超高层建筑的结构设计

1项目概况

本工程位于天津津滨新区中心商务商业区响锣湾商务区，场北道、西场道与滨河路间。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，III类场地土。本工程包括A座177.3m(46层)和B座99.6m((25层)，3层地下室。A，B座在地面(1层)以上完全分开，地下室连在一起。由于本工程B座体型规则，且高度为99.70m，所以本工程B座不超限。本文仅介绍A座相关情况。本建筑物A座塔楼共46层，其中2～4层为大堂、办公、小部分商业及餐饮，5~15层为酒店，16、32层为避难层，17～39层均为酒店式公寓，40～46层为办公。其中1层层高5.5m，2层、4层层高4.15m，3层及5～25层层高3.9m，26～39层层高为3.6m，40层及以上层高3.9m。

2结构布置及其选型

本项目A座平面呈斜边倒梯形，建筑物高宽比约5.96。在整个平面中间设一大核心筒，大核心筒内部左右两边各设一个核心筒，两核心筒之间有掏空中庭，两核心筒之间及核心筒下部设置局部剪力墙(小筒)以增强整体结构刚度。根据建筑平面，本工程拟采用钢管组合柱框架-核心筒结构。核心筒作为抗侧力体系的第一道防线，为增强核心筒的抗震性能，在关键部位剪力墙及核心筒部分剪力墙边缘构件内设置工字钢。钢管组合柱框架形成结构的第二道抗侧力体系。框架梁的选型经过综合比较后拟采用普通钢筋混凝土梁。

结构设计本着简洁至上的原则，在满足预期性能目标前提下，尽可能避免局部楼层的刚度及强度的突变，以避免结构薄弱层的产生[1]。通过分析比较，本工程未设刚性加强层(Outriggers)，仅在避难层通过加大梁截面形成所谓的有限刚度加强层。本工程A座建筑高度177.3m，根据《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》（CECS188:2005）第5.1.6条的规定，本建筑高度小于该条180m的框架—核心筒高度限值。因此，A座建筑不属于高度超限。根据计算，本工程A，B座建筑考虑偶然偏心后均属于扭转不规则，但不存在扭转超限(楼层扭转位移比小于1.40)，同时本工程不存在平面不规则、竖向不规则。平面标准层均在中间设置了中庭，其中A座中庭面积约102m2，B座中庭面积约125m2，综合开洞面积均小于30%，开洞面积及有效楼板宽度都满足高规关于楼板开洞的要求，无其余不规则项。

3基于性能的结构抗震分析

针对本工程的特点，对结构进行计算和分析时，除需考虑常规的竖向荷载、小震作用及顺风向风荷载作用外，尚以高于现行规范的标准，采用基于性能的抗震设计方法，对结构进行中震作用下的屈服分析、罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，来使结构达到规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准抗震设防目标[2]。

3.1结构整体分析

本工程使用中国建筑科学研究院PK.PMCAD工程部编制的结构分析程序《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（2006年10月版）进行结构分析。为体现指标的合理性，计算采用A，B座单独计算，整体计算作为内力和配筋计算用。由于A座建筑高度较高，作为对比分析，采用韩国MIDAS（730版本）软件作补充。

3.2多遇地震时程分析

根据《建筑抗震规范》（GB50011—2010）5.1.2条的要求，本工程A座应进行多遇地震的时程分析。本工程地震时程采用2条天然波和1条人工波（7度、III类场地），多遇地震的最大加速度为55cm/s2。计算结果表明，3条波均满足不小于振型分解反映谱法计算结果的65%，且3条平均值为振型分解反映谱法计算结果的84.8%（0°），87.7%（90°）。基本符合抗震规范的选波要求。根据时程分析的结果，结构上部约1/3范围内的地震剪力略大于振型分解反映谱法计算结果，施工图设计中，适当放大此范围的反应谱计算结果。

4中震弹性分析

考虑到本工程竖向构件是整个结构抗震中十分重要的构件，对其进行了中震作用下的弹性验算，以判别其是否达到了中震弹性的抗震性能目标。即在中震不屈服计算的基础上，将荷载分项系数恢复为正常值，材料的强度取设计值，抗震承载力调整系数取1.0，不考虑地震作用的内力放大调整，不考虑风荷载，这时构件的地震作用组合效应不大于按强度设计值计算的抗震承载力。验算结果表明，竖向构件在中震作用下均不屈服，基本处于弹性阶段，不会出现塑性损伤。

5罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析

对本工程非线性时程分析采用SATWE系列软件的EPDA程序，地震动的输入本工程采用中国地震局第一监测中心提供1条大震人工波和2条大震人工波共3条地震波。加速度最大值取310cm/s2(0.31g)，阻尼比0.04。图2和图3给出了弹塑性时程分析X方向和Y方向的层间位移角。计算结果表明，在罕遇地震作用下，结构X方向的最大层间位移角为1/188,Y方向的最大层间位移角为1/123。均满足1/100的限值要求。计算结果表明，21层、39层，其层间最大有害位移角相对稍大，说明该部位为薄弱位置。设计中拟对该部位作加强。罕遇地震作用下，X方向的最大底部剪力为126164kN，约为重力荷载代表值的10.1%;Y方向的最大底部剪力为130027kN，约为重力荷载代表值的10.6%，分别为多遇地震反应谱计算所得底部剪力的4.85倍和4.62的倍。

6结构抗震加强措施

通过对本工程的弹性、塑性分析，本工程结构体系合理，刚度、承载力分布均匀，具有多道防线，能满足性能设计的预期目标。针对本工程接近高度超限情况，拟在施工图设计中采用如下的技术条件和加强措施，以满足性能设计的预期目标。1）对框架柱、剪力墙的加强措施。本工程因为高度接近超限，而且地震设防烈度为7.5度、III类土区域，结构设计时框架柱、剪力墙构造按照特一级控制。为加强核心筒抗震性能，尤其是抗剪承载力的提高，避免剪力墙的剪切破坏，核心筒剪力墙采用钢管组合剪力墙，相关规范参见《钢管混凝土叠合柱结构技术规程》框架柱的轴压比不大于0.65，剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比≤0.45。

竖向构件按照中震不屈服进行设计;水平构件的抗剪能力也按中震不屈服设计。适当加强墙、柱的配筋，墙、柱在构造上按特一级控制。底部加强区剪力墙分布筋的最小配筋率为0.4，其余部位剪力墙的最小配筋率为0.3，以保证剪力墙在罕遇地震作用下不出现剪切铰，具有良好的延性。钢管混凝土柱套箍指标≥0.60，含管率≥4%。2）增强结构刚度。在避难层加高主梁高度，形成有限加强层，增强全楼的整体刚度，适当加厚楼板及板配筋,以加强在地震作用下可靠传递水平剪力。3）由于局部开洞，验算罕遇地震作用下楼板薄弱位置的抗拉、抗剪强度并保证其满足强度要求(验算时荷载分项系数取1.0，材料强度取标准值)，以确保在罕遇地震作用下楼板仍能作为刚性隔板可靠传递水平剪力。

7结语

本文通过结合某超B级高度建筑结构设计，系统地探讨了该项目的结构布置，以及相应的中震、大震计算分析结果。从分析结果表明，本工程结构体系合理，刚度、承载力分布均匀，具有多道防线，能满足性能设计的预期目标。同时针对本工程接近高度超限情况，针对于结构关键构件等提出超限结构加强措施，为同类工程提供参考实例。