第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 昆明置地广场T1办公塔楼超限高层结构设计 陆道渊黄良江蓓唐波周婷婷 （1.华东建筑设计研究总院，上海200002） 摘要：介绍了昆明置地广场T1办公塔楼超限高层结构的抗震设计与分析方法.
T1办公塔楼采用框架-核心简结构体系， 利用SATVE和ETABS两种程序进行小震作用下的弹性计算和弹性时程分析，并对关键构件进行了补充计算，最后进行罕遇地 震作用下的动力弹塑性计算分析.
结合计算分析结果和超限审查专家的意见，提出了该工程的抗震加强措施，为类似超限高 层结构设计提供参考.
关键字：超限高层：框架一核心筒：有限元分析： 1、工程概况 本工程位于昆明市北京路，总建筑面积约22.38万㎡，地面以上由抗震缝将整个建筑分为T1办公塔 楼（地上53层，大屋面高度238.5m）、T2住宅塔楼（地上49层，大屋面高度155.6m）、T3裙楼（地上5 层，大屋面高度25.5m）3个独立结构，地下部分均为4层.
建筑效果图及结构标准层平面布置见图1、图 2.
本工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度峰值为0.2g，地震分组为第三组，场地类别为1I 类，T1办公塔楼抗震设防类别为乙类，设计基准期为50年.
T1办公塔楼平面为方形，尺寸约为42.0mx42.0m， 两个角部根据建筑造型需要立面缩进变化，核心筒尺寸约为23.0mx20.2m.
图1昆明置地广场效果图 图2T1办公塔楼标准层平面
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2、结构布置和选型 T1办公塔楼为混合结构，采用钢筋混凝土核心筒型钢混凝土框架伸臂桁架环带桁架结构体系.
结 构高宽比为5.3，筒体高宽比为11.8.
作为第一道防线的主要抗侧力构件核心筒，其底部外边长约23.0mx20.2m米，底部外墙厚度为1.0米， 随高度增加该墙厚逐渐减薄至0.4米.
伸臂桁架与混凝土核心筒连接时在连接处四角暗柱内预埋型钢.
核 心筒在底部加强区和关键部位设置型钢，不仅可以有效控制剪力墙厚度，控制墙体轴压比，而且也可提高 核心筒剪力墙底部加强区的延性.
根据建筑功能的要求，核心筒在42层以上局部收进.
作为外框架，外框柱采用内置“十”字型钢的型钢混凝土柱，在减少框架柱截面和轴压比的同时，能 有效增加外框柱延性.
底部外框柱截面为1800mmX1800mm（含钢率6.1%），顶部截面为1000mmX1000mm（含 钢率4.0%），在加强层及其相邻上下各一层，外框柱内含钢率根据节点计算加强.
外框梁采用钢梁，标准 楼层梁高在800~900mm左右，为提高外框架刚度，在首层层高10.2m处，梁高增大为2000mm，提高首层刚 度，避免上下层刚度突变.
结构利用建筑设备层，布置了伸臂和环带桁架组成的加强层，伸臂桁架将框架与核心筒相连，增强了 外框柱对结构整体抗侧刚度的贡献.
T1办公塔楼共有两个加强区，分别位于建筑楼层22F/38F，每个加强 区共布置有四道伸臂桁架，伸臂桁架位于核心筒四个角部.
每个加强区配合伸臂桁架在外框柱之间设置环 带桁架，环带桁架采取单斜杆与交叉斜杆相结合的方式.
桁架高度均为8.4m层高（层内设有设备夹层）.
伸臂桁架可以将核心筒与外框架协同工作，能有效提高结构周边框架柱框架的抗倾覆弯矩，增加结构的整 体侧向刚度.
环带桁架的设置，配合伸臂桁架，在增大结构侧向刚度的同时，减少剪力滞后效应，加强结 构整体刚度 3、抗震设计性能化目标 T1办公塔楼存在扭转位移比大于1.2、局部夹层楼板开大洞、顶部核心筒剪力墙收进竖向构件不连续、 首层层高较大承载力突变、高度超B级高度等超限情况，属于超限高层建筑结构.
针对超限情况，从整体 结构体系、设计内力调整、增强重要构件的延性等方面采取措施.
综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场 地条件、结构自身特性等因素.
办公塔楼的结构抗震性能目标定为C类：小震时完好、无损坏：中震轻度 损坏：大震下无倒塌.
以上抗震性能目标，具体深化到各个构件详见表1.
表1T1办公塔楼抗震设防性能目标 地震水准 多遇地震 设防烈度地震 罕遇地震 （小震） （中震） （大震） 性能水准定性捕述 完好、无损坏 可修复损坏 无倒場 层间位移角限值 h/523 h/100 底部加强层区域核芯简混藏 弹性 抗剪弹性拉弯 土墙 和压弯不屈服 外墙抗剪被面不屈服 关键 第一道环带彬架以下部位的 弹性 抗剪弹性拉弯 核心筒混凝土墙 和压弯不屈服 薄弱层弹塑性位移满足《高规》要求 构件 第二道环带彬架以下区域的 外框架柱 弹性 不屈服 薄弱层弹塑性位移满足《高规》要求 伸臂桁架 弹性 不屈服 薄弱层弹塑性位移满足《高规》要求
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 环带桁架 弹性 弹性 薄弱层弹塑性位移满足《高规》要求 环带桁架项层和底层楼板 弹性 不屈服 薄弱层弹塑性位移满足《高规》要求 普通 第一道环带布架以上区域的 核心筒混凝土墙 弹性 抗剪不屈服 薄弱层弹型性位移满足《高规》要求 竖向 构件 第二道环带桁架以上区域的 外框架柱 弹性 不屈服 薄弱层弹型性位移满足《高规》要求 耗能 连梁 弹性 允许进入屈服 最早进入塑性 构件 一般框架梁 弹性 不屈服 薄弱层弹塑性位移满足《高规》要求 节点 不先于构件破坏 薄弱层弹型性位移满足《高规》要求 4、结构整体计算与设计 4.1基础设计 本工程所在场地条件复杂，基础持力层为中等风化灰岩，持力层岩面起伏变化较大.
结合地质勘察报 告，本工程T1办公塔楼起初考虑采用人工挖孔桩，局部岩层较浅采用天然地基.
由于施工阶段地下水位 较高，根据现场情况及专家论证会意见，T1办公塔楼均改成桩筏基础.
筏板厚度2600mm，冲孔灌注桩桩 径采用1600mm、1800mm、2000mm三种，单桩承载力特征值分别为18000kN、22500kN、28000kN，桩端嵌岩 均不小于0.5d，桩身混凝土为C40.
针对岩面起伏变化较大等情况，本工程采用一桩五孔超前钻方案，嵌岩桩桩端以下3倍桩径且不小于 5m范围内应无软弱层、断裂破碎带和洞穴分布，且在桩底应力扩散范围内应无岩体临空面.
4.2多遇地震作用下整体计算 小震规范反应谱均大于安评报告提供的反应谱，因此设计偏安全采用规范反应谱进行计算分析.
结构 计算采用了三维分析软件SATVE、ETABS，计算时考虑双向地震作用、单向偶然偏心，梁弯曲刚度考虑楼板 翼缘影响予以增大.
主要计算结果见表2.
表2整体结构主要计算结果 分析软件 SATAE ETABS 结构总质量/t 156334 154900 T1 5.01 5.02 周期 12 4.81 4.88 ↑3 3.31 扭转周期比 0. 70<0. 85 0. 66<0.85 基底剪力 X 38859 38270 /kN Y 38386 37850 剪重比 X 2.50% 2. 50% Y 2. 45% 2. 44% 底层倾覆 X 5656963 5634000 力矩/kN. Y 5571799 5510000 两个程序在周期，振型、总质量、剪重比和地震倾覆力矩几方面计算结果基本一致. 结构整体周期 比、位移比、剪重比等均满足规范要求，除加强层外其他楼层，抗侧刚度比、抗剪承载力均满足规范要求. 框架底层在X、Y两个方向承担的地震剪力占本楼层地震剪力的百分比分别为11.39%、8.32%，在结 构底区与中区楼层处的框架在两个方向承担的地震剪力占本楼层地震剪力的比例基本上均已达到10%，结 构高区楼层框架在两个方向承担的地震剪力占本楼层地震剪力的比例基本上均超过20%. 对于底部局部楼 层外框柱承担地震剪力比例小于10%时，此部分楼层核心筒进行加强处理，框架地震剪力比例在10%~20% 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 之间时，按规范要求对地震剪力进行调整. 结构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 矩与结构底层地震倾覆力矩的比值在X、Y方向均接近50%，x方向为48.47%，y方向为46.41%，均小于 50%，均满足规范要求. 计算得到X方向的刚重比为2.73，Y方向的刚重比为2.55，均大于1.4的要求，需考虑重力荷载产生 的二阶效应，结构的稳定具有足够的安全储备. T1办公塔楼为框架-核心筒结构体系，抗震等级为特一级，剪力墙墙肢轴压比限值为0.5，. 外框柱为 型钢混凝土柱，抗震等级为一级，外框柱轴压比限值为0.7（剪跨比<2时，限值为0.65）. 在规范小震下， 剪力墙墙肢及外框柱的轴压比均满足规范要求. 综上所述，结构在多遇地震下各项计算指标均满足规范要求. 4.3、多遇地震作用下弹性时程分析 T1办公塔楼多遇地震下弹性时程分析采用的地震波为2组天然波和1组人工合成的加速度时程波，每 组已含两个方向的分量. 在波形的选择上，除符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还应 满足规范对底部剪力方面的相关要求. 表3时程分析与规范小震基底剪力比较 天然波1天然波2人工波 Average 规范小震 Vx (kN) 37793. 1 34004. 8 31589. 4 34462. 5 38858. 6 与规范反应谱的比例 97. 3% 87.5% 81. 3% 88. 7% Vy (kN) 37437. 5 32597. 1 33414. 7 34483. 1 38386. 2 与规范反应谱的比例 97. 5% 84. 9% 87. 0% 89. 8% 根据上述3组时程曲线作用下的基底剪力与规范小震作用下基底剪力比较，可知在X和Y方向，三条 波的基地剪力和规范小震相比，每条波均大于规范小震基底剪力的65%，平均值均大于规范小震基底剪力 的80%，满足规范关于三条时程曲线关于结构底部剪力的要求. 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中关于时程分析的要求，当取三组时程曲线进行计 算时，结构地震作用效应宜取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值：三条地震 曲线的最大楼层位移角曲线均能够被CQC曲线包络，在塔楼高区楼层，时程曲线作用下的剪力大于CQC反 应谱计算所得的楼层剪力，在设计这些楼层时对这些楼层的地震剪力等比予以放大. 5、关键构件计算分析 5.1剪力墙性能目标 设防烈度作用下amax=0.45，荷载分项系数取1.0，材料分项系数亦取1.0，材料强度取标准值，且不 考虑承载力抗震调整系数及风荷载，验算中震不屈服工况下墙体正截面抗弯承载力. 设防烈度作用下. max=0.45，荷载分项系数及承载力抗震调整系数按规范要求，材料强度取设计值，内力调整系数取1.0，不 计算风荷载，验算中震弹性工况下墙体抗剪承载能力. 罕遇烈度作用下amax=0.90，荷载分项系数及承载 力抗震调整系数按规范要求，材料强度取标准值，内力调整系数取1.0，不计算风荷载，验算剪力墙大震 不屈服工况下抗剪截面承载力. 计算结果表明：墙肢P-M曲线图显示墙肢承载力满足抗弯性能目标要求，通过适当增加水平筋配筋率， 墙肢能满足抗剪性能目标要求，芯筒外墙肢满足大震不屈服抗剪截面要求. 5.2外框柱性能目标 T1办公塔楼外框柱的承载力验算考虑以下几个荷载组合：1）风：1.2DL1.4LL土0.84WL：2）小震弹 性：1.2DL0.6LL±1.3EQ：3）中震不屈服：1.0DL0.5LL±2.8EQ. 第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 首层-六层CI，PM曲线 首层-六层C2 PM曲线 145 图3C1角柱PM曲线 图4C2中柱PM曲线 T1办公塔楼底层柱P-M曲线如图3、图4所示，其他外框柱在中震不屈服工况下，承载力都满足 要求. 5.3伸臂及环带桁架计算 本工程伸臂桁架采用单斜杆下弦杆的形式（如图5、图6所示），均采用箱型截面，环带桁架采用单 斜杆和交叉斜杆两种，单斜杆采用箱型截面，交叉斜杆为工形截面. 单斜杆伸臂桁架形式简单，效率较高，并能有效地减小结构的项点位移及核心简倾覆力矩. 伸臂斜腹 杆与核心筒剪力墙相交，使核心筒墙体承受很大的剪力，因此在芯筒四角设置型钢，伸臂构件贯通核心筒， 并在剪力墙主应力路径上埋置斜腹杆，有利于剪力墙内部传力. f. / 2/36F 1-I 图5加强层伸臂及环带桁架 图6伸臂桁架立面 计算结果表明：伸臂桁架杆件应力比均由中震不屈服工况控制，斜腹杆最大应力比0.78，下弦杆最大 应力比0.66，杆件应力比均满足计算要求，伸臂桁架满足中震不屈服性能目标要求. 环带桁架斜腹杆应力 比均由中震弹性工况控制，斜腹杆最大应力比0.81，弦杆最大应力比0.89，杆件应力比均满足计算要求， 环带桁架满足中震弹性性能目标要求. 5.4加强层楼板应力计算 加强层的上下层楼面结构承担着协调内筒和外框架的作用，存在很大的面内应力，对加强层楼板考虑 平面内变形的有限元分析计算. 计算结果表明：在规范小震工况下，加强层的底层和顶层楼板分别在X向和Y向伸臂区域的楼板平面 内应力较为集中，大部分应力为1.5MPa，最大处不超过2.2MPa，在中震工况下，应力约为1.5*2.85=4.3MPa， 在设计过程中已经将加强层的底层和顶层楼板加厚至200mm，在施工图阶段将采取楼板内钢筋加大并且双 向拉通等措施进行加强. 5.5施工阶段安全性验算 由于外框柱与混凝土内筒轴向变形往往不一致，使伸臂桁架产生很大的附加内力，因而伸臂桁架宜分 段拼装. 在施工期间，可采取斜杆上设长圆孔、斜杆后装等措施使伸臂桁架的杆件能适应外围构件与内筒 在施工期间的竖向变形差异. 施工阶段结构侧向刚度小于使用阶段，需符合施工期间在一定概率地震作用 下结构的安全性. 经计算，在1.0恒荷载作用下，结构的刚重比满足结构整体稳定要求，构件内力计算及位移计算应考
