张波 黄群立 彭斌 张海明
湖南省建筑设计院有限公司
摘要：湖南文化广场为湖南大剧院的二期工程，是集商业、影院、文艺创投、办公于一体的综合性建筑，位于长沙市中心地带，极具商业价值，建筑大气，功能复杂，结构处理复杂，其中的斜柱转换较好解决了外框架柱的转换问题。
关键词：超高层建筑；斜柱转换；型钢混凝土
一、工程概况
本工程（图1、图2）位于长沙市芙蓉区城市中心地带，西侧紧邻韶山路，北侧为解放路，南侧为湖南大剧院，物业类型为办公、影院及商业。总建筑面积83012.9 m2，其中地上建筑面积61478.65m2（经常使用人数<8000人），本工程地上33层179m，地下4层-17.8m，地下室与湖南大剧院已建地下室相联通，地下室为车库及设备用房，1层为大堂，2～4层为影院，5～8层为商业，其他为办公，其中在9层、18层、27层设避难层。平面尺寸：底层63.5x34.4m，塔楼尺寸54.9x27.8m，核心筒尺寸27.25x11.35m，主要层高4.5m、5.4m，主屋面高179m，加屋顶水箱、设备间、构架等，房屋总高为201m（受风压平均高度<200m）。
图1 图2
二、设计参数
结构安全等级二级，设计使用年限50年，本工程抗震设防烈度6度，抗震设防类别标准设防类（丙类），地基基础设计等级甲级，基本风压W。=0.35kN/㎡，地面粗糙度类别B类，风载体型系数1.40，承载力设计时风荷载效应放大系数1.10。《湖南文化广场（二期）项目工程场地地震安全性评价报告》2015.04由湖南省防震减灾工程研究中心提供，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类场地，地震影响系数αmax=0.05，场地反应谱特征周期Tg=0.35s。其中主要构件，拉柱梁、斜柱按安全等级一级考虑，r0=1.1。剪力墙抗震等级二级，框架梁、柱抗震等级二级，斜柱及拉梁抗震等级一级。
三、结构选型与布置
本工程高179m，地上33层，底层平面尺寸63.5x34.4m，塔楼尺寸54.9x27.8m，核心筒尺寸27.25x11.35m，主柱网10.2x8.4m，框筒结构，高宽比5.2，裙楼以上塔楼高宽比5.69，均小于规范最大高宽比限值7，核心筒高宽比15.77，比例适宜，竖向构件砼强度等级最高C60，核心筒外围剪力墙底层截面厚度800mm，边缘构件加型钢，主柱截面1200x1200型钢砼柱，为节约造价，剪力墙边缘构件型钢加到8层，柱型钢加到18层，斜柱1600x1400型钢砼柱，主梁截面500x800，斜柱型钢砼拉梁截面600x1200。因影院布置在2～4层中的15～18轴之间，导致塔楼16 交E、H轴处的竖向构件无法直接落地，第一种方案是在5层处抬柱高位转换，但影响影院层高，第二种方案是在5～8层，将15轴柱偏移3.6m做斜柱到16轴。最终设计采用了第二种方案（斜柱方案）。
四、 结构超限情况分析
1、超限类别
（1）按抗震设防烈度6度考虑，框筒结构，主屋面高179m已大于150m，属于高度超限。
（2）大堂及影院部分楼板掏空，有效宽度小于50%，楼板不连续，属于平面不规则。
（3）斜柱，局部竖向构件不连续，属于竖向不规则。
（4）考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，扭转不规则，属于平面不规则。
2、超限分析及结果
（1）对整栋建筑物进行弹塑性分析，本工程总体按性能目标C的要求设计，见图3
图3
（2）中震作用下构件验算，结合所设的性能目标，针对性的进行构件中震验算，验算结果显示：
1）框架柱和剪力墙抗剪强度满足中震弹性的验算；
2）剪力墙抗弯能满足中震不屈服验算；
3）连梁能满足中震抗剪不屈服验算；
4）结构整体满足抗震性能第3水准的要求。
（3）弹塑性时程分析结论与建议
本工程用pmsap结构进行了弹塑性时程分析，整体分析结论及主要构件的抗震性能评估结果如下：
1）X主方向3组罕遇地震波作用下结构最大层间位移角1/351；Y主方向3组罕遇地震波作用下结构最大层间位移角1/274，均小于规范1/100的层间位移角限值，满足“大震不倒”的基本要求；
2）各组地震波计算结果中，人工波RG01和天然波TH091TG040基本起控制作用；
3）本结构X、Y两向布置差异较大，X向刚度较Y向大，因此地震以X向为主方向输入地震时主方向地震剪力比Y向为主方向输入地震时主方向地震剪力大，而层位移角小。
4.）斜柱、拉梁等关键构件在大震作用下的弹塑性变形满足规范要求，能保证大震不倒。
本工程按有关规定进行了超限高层建筑设计的抗震专项审查，并通过评审。
五、结构计算与分析
荷载：上部结构功能为办公、会议，其楼面活载取2.0KN/m2，影院楼面活载取4.0KN/m2，楼面附加恒载取2.0KN/m2，避难层楼面活载取10.0KN/m2，构件自重程序自动计算，外墙幕墙的面荷载≤2KN/m2，内墙加气砼砌块容重≤8KN/m3，影院双墙处的墙荷载加倍，地震荷载及风载程序自动组合。
整体计算、结果及指标控制
本工程结构整体计算用多高层空间有限元软件satwe和Pmsap特殊多高层建筑结构分析与设计软件计算与分析。计算结果如下：
1）总质量，175429t，恒载产生的质量154820t，活载产生的质量20609t。
2）周期，见右图4，T3/T1=4.046/5.795=0.698<0.85，周期比满足要求.
图4
3）位移，根据高规JGJ3-2010，3.7.3条，塔楼高度介于150m～250m之间，对塔楼按弹性方法计算的结构层间位移角限值内插调整如下：
50年一遇风荷载作用下层间位移角限值：1/679，多遇地震荷载作用下层间位移角限值：1/679。最大层间位移角简图见 右图5，满足规范1/800及调整值的要求。
图5
4）抗震分析及调整
剪重比及调整，有些楼层X、Y向地震剪重比不满足规范要求，进行调整，地震各工况最终采用的剪重比调整系数简图见右图6。
图6
六、地基基础设计
地下室底板顶-17.75m，已到持力层中分化泥质砂岩，地基承载力特征值为1200Kpa，基础采用筏板基础，筏板厚度2500mm，防水底板厚550mm，裙房柱基为柱下独基。深基坑支护设计甲方另行委托。
七、关键部位及构件的处理
本工程重点在5～8层，15轴到16轴柱偏移3.6m的斜柱处理，由于柱重力荷载下的水平分力较大，5/6层与柱连的梁为压弯杆件，7/8层与柱连的梁为拉弯杆件，计算结果提取数据如下：1）8层斜柱拉结梁最大轴力5663KN，为拉力。2）5层斜柱拉结梁最大轴力5668KN，为压力。
8层斜柱拉结梁拉力过大，拉梁埋在E/H轴核心筒外墙内，并延伸拉到11轴，长度为16.8m，跨过2组电梯前室，楼盖板厚取180mm，Φ14@150钢筋双层双向拉通，楼板与拉梁形成的楼盖共同协同工作，利用核心筒及楼盖整体抗拉，这样同时也确保了楼盖平面内的刚性，保证了框架柱与核心筒在风荷载及地震荷载水平力作用下的共同工作。（见图7）
图7
八、结论
综上所述，本工程存在三项不规则及高度超限，在设计中充分利用概念设计方法，对关键构件设定抗震性能化目标。并在抗震设计中，采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性工作外，还补充了关键构件在中震和大震下的验算。计算结果表明，各项指标均表现良好，基本满足规范的有关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。
因此，可以认为本工程除能满足竖向荷载和风荷载作用下的有关指标外，满足“性能目标C”的抗震设防目标。本工程设计，结构方案及结构布置合理，计算分析准确，超限分析全面，关键部位处理稳妥，整体结构安全可靠。
论文作者:张波,黄群立,彭斌,张海明
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第8期
论文发表时间:2019/5/6
标签：荷载论文; 构件论文; 结构论文; 位移论文; 工程论文; 型钢论文; 塔楼论文; 《建筑模拟》2019年第8期论文;