摘要：珠江新城59层设计商业办公楼结构结构高度289.52m，采用带一道环桁架加强层的钢管混凝土柱钢框架+钢筋混凝土核心筒混合结构体系。加强层设置在44层，高度8.4m，未布置伸臂结构，利用楼板传力。
关键词：超高层结构；性能设计；环桁架加强层；
1 工程概况
本工程位于广东省广州市珠江新城。项目总建筑面积约16万m2，地下5层，底板面标高-21.04 m。地面以上为各自独立的主塔楼及裙楼，主塔楼为办公楼，建筑面积约11万m2，地上59层，结构高度289.52m。
图1 建筑典型剖面、整体模型、主要抗侧力结构
2 结构体系
配合建筑的立面造型及平面使用功能，采用带一道环桁架加强层的钢管混凝土柱钢框架+钢筋混凝土核心筒混合结构。主体结构三维模型见图1。
47层以下核心筒外围尺寸约为21m×21m，外墙厚度从900mm变化至300mm，加强层及上下各一层外墙厚度为600mm；核心筒内墙从400mm变化至200mm。
外围框架由8根异型矩形钢管混凝土角柱、8根圆钢管混凝土边柱及钢框架梁组成，其中角柱截面为800mm×2500mm。边柱截面除第一、二层为Φ1350 mm外，其它各层均为Φ1200 mm。钢框架梁梁高1000 mm。
环桁架加强层设置于44层。核心筒由于弯曲变形产生转角，通过环桁架上下层楼板带动连接环桁架的柱产生拉压力，以抵抗水平荷载产生的倾覆弯矩[1-2]。
3 结构超限类型与抗震性能目标
对照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，本工程存在以下2项超限：
①本工程结构高度289.52m，超过高规[3]中型钢混凝土外框-钢筋混凝土筒结构在7度地震区最大适用高度190m。
②本工程47层局部剪力墙不连续，并设计有环桁架加强层，属于竖向构件不连续。
为实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”抗震设计目标，提高结构的抗震安全度，本工程对抗侧力结构进行性能化设计，按照高规[3]第3.11条，性能目标设定为C。
4 结构弹性分析
本工程采用ETABS、MIDAS软件进行结构弹性计算与分析。经计算比较，两个软件的计算结果基本相符。依据ETABS计算结果进行分析。
4.1 振型分析
结构自振前3个周期分别为6.595s、6.246s、3.515s。本工程平面较规则，计算结果显示前2个振型为平动，自振周期相近；第3振型为扭转，且扭转因子为1.0。
4.2 整体稳定性
ETABS计算得出刚重比X方向为1.57，Y方向为1.46，均大于1.4。采用SAP2000软件对结构进行整体稳定分析，在荷载组合为（1.2DL+1.4L）作用下，得到结构第一屈曲模态特征值λ为10.6，大于10.0。计算表明，结构整体稳定性满足要求，但设计时需要考虑重力二阶效应的影响。
4.3 层间位移角与扭转位移比
风荷载作用下，X向最大层间位移角为1/748（32层），Y向最大层间位移角为1/664（34层）。地震作用下，X向最大层间位移角为1/853（38层），Y向最大层间位移角为1/798（34层）。从层间位移角曲线可以看出，由于设置了加强层，结构中上部的层间位移角得到有效控制，最大层间位移角为1/798，小于1/500，满足规范要求。考虑偶然偏心影响时，本工程各层的扭转位移比小于1.2，属于扭转规则结构。
5 动力弹塑性分析
本工程采用Perform-3D和ABAQUS两个软件分别进行罕遇地震作用下的弹塑性分析。经计算，Abaqus和Perform-3D的计算结果基本一致。根据两个软件计算结果综合分析，X、Y方向顶点最大位移分别为912mm、881mm，最大层间位移角分别为1/187、1/170，小于规范限值。
罕遇地震作用下，混凝土连梁出现了“塑性铰”，受压最大塑性应变为0.00154，最大的受拉应变为0.00477。钢梁、钢斜撑没有屈服，钢管混凝土柱基本处于弹性阶段。剪力墙最大拉应变为0.00171，最大压应变为0.0035，表明钢筋没有屈服，混凝土强度没有下降，但混凝土已经部分拉裂。
加强层的楼板最大拉应变为0.00137，受压最大塑性应变为0.00231，表明钢筋没屈服，混凝土有一定受剪的损伤，但小于2.5e-3，满足性能要求。
整体上，结构能够实现“大震不倒”，满足预定的抗震性能目标。
7 针对超限结构的加强措施
本工程的平面及竖向尺寸均较规则，结构布置简洁、传力路线明确、直接，理论计算的各项指标均能满足规范的要求，但由于存在超高、设置加强层、竖向构件局部不连续等超限情况，除按规范要求进行设计外，还采取以下加强措施：
7.1 加强混凝土核心筒
考虑结构超高，将核心筒的抗震等级比规范要求提高一级，按照除满足抗震等级特一级的要求外，还采取比规范要求更为严格的措施，控制剪力墙轴压比以保证大震时的延性。
底部加强区、水平分布筋配筋率加大至0.7％，竖向分布筋配筋率加大至1.2％，暗柱的配筋率加大至2.5％。非底部加强区剪力墙的水平及竖向分布筋配筋率一般为0.5%，暗柱配筋率一般为1.2%，加强层及上下各一层剪力墙水平分布钢筋率加大至1.0%，竖向钢筋及暗柱配筋同一般剪力墙。
7.2 加强钢管混凝土柱
提高钢管混凝土柱的承载力安全度。经计算，钢管混凝土柱均能满足“中震弹性，大震不屈服”性能目标要求，且弹塑性分析表明，在罕遇地震作用下仍能保持弹性状态。
7.3 加强环桁架所在楼层核心筒
增大环桁架所在楼层及上下各一层核心筒外围墙厚至600mm，提高该部分核心筒混凝土强度等级至C60，控制剪力墙在罕遇地震作用下的剪应力水平，并满足较为严格的“抗弯、抗剪不屈服”的性能目标，确保了加强层核心筒在罕遇地震时作用下具有较大的承载力安全度。
7.4 加强环桁架
提高环桁架的承载力安全度。经计算，环桁架构件均能满足“中震弹性，大震不屈服”性能目标要求，且弹塑性分析表明，在罕遇地震作用下仍能保持弹性状态。
8 结论
本工程塔楼为带一道环桁架加强层的钢管混凝土柱钢框架+钢筋混凝土核心筒混合结构，采用无伸臂结构的加强层，通过设置斜交处理倾斜柱子水平分力的问题。本工程设计时采用多种方式对结构进行分析，并采取适当的加强措施，保证结构的安全可靠。
目前，结构已封顶，各项监测数据显示结构性能良好，符合预期的结构性能。
参考文献：
[1]徐培福，黄吉锋，肖从真，李云贵，黄世敏.带加强层的框架-核心筒结构抗震设计中的几个问题[J].建筑结构学报，1999，（04）：2-10.
[2]黄世敏，魏琏，衣洪建，程绍革，赵斌.高层建筑中水平加强层最优位置的研究[J].建筑科学，2003，（02）：4-6+10.
[3]JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社.2010
论文作者:刘光爽
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/7/20
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