摘要：1栋A座为商务综合楼，地上34层，地下3层，结构高度为143.15m，一般层等效宽度最小值约为17m，高宽比约为8.4。经过与业主沟通，为了实现更好的空间体验感，采用了钢管混凝土框架-支撑结构体系。同时在建筑3层楼面及22层楼面存在局部竖向构件转换。本项目采用多种软件进行了风荷载作用、多遇地震作用下的弹性计算、弹性动力时程分析、中震作用下的结构性能分析及大震弹塑性分析，各项计算指标均达到了设计的要求，结构设计和分析方法可供今后类似超高层建筑和其他复杂结构设计参考。
关键词：钢框架-支撑结构 高宽比 竖向构件转换
1.工程概况
本项目位于深圳市南山区蛇口东角头望海路南侧，北侧隔望海路与蛇口山公园相望。基地地形为南北长约300米，东西长约180米的规则长方形。本项目开发建设用地59322.73m2，计容建筑面积161715 m2，总建筑面积为355122 m2，地下有三层整体地下室，有4栋超高层塔楼。1栋A座结构高度为143.15m，地上34层，其余三栋结构高度分别为152.950m、171.350m、171.350m，为部分框支剪力墙结构。
本文重点介绍1栋A座结构设计，该楼为商务综合楼，一层为架空车库，层高7.2m，2层为架空公共空间，层高为13.5m；3层至8层为办公功能，层高4.5m，9层至屋面层为商务公寓及酒店客房，层高3.6m。其中11层、22层为避难层，层高4.5m。本项目在2015年10月通过超限建筑工程抗震设防专项审查，目前已竣工验收。
2.结构体系及特点
2.1结构体系
前期进行了剪力墙、框架-剪力墙、钢管混凝土框架-支撑等多结构方案比选，经过与业主沟通，为了实现更好的空间体验感，采用钢管混凝土框架-支撑结构体系，通过节点设计使支撑体系承担侧向荷载、建筑内活荷载及部分上部楼层通过框架柱传递下来的恒定荷载。三维计算模型示意图见图1，平、立、剖面图见图2～图12，结构主要构件截面尺寸见表1。
2.2特点
1、高宽比较大：上部塔楼一般层等效宽度最小值约为17m，楼高143.15m，高宽比约为8.4；
2、在建筑3层楼面及22层楼面存在局部竖向构件转换；
3、9层至12层、12层至15层、15层至18层、18层至21层局部存在三层通高跃层柱。
基于上述特点，对于结构的结构抗侧刚度，整体稳定，抗倾覆能力，承载能力等须格外关注。
3.结构抗震性能目标
3.1 建筑结构超限检查项
本工程根据建质[2015]67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，对结构不规则项进行检查，一般规则性超限检查存在扭转不规则、楼板不连续、刚度突变、构件间断及其他不规则（局部穿层柱、个别构件转换）五项不规则，单项规则性超限检查存在高位转换一项不规则。
3.2 结构抗震性能目标
根据上述超限项检查，将结构抗震性能目标定为C级，具体构件抗震性能目标见表2其中转换梁、转换柱、转换支撑及地下一层至四层框架柱、支撑作为关键构件按照一级抗震进行设计，地上其余框架梁、框架柱、支撑按照二级抗震进行设计。
抗震性能目标 表2
4.结构整体计算分析
4.1计算参数及荷载取值
本工程设计使用年限50年，建筑安全等级二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度7度（0.1g），设计地震分组为第一组，场地类别为二类，特征周期为0.43s。计算模型嵌固端取在地下室顶板，结构阻尼比取值0.03。结构设计时，在小震作用下，分别按抗震规范和“安评报告”的地震动参数计算，取两者计算所得到的结构底部剪力较大者进行结构验算。如下图所示，在3s之后，安评谱数值均小于规范谱。本文小震及时程分析图表除注明外均为安评谱计算结果，中震和大震作用按抗震规范提供的地震动参数取值，包括反应谱和加速度峰值。
图13 多遇地震水平地震影响系数曲线（阻尼比为3%）
风荷载计算时基本风压取值0.75KN/m2，根据《高规》，强度计算按1.1×ω0取值，本文除注明外均为荷载规范B类地面粗糙度计算的结果。（后期施工图阶段根据《半岛城邦花园（四期）项目风致结构响应分析报告》进行设计，荷载效应与荷载规范B类地面粗糙度计算结果相近）
4.2风荷载及多遇地震作用下的弹性分析
在风荷载及多遇地震作用下，对塔楼分别建立了SATWE和ETABS模型进行计算对比，计算结果吻合，各项计算指标均可满足规范要求。
4.2.1周期对比表
周期对比表 表3
注：X、Y方向的振型参与质量系数满足规范大于90%的要求。
4.2.2地震作用及风荷载作用下楼层剪力及倾覆力矩
从下表中数据分析，该结构X向控制工况为风荷载，Y向控制工况为地震荷载。地震作用取规范反应谱和安评反应谱两者较大值。由表4可知，X方向规范谱计算地震作用大于安评谱计算结果，但控制工况为风荷载；Y方向安评谱计算地震作用大于规范谱计算结果。因此施工图设计时应该采用风荷载及安评谱计算结果进行设计。
楼层剪力及倾覆力矩对比表 表4
4.2..3 楼层抗剪承载力比
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第3.4.2条，高层建筑结构需进行楼层承载力的验算，楼层抗剪承载力比值最小值为0.74，在X向21层，是由于22层存在转换支撑，刚度较大造成。因此21层截面1400X1400、1200X1200框架柱壁厚增大至50mm厚，截面900X900、900X1100框架柱壁厚增大至30mm厚后，21层X向抗剪承载力比值改善为0.82，可满足规范要求。因此通过采取增加21层框架柱壁厚的加强措施后，结构楼层抗剪承载力不存在突变。
4.2.4 楼层侧向刚度比
对于楼层侧向刚度比，由于各规范的算法不同，98版高钢规和抗规均未区分结构体系，都釆用地震剪力除以层间位移；砼高规对框剪或剪力墙等体系，变形特征偏向于弯曲型或弯剪型，考虑了层高修正釆用地震剪力除以层间位移角。另建设部最新的超限审查技术要点以及广东省超限审查技术要点中均提到，层刚度比可按高规考虑层高修正算法。
本结构为钢管混凝土框架-支撑体系，大部分支撑落至基底。地震作用时，下部楼层变形曲线偏向于剪弯型，抗震特性与框剪相似。参考《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.5.2.2条，对高层建筑相邻楼层进行楼层侧向刚度比的验算。结构个别楼层侧向刚度比小于规范限值的要求，X向最小侧向刚度比为0.76（通过增加21层框架柱壁厚的加强措施后为0.84），在21层；Y向最小侧向刚度为0.81，在3层。
4.2.5 楼层层间位移角
图14 地震作用下楼层层间位移角 图15 风荷载作用下楼层层间位移角
由图14、15可知，原结构方案在 Y方向22层（转换层）以上产生较大的变形，有明显的鞭梢效应，原因是结构体系在Y方向22层以上由框架-支撑体系转变为框架体系所造成。侧向刚度突变，侧向位移曲线由剪弯型变为剪切型。因此与建筑协商采取相应加强措施，提出了在22层以上AH-AA轴立面楼梯间位置补充Y向支撑的新方案。通过新旧方案对比可知，结构在22层以上的抵抗变形能力得到了明显的提高改善，减小侧向刚度突变，实现多道设防的概念设计。
4.2.6 框架部分根据0.25V0和1.8Vfmax调整
根据高钢规5.3.3条和抗规8.2.3.3条，钢框架-支撑结构其框架部分的地震层剪力应达到不小于结构底部总地震剪力的25%和框架部分计算最大层剪力1.8倍二者的较小值，通过框架部分的楼层剪力调整系数实现了多道防线的概念设计。在规定水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值分别为X向22.36%，Y向31.40%，在10%~50%范围以内，参考高规8.1.3条，与典型的框架-剪力墙结构的抗震性能相近。
同时楼层扭转位移比、风震舒适度、楼层剪重比、刚重比、抗倾覆稳定性验算均可满足规范要求。
4.3 弹性动力时程分析
按照现行规范要求，采用SATWE进行小震作用下的结构弹性时程分析。动力时程分析的地震波由5条实测地震波和2条人工地震波组成，峰值加速度均按照规范小震的35cm/s2进行调整，地震波时间步长为0.02s，结构阻尼比为0.03，地震波的持续时间均大于结构基本自震周期的5倍，满足规范要求。
图16 安评谱与地震波谱均值对比图
弹性时程基底剪力结果和反应谱基底剪力结果比较（单位：kN） 表5
从表中5可以看出，各条波分别作用下的基底剪力值同反应谱基底剪力比值处于65%和110%范围之间，且平均值大于振型分解反应谱的80%并小于振型分解反应谱的120%，满足《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.2.2条的规定。从图16可以看出，主要周期点上，规范反应谱和地震波谱均值的差值在20%以内，在统计意义上相符。同时弹性时程下的楼层位移均可满足规范要求。
结构的楼层剪力取七条时程波的平均值和振型分解反应谱法的较大值，分析结果表明，X向时程分析均值对应的地震剪力均小于反应谱结果，Y向时程分析均值计算层第七层以上对应的地震剪力均大于反应谱结果。故施工图设计时安评谱Y向计算结果放大9%后可对时程分析结果包络设计。
总体而言，结构在风及多遇地震作用下，具有良好的抗侧性能，满足拟定的小震弹性的性能目标。
4.4中震作用下结构及构件性能验算
按构件重要程度的性能目标要求，采用SATWE对结构进行中震弹性和中震不屈服工况计算，复核结构整体和构件。两个方向中震基底剪力均取小震结果的2.61倍。
中震作用下结构整体有富裕的抗剪承载力，层间位移角X、Y方向分别为1/202和1/266，属轻度损坏范围，经一般修理仍可继续使用。在中震作用下各构件均能满足拟定的抗震性能目标。
4.5弹塑性大震分析
采用 PERFORM-3D 做大震弹塑性分析，结构阻尼取振型阻尼 5% 换算成瑞利阻尼。即取第一周期1.1 倍及 0.3 倍周期处等效阻尼为 5% 换算。在结构反应的周期内，较均匀的接近振型阻尼 5%。地震波采用场地人工波、天然波（Taft）、天然波（El Centro），三组波基本满足规范要求。其中天然波转换后的加速度反应谱在结构前三周期点均比规范反应谱大，采用这两组天然波偏于安全。三组波大震时程基底剪力 TAFT 波最大，下面均以 TAFT 波为例。柱和支撑在构件两端设 PMM 铰及抗剪承载力 V-V 监控，梁在构件两端设弯矩 M 铰及抗剪承载力 V 监控。PMM铰、M 铰及抗剪承载力 V 均按实际计算截面和材料强度标准值计算。
通过罕遇地震弹塑性分析可知，在22层以上AH-AA轴立面楼梯间位置补充Y向支撑后，弹塑性最大层间位移角由Y向23层的1/52减少到1/210，满足规范要求。同时改善了22层转换层上一层的矩形钢管混凝土柱Y向抗剪承载力不足的问题，虽然Y向刚度增加，地震剪力增加，但由于增加的支撑承担了较多的剪力，框架柱剪力有所减少。除此之外，采取加大23-25层矩形钢管混凝土柱钢管壁厚等加强措施。
X、Y向在大震作用下，各构件均能满足拟定的抗震性能目标。通过楼板抗弯、抗拉及抗剪截面验算，第3层、12层、21层、22层楼板厚度取160mm，A-A轴至A-B轴、A-G轴-A-H轴楼板加厚至200mm，全楼层需配附加钢筋D16@130双层双向。其中22层A-A轴至A-B轴、A-G轴-A-H轴楼板需加厚至230mm。同时建筑层第3层、12层、21层、22层楼板采取后浇处理的施工措施，由钢梁及支撑承受由竖向荷载产生的拉压应力，待结构主体施工完成、变形稳定后再进行楼板浇筑。但框架梁垂直方向应设置钢次梁，以确保框架梁在施工阶段的整体稳定性。
5.结论
本项目采用矩形钢管混凝土-支撑结构体系，具有高宽比大、局部竖向构件转换、高位转换等特点，在多遇地震作用下，采用反应谱方法和时程方法进行弹性内力分析，进行第一水准抗震性能设计；在设防地震作用下，分别进行中震弹性和中震不屈服分析，验算构件性能状态；罕遇地震作用下，基于Perform3D软件对结构进行进一步的动力弹塑性分析。结果表明，通过在22层以上AH-AA轴立面楼梯间位置补充Y向支撑、22-25层矩形钢管混凝土柱管壁加厚、局部楼板加强等措施，本工程结构设计能实现拟定的性能目标。
论文作者:全戈
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/7
标签：结构论文; 剪力论文; 荷载论文; 框架论文; 楼层论文; 构件论文; 刚度论文; 《基层建设》2019年第15期论文;