某超高层结构设计方案分析

某超高层结构设计方案分析

陈中华

（广东省重工建筑设计院有限公司 广州 510000）

摘要：东莞某超高层写字楼建筑，房屋结构高度为224m，位于东莞市虎门镇。根据建筑方案及结构高度等设计条件，通过计算分析确定该结构采用框架-核心筒结构体系。为达到合理的经济性，通过对不同类型的竖向构件的经济性比选，确定了核心筒采用钢筋混凝土剪力墙的竖向结构体系，水平结构体系采用钢筋混凝土梁及楼板。针对结构布置及规范限制，对核心筒、外框柱、主要框架梁等主要受力构件进行了详细的计算分析，并针对性地采取了加强措施，保证了结构在地震作用下的安全性能。

关键词：超高层建筑；框架核心筒；钢板剪力墙；关键部位分析；经济性比选

1.工程概况

本项目位于东莞市虎门镇虎门高铁站核心区504地块。项目总建筑面积约166810 m2,其中地下室面积34800 m2，由一栋超高层写字楼（33#）、商业裙楼（34#）及地下室组成，写字楼地上49层，结构高度224 m，商业裙楼地上5层，结构高度29.2m，整体地下室3层。项目周边场地情况复杂，紧邻运营中的广深港高铁、东莞地铁R2线及穗莞深城际轨道。该项目抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组，场地类别为II 类，特征周期为0.35s，50年重现期基本风压为0.65KN/㎡，地面粗糙度取C类，风荷载体型系数为1.4。结构安全等级为二级，裙楼抗震设防类为重点设防类，裙楼以上为标准设防类，上部结构嵌固端为地下室顶板。

2.结构选型

2.1 整体结构方案选择

本建筑为5A级超甲写字楼，平面尺寸为52.6mx39.8m。为满足项目运营后自由组合出租的空间使用需求，需要结构体系满足大开间、大进深的特点，且下部裙楼为商场，需尽量减少竖向构件对商场运营的影响。同时，结构体系应能达到相应的抗震设防目标。针对上述需求，结构体系选择了框架-核心筒结构体系，标准层的建筑图及结构布置详见图2.1、图2.2 。

图 2.1  33 号办公塔楼标准层平面图      图 2.2  33 号办公塔楼标准层结构布置图

选用北京盈建科软件股份有限公司编制的YJK 软件（V2.0.3 版）和美国CSI 公司编制的有限元分软件：ETABS（2018）。考虑上部结构嵌固于地下室顶板，计算时取不带地下室模型进行计算。

模型主要假定如下：

1、采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法。

2、计算时考虑双向地震的影响。

3、抗震计算时考虑的振型数使振型参与质量不小于总质量的90%。

4、选用5 条天然波及2 条人工波进行多遇地震下弹性时程分析。

5、初步计算时外框柱28层及以下为钢管混凝土柱，上部为钢筋混凝土柱。

计算结果表明，计算模型在不同的计算软件中楼层质量基本相同，整体趋势一致，满足规范要求。振动特性基本一致，周期接近，扭转和平动周期比为0.67 和0.572，基本满足规范要求（不大于0.85）。

楼层剪力、倾覆力矩基本相同，总体变化趋势一致，曲线平滑，分布合理。X 向地震作用的各层剪力及倾覆力矩均大于风荷载作用，地震作用起控制作用。Y 向风荷载作用的各层剪力及倾覆力矩均大于地震作用，风荷载起控制作用。

层间位移角基本相同，变化趋势一致，两个方向的风荷载和地震作用下的层间位移角均满足规范要求。扭转位移比基本相同，变化趋势一致，均未超过规范1.2 限值。层剪重比基本相同，变化趋势一致。大部分楼层剪重比满足规范要求（不小于1.20%）。对于剪重比小于规范限值的情况，根据规范要求对楼层剪力进行放大。

通过计算结果的分析表明，结构布置总体方案可行，且满足建筑方案对结构体系的要求，符合业主对整体经济性的大体要求，故确认本项目结构体系采用框架-核心筒结构。

2.2 核心筒结构选型

本项目为超高层建筑，且定位为5A级超甲写字楼，竖向荷载较大，导致竖向构件的尺寸较大从而影响建筑使用功能，为了提高结构的安全性能及经济性，根据业主要求对核心筒剪力墙的结构形式进行比选。

2.2.1 -2~6层剪力墙方案比选

本项目嵌固端为地下室顶板，6层以下为商场，属重点设防类，层高6m，标准层层高4.5m。根据计算结果，为满足底部加强区剪力墙的抗震承载力要求，拟采用三种方案进行比较。方案一为控制水平分布筋仅满足最小配筋率要求但不限制墙厚，方案二为同时控制墙厚及水平筋的配筋率，方案三为在剪力墙中加型钢以控制墙厚。分别采用YJK建模计算，对比结果详见表2.2.1-1  。

表2.2.1-1 -2~6层剪力墙三种方案对比结果

由表2.2.1-1数据可知，三种方案均能满足抗震承载力要求，但经济性有所差异，方案一最经济，方案三次。但经过与建筑专业确认，方案一由于墙厚为1900mm，对建筑方案影响较大，无法采用此方案。故经过综合比选，确定采用方案三。

2.2.2 7~20层剪力墙方案比选

通过前期计算数据显示，20层以上剪力墙采用普通钢筋混凝土即可达到承载力等要求，且经济性较好，故仅需对7~20层剪力墙方案进行比选。针对该区域剪力墙，选取纯钢筋混凝土剪力墙及型钢混凝土剪力墙两种结构形式进行计算比选。计算中控制两方案混凝土强度等级保持一致，轴压比均控制不超过0.5，墙体厚度不能超过建筑允许的最大厚度1100mm。钢板混凝土剪力墙在角部采用组合截面型钢，在中间采用工字钢且均匀布置，具体详见图2.2.2-1

图2.2.2-1 剪力墙型钢布置平面图

通过计算，两种方案的构件尺寸及经济性指标见表2.2.2-2 。

表2.2.2-2 构件尺寸及经济性指标表

从表2.2.2-2中数据数据可知，采用纯钢筋混凝土剪力墙无疑更经济，但是考虑到采用型钢混凝土剪力墙可以使墙厚减少27.27%，大大增加了实用面积，经业主测算考虑实用面积更加经济，故最终采用了型钢混凝土剪力墙。

3.结构关键部位分析

3.1 剪力墙、外框柱拉应力分析

中震作用下，需验算底部楼层核心筒剪力墙是否出现拉力。计算结果表明，在中震作用下，墙和柱均无拉应力，按小震中震包络设计即可满足受力要求。

3.2 开洞楼层板应力分析

对计算模型三层、三十三层、三十四层平面开洞周边楼板进行中震弹性的应力分析，楼板采用平面膜单元模拟。

图3.2-1~图3.2-2 给出了地震应力分布情况（限于篇幅仅截取典型楼层）。

图 3.2-1 三层楼板板顶 X 向地震下最大主应力分析

图 3.2-2  三十三层楼板板底 X 向地震下最大主应力分析

从计算结果看，在中震作用下：开洞处剪力墙周边楼板应力较大，但该层绝大多数楼板应力均小于混凝土抗拉强度标准值ftk（C35 混凝土为2.2N/mm2）。因此可认为在中震作用下，楼板面内不会产生贯通性的裂缝，能有效传递水平力。

根据应力分析的结果，对本层楼板板厚取150mm，钢筋双层双向拉通，最小配筋率为0.25%。同时，对应力集中的部位，根据应力情况对该区域配筋进一步加强。

3.3 穿层柱补充有限元屈曲分析

因造型需要，本工程在首层有2 层通高的穿层柱，空中大堂有3 通高的穿层柱。由于穿层柱线刚度与周边柱差异较大，导致其在罕遇地震作用下整体受力复杂，因此有必要对其进行专项分析。

采用 YJK 软件对穿层柱进行了有限元屈曲分析。屈曲分析荷载工况组合系数：为恒载 1.0，活载0.5。对穿层柱进行计算长度的屈曲分析。计算采用 YJK 进行屈曲分析，建立一个整体模型，通过计算第一阶屈曲模态分析得到混凝土柱的临界荷载，最后由欧拉公式反算出柱的计算长度。

穿层柱验算结果详见表3.3-1 。

表3.3-1 穿层柱验算成果

由表3.3-1数据可见，穿层柱的稳定性和承载力均能满足要求。同时，加强穿层柱起止楼层周边的框架梁及楼板的截面和配筋，增强对穿层柱的约束作用。

4 结论

（1）写字楼等建筑，因其使用的特殊性，采用框筒结构能最大限度满足建筑大开间、大进深的需求。为最大限度满足建筑需求，同时满足经济性的要求，框筒结构的外框柱采用型钢混凝土柱的结构形式，有利于减少截面尺寸，降低造价；核心筒剪力墙底部楼层采用型钢剪力墙，虽经造价不是最优，但对于实用率的提高带来更大的经济效益，同时能很好的满足结构计算需要。

（2）本项目虽然存在一些不规则项，但在设计中充分利用概念设计方法，从分析和研究结构整体性能入手，对不同构件采用相应的性能化目标。在抗震设计中，采用不同程序或同一程序的不同计算方法对结构进行了小震弹性反应谱、小震弹性动力时程、中大震作用下不同性能水准点的等效弹性计算、大震弹塑性计算分析。计算结果表明，各项指标表现良好，满足规范的相关要求。根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件从计算与构造两方面采取措施进行适当加强，并对薄弱部位进行了针对性的结构加强，从而保证本超限结构设计做到安全、经济、合理。因此，可以认为本结构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、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。本结构安全、经济、可行。

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