广州黄埔文冲城中村改造项目I1、I4塔楼结构设计张显裕

广州黄埔文冲城中村改造项目I1、I4塔楼结构设计张显裕

张显裕

张显裕

广东省建筑设计研究院广州510010

摘要：本工程I1、I4栋塔楼属于超限高层建筑，采用部分框支剪力墙结构，按超限审查要求分别进行小震弹性计算、弹性时程分析、中震验算及大震静力弹塑性推覆分析，依据计算分析结果及结构构件、部位的重要性分别采取不同的抗震加强措施，以确保整体结构的安全。

关键词：超限高层建筑；抗震性能目标；弹塑性分析；抗震加强措施

1工程概况

广州黄埔文冲城中村改造项目I1、I4栋塔楼位于广州黄埔区石化路以西文冲村内，地面以上31层，建筑总高度为86.8米。地面以下2层，主要为停车库及设备用房，其中地下2层为核六级人防地下室，建筑效果图和剖面图见图1。

本工程设计基准期为50年，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为七度，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期0.38s，抗震设防分类为丙类。基本风压值为0.5Kn/m2（50年一遇，用于水平位移验算），承载力设计时取0.6Kn/m2（百年一遇），结构体型系数、风压高度变化系数、风振系数等均按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版）取值。根据地质勘探资料，本工程采用旋挖桩基础，持力层为中风化砂砾岩，基础设计等级为甲级。

2.结构体系

根据建筑功能的要求，I1、I4栋塔楼采用部分框支剪力墙结构。部分竖向构件上下不连续贯通，需要进行竖向构件转换。考虑工程实际情况，在二层楼面设置转换梁进行竖向构件转换，部分转换梁因剪力较大、层高受限，采用型钢混凝土组合梁。结构的主要抗侧力构件为剪力墙，以提供结构的抗侧及抗扭刚度。转换层楼板厚180mm，双层双向配筋，以承担较大的水平力转移。核心筒旁楼板薄弱处，楼板加厚至150mm并双层双向配筋。同时，加强薄弱部位连接板配筋，来抵抗连廊两边楼层变形不均时的应力差引起的开裂。二层楼面有局部楼板不连续，导致跨层剪力墙，通过加厚剪力墙满足其稳定性和承载力要求。

主要构件尺寸：地下室位置剪力墙厚度均为400mm；塔楼位置剪力墙，首层厚度为400mm，其余楼层剪力墙厚度均为200mm。支撑型钢混凝土转换梁的框支柱采用型钢混凝土柱，截面为1500X1200，1450X800，1200X1200；型钢混凝土组合梁截面为1000x2000或800x2000或800x1800。框支柱、剪力墙采用C55~C30混凝土，转换层楼盖采用C40混凝土，其余楼盖采用C30混凝土。标准层及二层（转换层）结构平面见图2.1、图2.2。

根据上述计算结果，结合“高规”及“省补充规定”规定的要求及结构抗震概念设计理论，可以得出如下结论：在偶然偏心地震荷载作用下，最大扭转位移比大于1.20，小于1.40，属于扭转不规则结构，不满足“高规”4.3.5条A级高度建筑。扭转不规则使主体结构薄弱部位往往在整体结构边缘区域，所以采取减小边缘结构竖向构件轴压比、剪压比及提高配箍率、配筋率等措施，提高结构延性，避免脆性破坏，另外对于楼板凹凸角、弱连系楼板采用楼板加厚，双层双向钢筋贯通配筋构造。除此之外，各向整体指标均能满足高规的有关规定或未超出高规的最大限值；墙、柱的轴压比和各构件的强度及变形也均能满足高规的相关要求。

5.3多遇地震作用下弹性时程分析补充计算

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）第5.1.13条规定，本工程采用了弹性时程分析方法进行了补充计算。输入地震波为两组实际地震记录（SATWE软件选波），并在由《场地地震安全性评价报告》提供的地震波中选取一条场地合成人工波USER3输入SATWE进行弹性动力时程分析。进行弹性动力分析时按7度地震Ⅱ类土，50年时限内超越概率为63.2%（小震），阻尼比为0.05考虑。经计算，I1、I4栋楼0度方向的计算结果总结如下：时程分析结果满足平均底部剪力不小于振型分解反应谱法结果的80％，每条地震波底部剪力不小于反应谱法结果的65％的条件。由上述各图对比可见，弹性时程分析的楼层反力和位移平均值均小于安平反应谱结果，反应谱分析结果在弹性阶段对结构起控制作用。楼层位移曲线以弯曲型为主，位移曲线光滑无突变，反映结构侧向刚度较为均匀。

5.4设防烈度地震分析及验算

对设防烈度地震（中震）作用下，除普通楼板、次梁以外所有结构构件的承载力，根据其抗震性能目标，按最不利荷载组合进行验算，但不考虑规范规定的构件内力增大、调整系数。根据《场地地震安评报告》，在计算设防烈度地震作用时，水平最大地震影响系数αmax＝0.239，阻尼比ξ=0.05。墙、柱在中震作用下未出现屈服，部分楼层的个别连梁、框架梁的配筋需求比多遇地震作用下的需求要高，仅小部分连梁和框架梁出现屈服情况。按弹性楼板计算的简要计算结果如下表5.4：

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6.2主要计算结果分析

结构抗震性能分析需从结构整体性能和构件塑性变形程度两个方面来考虑。整体性能可通过弹塑性层间位移角、剪重比、结构顶点位移、底部剪力、结构塑性发展过程及塑性发展区域来评估；构件则通过构件塑性铰的变形发展程度来评估。经分析：

（1）在罕遇地震作用下静力弹塑性分析结果表明，性能点处各层位移角最大值均小于1/120，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.6.5条的规定，结构在地震过程中不会出现不可恢复的变形，满足“大震不倒”的抗震设防目标。

（2）结构在加载开始时，极少数连梁出现损伤，在性能点处时抗震墙主要在底部推覆的受拉一侧出现小面积的损伤，与其相交的同推覆同向的墙也同时出现一些损伤，但未有连续发展的情况出现。

7超限处理主要措施

7.1设计和加强措施

1．本工程的框支柱和转换梁是本工程的重要构件，因此，按中震弹性、大震不屈服性能目标进行设计，在部分构件中设置型钢，增强了构件在地震下的承载力和延性。框支柱的轴压比在0.6以内。

2．本工程中抗震墙是主要的抗侧力构件，所以应该提高关键部位墙肢的延性，使抗侧刚度和结构延性更好地匹配，达到有效地协同抗震。

a）抗震墙墙肢轴压比控制按“高规”要求不大于0.6。

b）底部加强区剪力墙抗震等级为二级，墙身水平和竖向分布筋配筋底部加强部位最小配筋率0.25％；约束边缘构件竖筋最小配筋率为1.05％，体积配箍率不小于1.7％（箍筋采用Ⅱ级钢）。

c）抗震墙底部加强区满足大震不屈服性能目标。

3．转换层楼板取h＝180mm，每层每方向的配筋率不小于0.25％。转换层以上一层楼板、楼板局部不连续的楼层楼板，板厚均为h＝150mm，每层每方向的配筋率不小于0.25％。

7.2计算手段

1）设计时分别采用两个空间结构分析程序SATWE和GSSAP进行计算，考虑扭转耦联和偶然偏心地震作用；对关键构件如框支柱、转换梁等采用两个计算程序的计算结果的包络值进行设计。

2）按规范要求，选用两组II类场地上的地震波和一组《地震安全性评价报告》所提供的场地人工波，对结构作弹性时程分析，并将结果与反应谱分析结果相比较。

3）对关键构件进行中震弹性验算，了解其抗震性能，并采取相应加强措施。

4）针对上述超限情况，采用PUSHOVER对本工程结构进行罕遇地震下的弹塑性静力分析，以确定结构能否满足第二阶段抗震设防水准要求，并对薄弱构件制定相应的加强措施。

8结论

综上所述，本工程虽然属于A级高度的超限高层建筑，但结构形式比较简单、体型规则，我们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、弹塑性静力计算分析，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了在中震和大震下的楼板应力分析。计算结果表明，多项指标均表现良好，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，亦满足“小震不坏，中震下主要构件不屈服、震后可以修复，大震不倒塌”的抗震设防目标。结构是可行且安全的。

参考文献：

[1]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ-2002高层建筑混凝土结构设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]徐培福，傅学怡，王翠坤等。复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.