超高层建筑结构设计措施

广州某商业建筑最高塔楼地上34层，地下4层，总高度145.90米，为B级高度超限高层建筑。本文主要介绍该项目设计中若干关键问题，包括设计参数、结构体系、典型梁柱节点以及结构计算，抗震加强措施等，通过工程实例阐述了此类结构设计的要点和应注意的一些问题，供类似工程参考。

1工程概况

本工程位于广州黄埔鱼珠临港经济区，可建设用地面积16051m2。主要功能为商业办公。项目包括四层地下室，四层裙房及A、B、C三栋办公塔楼，由于场地限制，裙楼与三栋塔楼直接相连，之间不设防震缝。A塔楼地上共33层，屋面高度145.90m，B塔楼地上共21层，屋面高度96.00m，C塔楼地上共9层，屋面高度40.40m（标高40.2m）。整体概况如图2、3所示。本文主要介绍A塔楼及其相关部分的结构设计。

2设计参数

本工程的设计使用年限50年，建筑结构的安全等级二级。抗震设防类别为丙类（塔楼），工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.10g,设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，50年重现期的基本风压为0.5kN/m2，地面粗糙度为B类,框架和剪力墙的抗震等级地下一层至四层为特一级，地下二层至地下四层为一级至三级递减，五层及以上为一级。结构计算模型的嵌固层设在基础顶面。地上一层与地下一层的刚度比分别为0.3737（X向），0.4497（Y向），满足抗规对嵌固端的要求，但考虑项目地下室中部为下沉式广场，且地下楼盖采用空心楼板，因此将结构嵌固端放置在基础顶面。

3结构布置

3.1结构体系

根据建筑使用功能及业主要求，同时考虑改善结构延性，A塔楼采用钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒结构，核心筒居中布置。外围框架柱柱距8.2m，竖向构件最大平面尺寸37.2m×37.2m，高宽比为3.90，核心筒平面尺寸17.3m×18.0m，核心筒与塔楼的面积比为22.5%。钢筋混凝土核心筒作为结构的主要抗侧力构件，筒体外壁厚度沿高度变化，由底部700mm向顶层逐步收缩至500mm，筒内纵横分隔墙厚度为300mm、350mm、400mm。为了不影响建筑使用功能，减小竖向构件的截面积，提高框架柱的延性及控制轴压比，外围框架柱截面沿高度变化布置，基础面至首层（地下室顶板）采用1600mm×1600mm截面混凝土方柱，首层至二十三层（避难层顶板）均为钢管混凝土圆柱，直径由底部1100mm（壁厚20mm）向上逐步收至900mm（壁厚20㎜），并且首层钢管延伸至地下一层全层过渡，二十四层至三十一层为直径800mm圆柱。三十二层外围框架柱通过转换梁内缩1200mm，变为550mm×550mm截面混凝土方柱。

3.2楼盖结构

结合本项目使用要求、结构特点和施工条件，各层楼盖的主要布置原则如下：⑴地下三层至首层（地下室顶板），层高3.5m，塔楼范围采用梁板结构，框架梁截面400×600，次梁截面300×600。板厚h=150mm；其余位置采用无梁楼盖GBF空心板体系，板厚h=290mm。⑵裙楼采用梁板结构，框架梁截面400×800，次梁截面300×700，板厚h=150mm。⑶A塔楼标准层层高4.2m，周边框架梁截面为400×550mm，周边框架与核心筒的连系梁截面为500×550mm和600×550mm（角部）（见图4）。12层和23层避难层层高6.0m，周边框架梁截面为400×1200mm，周边框架与核心筒的连系梁截面为500×1000mm。标准层板厚120mm，核心筒内板厚150mm。避难层板厚均为150mm。

3.3结构超限情况及性能目标

A塔楼主体结构高度145.1m，超出《高规》A级高度限值11.62%；考虑偶然偏心的扭转位移比为1.36，为II类扭转不规则；避难层层高增加且梁高受限，侧向刚度不足其上三层的80%；超出规范要求约4%；顶部两层立面缩进，两层框架柱转换，计入I类竖向构件不规则；总计具有4项超限。

4关键位置设计

4.1地下室GBF空心楼板

GBF空心板是一种经济、实用的新型楼盖体系，具有自重轻、受力合理、刚度大、变形小等特点，特别适用于大跨度、重荷载的楼板。本工程地下三层至首层局部采用GBF空心楼板（图5），混凝土强度等级C30，板厚280mm，方箱采用尺寸为600×600×160（h）标准芯，平面布置、横向纵向剖面如图6所示。采用PKPM中slab复杂楼板有限元计算，板面荷载取恒载7.5kN/m（包含2板自重），活载2.00kN/m2。KXB1区域柱和柱之间拉等代框架梁进行整体分析计算。根据salb有限元计算出柱上板带和跨中板带的弯矩计算柱上板带和跨中板带的配筋，柱上板带钢筋一半放在构造暗梁里，另一半放在柱上板带非暗梁部分，总和不小于计算配筋。另外为控制挠度，需施工时起拱3/1000。

4.2典型梁柱节点

钢管混凝土柱节点沿用本项目一期采用的钢牛腿+钢外环板节点，该节点首创采用钢筋端板+分隔板的连接形式，钢管柱连续贯通，在节点区钢管柱外壁焊接不穿心槽钢牛腿，框架梁通过钢牛腿与钢管柱刚接，框架梁端的弯矩、剪力由槽钢牛腿承担，如图7所示。该新型节点受力合理，施工便捷，有效简化了梁柱节点的构造。该节点由广州海港明珠实业投资有限公司和广东省建筑设计研究院联合研究，由中南大学进行1:1节点单向加载和低周反复加载实验。试验结果显示该节点梁段延性系数大于3.0，结构耗能能力较好；在最大位移状态的等效粘滞阻尼系数大于0.175，具有良好的抗震性能。

5结构分析计算

5.1小震弹性分析

采用SATWE、YJK软件对结构进行计算分析。由表1可知，两程序所得结果规律基本一致。SATWE模型与YJK模型的质量、周期以及层间剪力基本一致，采用YJK的计算结果控制层间位移角较SATWE计算结果偏安全。结构沿主轴方向振动形式相近，结构振型、周期、位移形态和量值在合理范围，结构地震作用沿高度的分布合理，有效质量参与系数、楼层剪重比、位移角等指标均满足规范要求，剪力墙、框架梁及连梁的配筋均在合理范围之内。

5.2弹性动力时程分析

采用JYK进行弹性动力时程分析，时程分析选取2条人工波和5条天然波，7条地震波的峰值加速度均按小震的35cm/s2进行调整，地震波时间步长0.02S,结构阻尼比0.05。计算结果表明：多组时程曲线的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，在结构的前两阶周期范围内地震波加速度反应谱与规范反应谱相差小于20%，弹性时程分析与振型分解反应谱法在地上首层处基底剪力对比：X向最小比值66%，平均比值80%；Y向最小比值68%，平均比值81%。综上所述，基底剪力满足《抗规》5.1.2条要求，即单个弹性时程分析得到的基底剪力大于反应谱法结果的65%，平均值大于反应谱法结果的80%。本工程采用YJK程序按振型分解反应谱法计算，并根据弹性时程法调整层剪力，其结果偏于安全，满足规范要求。

5.3弹塑性动力时程分析

地震波选用2条人工波，5条天然波，地震波主方向峰值220cm/s2，次方向峰值187cm/s2，每条波对结构两主轴方向各取主方向。大震作用下，结构前三个基本自振周期分别为3.93s（X向平动）、3.82s（Y向平动）、2.68s（T扭转），初始状态YJK-EP计算模型（大震模型）与YJK-A计算模型（小震模型）动力特性相差很小；塔楼在各条波下的平均基底剪力达到小震CQC的5.04～6.09倍；X向最大层间位移角平均值为1/300位于23层，Y向最大层间位移角平均值为1/300位于23层，满足《高规》表3.7.5不大于1/100的要求，也满足广东省《高规》表3.11.3不大于1/125的性能目标C的要求。根据动力弹塑性的分析结果，对结构中塑性状态程度较深的竖向构件，适当加大截面、提高配筋率，防止这些部位发生较大的破坏。如对核心筒外壁全高范围门洞两侧设置约束边缘构件以及上一条对核心筒底部加强区分布筋的增强。

6结构抗震加强措施

6.1竖向构件

⑴为加强底部加强区范围剪力墙延性，严格控制轴压比。底部加强区剪力墙竖向分布筋配筋率及水平分布筋配筋率比规范要求提高0.05%。塔楼与裙楼相连的钢筋混凝土柱，从底层至四层最小配筋率提高0.05%，并在三、四层箍筋全高加密。⑵塔楼与裙楼相连的钢筋混凝土柱，从底层至四层最小配筋率提高0.05%，并在三、四层箍筋全高加密。⑶避难层及其上下各一层抗震等级提高一级，剪力墙设置约束边缘构件。⑷结构顶部转换层的转换梁及其支承的下一层竖向构件，抗震等级提高一级并按框支构件采取相应的抗震构造，剪力墙设置约束边缘构件。

6.2平面楼盖

裙楼屋面及其上下各一层、避难层顶板以及核心筒内楼板板厚150㎜，采用双层双向配筋，适当提高楼板配筋率，保证水平力在楼板的可靠传递，并在核心筒周边楼板开洞位置附近的应力集中处加放射钢筋；电梯井洞四周采用剪力墙分隔，增强核心筒整体性。

7结论

综上所述，本工程存在平面布置不规则、侧向刚度突变、立面缩进、高度超限等问题。在设计中充分利用概念设计方法，从结构体系入手，分析和研究结构整体性能，对关键构件设定高一级的抗震性能化目标，在抗震设计中采用不同程序或同一程序的不同计算方法对结构进行计算分析。结果表明，各项指标表现良好，满足规范的相关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件从计算与构造两方面采取措施，作了适当加强，以保证本超限结构设计做到安全、经济、合理。因此，可以认为本结构除能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，亦满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。