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1、南京南部新城某超限办公楼结构设计 吕恒柱 李瀚 石英 徐从荣 南京金宸建筑设计有限公司 摘 要： 南京南部新城某超限办公楼地面以上高度 144.7 m, 采用框架-核心筒结构。针对结构超高、楼板局部开大洞、局部穿层柱及偶然偏心下的扭转不规则等超限情况, 采取相应抗震措施, 并通过多种分析软件进行小震反应谱计算, 小震弹性时程分析和大震静力弹塑性时程分析。同时, 介绍了基础设计的相关内容。结果表明, 采取相应措施后, 各项指标均满足规范要求, 并满足设定的性能目标要求, 结构具有良好的抗震性能。关键词： 超限高层建筑; 抗震性能目标; 弹塑性时程分析; 结构设计; 作者简介：吕恒柱 (1980)
2、 , 男, 江苏徐州人, 高级工程师, 从事基础优化及超限高层设计工作。收稿日期：2017-03-20Structure Desgin on an Over-Limited Office Building of the New Southern Town of NanjingLYU Hengzhu LI Han SHI Ying XU Congrong Received： 2017-03-201 工程概况本项目位于南京市雨花台区南部新城内, 东临石林家乐家广场。上部由一栋超高层办公楼, 一栋高层酒店式公寓, 一栋高层 LOFT 办公楼和一栋多层商业裙房组成 (图 1) , 总建筑面积 170
3、892 m, 主要包括商务办公、酒店式公寓和商业等功能。项目整体设 3 层地下室连为一体, 地下 3 层战时为人防工事, 地下 3层地下 1 层平时均为车库及设备用房。地下 3 层和地下 2 层层高为 3.80 m, 地下 1 层层高为 6.20 m。地面以上各单体间设抗震缝, 分为独立的抗震单元。本文主要介绍超高层办公楼的结构设计, 该办公楼地上 35 层, 结构主体高度为144.7 m, 首层层高为 5.20 m, 以上各层层高均为 4.1 m, 其中 12 层和 24 层为避难层。其紧邻的商业裙房共 4 层, 总高度为 19.8 m。本工程设计使用年限为 50 年, 安全等级为二级, 抗
4、震设防类别为标准设防类 (丙类) , 地震设防烈度为 7 度, 设计基本地震加速度值为 0.10 g, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为类, 特征周期值为 0.45 s, 地基基础设计等级甲级, 基本风压按 50 年一遇取值为 0.40 k N/m (承载力设计时按基本风压的 1.1 倍采用) , 地面粗糙度类别为 B 类。图 1 建筑效果图 下载原图2 结构体系办公楼高 144.7 m, 属 B 级高度的高层建筑, 采用框架-核心筒结构。其核心筒容纳了建筑的垂直交通功能, 并承担竖向及水平向荷载作用, 布置于楼层平面的中心位置, 使得结构质心和刚心能够基本相互重合, 2 层和标准层结构
5、平面布置图见图 2、图 3。核心筒剪力墙和外围框架柱自基础至屋面机房层贯通连续 (除顶层屋面局部收进外) , 墙体截面厚度及柱平面尺寸沿竖向逐渐减小, 结构体系的主要尺寸见表 1, 主要抗侧力构件尺寸见表 2。除-6.209.30 m 标高段的外围框架柱采用型钢混凝土外, 其余部分均为钢筋混凝土。结构标准层为减轻结构自重, 从而减小板厚, 采用井字梁布置方式以减小板跨, 核心筒区域板厚 120 mm, 普通楼层板厚 100 mm, 板跨较大处适当加厚。地下室顶板作为工程嵌固端, 板厚不小于 180 mm, 采用剪切刚度法计算的嵌固端上下层刚度比满足建筑抗震设计规范 (GB 500112010)
6、 1 (以下简称抗规) 要求。图 2 2 层平面布置图 下载原图依据高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ 32010) 2 (以下简称高规) 规定, 本工程结构框架与核心筒的抗震等级均为基础顶-10.05 m 标高段为三级, -10.05-6.25 m 标高段为二级, -6.25 m屋面标高段为一级, 其中, -0.059.25 m 标高段为底部加强区, 其结构抗震构造措施提高至特一级。图 3 标准层平面布置图 下载原图表 1 结构体系的外部尺寸 下载原表 表 2 主要抗侧力构件尺寸随高度变化情况 下载原表 3 基础设计因地下室底板底标高至 (5) -1 层强风化泥岩距离很近 (25 m 不等
7、) , 根据上部结构荷载情况, 若采用预制管桩, 受桩长限制, 无法达到所需的承载力要求, 因此桩基类型采用钻孔灌注桩, 并选择 800 mm 和 900 mm 两种直径的桩型作经济性比较。桩基计算均以 (5) -2 层中风化粉砂质泥岩为持力层, 岩石饱和单轴抗压强度标准值为 2.33 MPa, 属于极软岩。为提高单桩承载力, 满足设计需要, 入岩深度取 10.0 m。同样的入岩深度, 900 mm 直径桩相较于 800 mm 直径桩, 虽承载力提高了 1.12 倍, 但混凝土用量增加了 1.27 倍, 且 900 mm 直径桩未能充分利用桩身强度, 因此, 800 mm 直径桩更为经济。同时
8、, 核心筒区域单位面积荷载重, 桩数多, 布桩面积较大, 小直径的桩型更有利于核心筒下的布桩。综合考虑以上因素, 最终选择 800 mm 的灌注桩, 桩基设计等级为甲级。因场地内各岩土层分布有较大起伏, 实际以 (5) -2 层中风化粉砂质泥岩或 (5) -3 层中风化细砂岩作为桩端持力层, 进入持力层深度分别不小于 10 m 和 2.4 m, 有效桩长约 1317 m, 桩身混凝土强度等级为 C35, 单桩抗压承载力特征值为 5 000 k N。核心筒区域筏板厚 2.7 m, 其余位置防水底板厚 0.8 m。周边裙房及纯地下室采用筏板基础, 筏板厚 0.8 m, 抗冲切不满足处增加 1.2m
9、 厚柱墩, 自重不满足抗浮设计部位, 采用直径 600mm 的抗拔钻孔灌注桩进行抗浮设计, 抗拔桩有效桩长约 8.511 m, 单桩抗拔承载力特征值为 1 000k N, 均匀布置于筏板内。本工程自身荷载及刚度分布不均匀, 核心筒面积占楼层总面积的 22.5%, 但荷载占比达 55%, 其刚度较外围框架柱大, 与其紧邻的多层裙房在荷载及刚度方面的差异更大, 设计需控制核心筒与外围框架柱之间以及办公楼与裙房之间的沉降差异。办公楼以岩层作为持力层, 自身沉降变形能够满足规范要求。通过采取增大核心筒区域内布桩系数, 办公楼与周边地下室之间设置沉降后浇带, 沉降稳定后封闭等措施, 解决相互间的沉降差异
10、。楼层的剖面示意图见图 4。4 结构超限情况结合抗规1、高规2及超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 (建质201567 号) 判断本工程结构存在的不规则情况如下:1) 考虑偶然偏心的扭转位移比最大为 1.27 大于 1.2, 为扭转不规则;2) 2 层楼面开洞面积超过该层楼面面积的 30%达 70% (图 2) , 且楼板有效宽度小于 50%, 造成楼板不连续, 为平面不规则, 而且产生局部穿层柱;3) 34 层存在梁抬柱结构转换, 其上下墙、柱和支撑等竖向抗侧力构件不连续, 为竖向不规则。则经平面和竖向归并后共存在 3 项一般不规则, 本工程无特别不规则情况。综上所述, 办公楼为具有
11、3 项一般不规则的 B 级高度超限高层建筑。图 4 楼层剖面示意图 下载原图5 结构抗震性能目标及加强措施针对结构超限情况, 综合考虑结构不同部位构件的重要性, 本工程抗震性能目标设定为 D 级, 并对关键部位 (如 2 层开大洞处的穿层剪力墙、框架柱及底部加强区其余部位的剪力墙和框架柱) 提出更高的性能目标, 具体目标表述如下:1) 结构在小震作用下完好、无损伤, 不需修理即可继续使用。2) 中震作用下, 底部加强区及上下层剪力墙和框架柱保持抗剪弹性, 抗弯不屈服 (加强区提高为弹性) , 框架梁和连梁等耗能构件中度损伤, 部分比较严重损坏。宏观损伤程度为中度损坏, 修复或加固后可继续使用。
12、3) 大震作用下, 底部加强区及上下层剪力墙和框架柱抗剪不屈服, 不允许斜截面剪切破坏, 满足截面抗剪的控制条件, 允许局部正截面屈服。普通竖向构件部分损坏比较严重。宏观损坏程度为需要排险大修。为实现上述抗震性能目标并考虑本工程结构存在的不规则, 设计采取的主要加强措施如下:1) 补充计算小震作用下的弹性时程分析。2) 采用 PKPM 软件对结构进行大震下的静力弹塑性推覆分析, 以考察结构的抗震性能, 研究各部位变形形态和破坏状态, 对分析中发现的薄弱部位采取有针对性的加强措施, 保证重要部位不屈服, 并控制整体结构的塑性变形满足规范要求。3) 对底部加强区核心筒剪力墙、框架柱以及在中震不屈服
13、工况下出现偏心受拉的底部加强区其余楼层的剪力墙, 抗震构造措施按特一级进行加强。4) 对 2 层楼板开大洞所形成的穿层柱内设型钢并适当加大截面尺寸, 以提高其承载力和延性。5) 多条框架梁与核心筒角部剪力墙搭接, 墙肢受力复杂, 全高设置约束边缘构件, 其余核心筒外墙的约束边缘构件延伸至轴压比不大于 0.3 的高度。6) 严格按规范要求控制剪力墙、框架柱的轴压比 (剪压比) , 保证剪力墙和框架柱的延性, 从而提高整个结构的变形能力。7) 在施工图构件配筋阶段, 对结构角柱的剪力、弯矩增大系数进行适当放大, 配筋作适当加强。6 结构分析6.1 小震反应谱计算与分析结构分别采用 SATWE 和
14、Midas Building 两种软件进行结构小震计算。模型总体参数计算均未带地下室相邻跨。两种软件的计算结果对比见表 3。表 3 两种软件的计算结果对比 下载原表 计算结果表明, 本工程核心筒尺寸较规则, 两个方向的刚度、周期和振型接近, 结构整体具有良好的抗扭刚度和抗侧刚度。图 5 和图 6 分别为各楼层框架地震剪力占结构底部总剪力值的百分比和规定水平力作用下各层框架承担的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值。可知, 结构底层总地震剪力的 10%分别为 Vx=1 429 k N、V y=1 450 k N, 框架部分各楼层剪力最大值为 Vx=2 575 k N (11F) 、V y=2
15、710 k N (11F) , 满足高规2第 9.1.11 条规定。当 X 向和 Y 向的楼层框架地震剪力百分比小于底部总剪力的 20%时, 框架柱按不小于结构底部总剪力 20%和框架部分楼层地震剪力最大值的 1.5 倍两者的较小值进行剪力调整。底层框架承担的双向倾覆弯矩比均小于 50%, 亦满足高规2的相关要求。图 5 各层框架地震剪力百分比 下载原图图 6 各层框架倾覆弯矩比 下载原图6.2 小震弹性时程分析本工程采用 SATWE 程序自带的一条人工波 (RH1TG045) 和两条天然波 (TH4TG045、TH1TG055) 进行小震弹性时程分析。计算时地震波有效峰值加速度调整至规范值
16、35 cm/s, 各条波以双向水平的地震波输入, 主、次方向峰值加速度最大值按 10.85 的比例来调整。弹性时程分析的结构基底剪力见表 4, 层剪力分布情况见图 7。可知, 时程曲线计算所得结构底部剪力满足抗规1第5.1.2 条要求, 顶部区段楼层剪力结果略大于反应谱结果, 对这些楼层取时程分析和反应谱结果的包络作为设计依据, 取时程分析剪力与反应谱剪力的比值作为放大系数, 进行结构验算。表 4 弹性时程分析基底剪力 下载原表 图 7 弹性时程与反应谱分析层剪力 下载原图6.3 大震静力弹塑性时程分析考虑本工程总高 144.7 m, 平面较规则, 根据高规2第 3.11.4 条规定, 选用PKPM 的 PUSH&EPDA 相关模块进行大震下静力弹塑性分析, 用于分析的实配钢筋按照 SATWE 计算得到的配筋, 侧推荷载采用“倒三角”形式。静力推覆结果显示, X 向的需求层间位移角为 1/199, 所对应
