设防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），选取Ⅲ类场地上5组实际强震记录以及2组人工模拟的场地波进行弹性时程分析；在时程分析中，地震动峰值加速度取值110gal，主方向和次方向的峰值加速度的比值为1.00∶0.85。计算结果显示如图5所示：

图5 弹性时程分析楼层剪力结果Fig.5 Elastic Time History Analysis of Floor Shear Force

⑴7 条地震波得出楼层剪力平均值曲线与CQC得出的剪力曲线基本一致，各条地震波作用下基地剪力在65%～135%之内，基地剪力平均在80%～120%范围内，满足文献［1］要求；

⑵部分楼层弹性时程分析得出的楼层剪力平均值大于CQC，在施工图设计时，应对CQC 法计算的地震力适当放大，放大系数不大于1.2。

5.3 中震受拉承载力验算

中震和风作用下本工程底部和顶部（31 层以上）电梯井及塔楼北侧端部部分剪力墙出现拉应力，顶部随着楼层数增加出现拉应力的墙肢数量增多。全部墙肢的拉应力均小于2ftk，最大拉应力出现在首层，约为4.36 MPa（2ftk=5.7 MPa），首层以及31层以上的个别组合墙出现全截面受拉的不利情况。根据文献［1］7.2.7 节，需要提高轴心受拉、偏心受拉剪力墙的水平分布筋、竖向分布筋最小配筋率；此外，对于个别拉应力较大的墙柱，均拆分为多个单片墙单独计算。由于首层以及31 层以上的Q3+Q4+DZ1、Q7+Q8+DZ2 组合墙出现全截面受拉，如图6所示，提取两片组合墙进行整体的抗剪承载力分析，首层剪力墙在X和Y向地震用下出现全截面受拉情况，但其抗剪承载力均能满足要求。

图6 剪力墙拉应力分布Fig.6 Distribution Diagram of Tensile Stress of Shear Wall

5.4 罕遇地震下动力弹塑性时程分析

采用SAUSAGE 软件对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性分析，满足性能水准4的要求，分析选取1组人工波，2 组天然波进行计算，地震动水平双向输入时，主次方向分别按100%和85%幅值施加，时程分析时输入地震加速度最大值为242 cm/s2。

罕遇地震下弹塑性层间位移角两个方向最不利工况下层间位移角分别为1/296（X）和1/245（Y），均满足1/65 的限值要求，如表5 所示，满足“大震不倒”的基本要求。

表5 弹塑性楼层层间位移角Tab.5 Elastoplastic Story Drift Angle

大震弹塑性时程与中震等效弹性时程的剪力比值介于1.6～2.2 倍之间，小于时程分析输入地震加速度罕遇地震与设防地震的2.2 倍；大震弹塑性时程分析与大震弹性时程分析的比值在0.6～0.9 之间，均表明本塔楼在大震下非线性特征合理，地震能量可以得到有效消散，结构在罕遇地震作用下顶层位移如图7所示。

图7 顶点位移时程曲线Fig.7 Vertex Displacement Time History Curve

结构出现塑性铰的顺序为核心筒部位连梁率先开裂破坏，产生塑性铰耗能，主要墙肢整体损伤较轻；大部分连梁达到重度损坏的性能水平［7］，连梁混凝土出现刚度退化成了较好的耗能机制，有效保护了主体结构墙肢，绝大部分的剪力墙仍处于无损坏的性能水平及损伤，满足抗震性能目标4要求。

6 超长结构温度应力分析

本项目平面长度接近58 m，超过文献［1］第3.4.11伸缩缝的间距要求，需进行温度应力分析［8］。考虑混凝土浇筑后降温对塔楼受力的影响，按2 个月合拢后浇带，其残余变形约等同降温13 ℃，合拢温度为23 ℃，而广州最低气温按6 ℃考虑，则总降温为6-23-13=-30 ℃。计算模型考虑地面以上的结构同时降温（不含顶板及以下构件），且不考虑地震和风荷载作用。此外，YJK 中混凝土构件的温度效应折减系数采用0.3。

模型考虑降温条件下剪力墙两个方向的应力情况如图8 所示，可知沿着平面X方向产生的温度应力比较明显，且呈现底部大上部逐渐变小的趋势，温度应力主要出现在底部3 层左右。提取构件配筋进行分析，结果显示部分楼面梁出现拉力，需要配置通长面筋［9］。

图8 全楼剪力墙温度应力分布Fig.8 Temperature Stress Distribution of Shear Wall in the Whole Building

1.3恒载+1.05活载+1.5降温组合工况下楼板的应力分析如图9所示，楼板板面出现X向的拉应力，拉应力为2.0 MPa 左右，板底拉应力最大值约为2.0 MPa。针对板面出现拉应力情况，楼板面筋底筋拉通，拉通筋配筋率根据计算结果显示为0.20%～0.25%范围。

7 结论

本工程塔楼高度超限（B级），存在扭转不规则、凹凸不规则2 项一般不规则类型，存在抗扭刚度弱1 项特别不规则，属于体型一般不规则结构，采用概念设计方法［10］，利用YJK、ETBAS、SAUSAGE多个有限元软件多种计算方法，对比了中震等效弹性、中震弹性时程分析及罕遇地震下的弹塑性分析，满足“三水准、两阶段”的设计理念；针对上述超限情况及设计中的关键技术问题，对结构分析与抗震措施两个方面进行加强，加强措施如下：

图9 楼板应力Fig.9 Floor Stress

⑴底部加强区剪力墙墙身水平分布筋和竖向分布筋最小配筋率提高到0.35%；在底部加强区和非底部加强区间设置2 层过渡层，其竖向分布筋配筋率取0.30%；非底部加强区剪力墙分布筋配筋率为0.25%；

⑵针对受拉剪力墙，根据文献［1］要求提高受拉剪力墙水平、竖向分布筋的配筋率。

⑶针对电梯井部位，楼板厚度提高150 mm，并双层双向加强配筋，单层最小配筋率不小于0.25%。

⑷针对首层层高较高情况，为了加强首层剪力墙的连接，加高二层楼面梁尺寸，使首层、二层满足文献［1］刚度比及稳定性要求。

⑸针对平面尺寸大于文献［1］设缝间距情况，塔楼考虑温度应力影响，对受拉的楼面梁、楼板设置拉通筋，构件设计时考虑温度应力包络配筋。

结论表明本项目结构布置合理，满足建筑功能及使用要求，达到结构抗震性能C级目标，安全可行。