重庆吾悦广场西区超限高层结构设计

重庆吾悦广场西区超限高层结构设计

田俊永，汤芸，龙杭，周浩然 ,周松

重庆市设计院有限公司，重庆 400050

[摘要] 重庆吾悦广场西区塔楼采用框架核心筒结构形式，裙房为框架结构，结构嵌固端设置在-1F楼面标高，结构高度为228.70m。塔楼标准层建筑平面为矩形。结构存在多项指标超限，根据预设的抗震性能目标，采取了相应的加强措施。通过对结构进行小震下两种软件的对比分析、静力弹性时程分析、大震下动力弹性时程分析等，结果表明结构各项指标满足规范要求，可以达到预期的抗震性能目标。

[关键词]框架-核心筒；抗震性能目标；弹塑性时程分析；

Structure design on out-of-code high-rise building for Chongqing Wuyue Plaza

Tianjunyong，Tangyun，Longhang，Zhouhaoran，Zhousong

(Chongqing Architectural Design Institute Co.Ltd.)

Abstract： The west tower of Wuyue Plaza in Chongqing adopts the frame-corewall structure, and the podium is a frame structure. The fixed end of the structure is set at -1F floor elevation, and the height of the structure is 228.70m.The building plan of the tower standard floor is rectangular.There are many indicators of the structure exceed the limit, according to the preset seismic performance target, the corresponding strengthening measures are taken.Through the comparison analysis of two kinds of software under small earthquake, static elastic time history analysis and dynamic elastic time history analysis under large earthquake, various indexes of the structure can meet the requirements of the code, and the expected seismic performance can be achieved.

[Key words] frame-corewall structure; performance-based seismic design; elastic-plastic time-history analysis

1. 工程概况
2. 工程简介

本工程项目位于重庆市渝北区中央公园西北侧，总用地面积为 47987㎡，总建筑面积为441925㎡，包括超高层办公楼、综合商业、地下车库及设备用房。东西区嵌固端以上部分设置抗震缝。西区部分由一栋超高层办公塔楼和商业裙房组成并连为整体。塔楼A地下3层,地上48层，地上标准层层高为4.0～4.5m。塔楼A采用框架核心筒结构形式，结构嵌固端设置在-1F楼面标高，从嵌固端算起的结构高度为228.700m，为超B级高度的高层建筑。塔楼标准层建筑平面为矩形。裙房商业地下3层地上8层。

图 1建筑效果图

2. 设计条件和参数

本工程抗震设防类别为乙类，建筑结构的安全等级取二级，设计使用年限为50年。地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为六度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。基本风压取50年一遇的基本风压值0.40kN/m2,承载力设计时取1.1倍。地面粗糙度取C类。乙类建筑抗震等级需要提高一度采取抗震措施，修正后塔楼A及相关范围裙房为一级，裙房为二级。

2. 地基基础
3. 基础持力层和基础形式

本工程以中等风化基岩作为基础持力层，并嵌岩一定深度。塔楼周边框架柱基础类型选用大直径挖孔桩基础，核心筒下部采用筏板基础。裙房基础采用桩基础。相邻基础底部满足45°的刚性角要求，保证相邻基础的受力要求；对于位于基坑边坡坡顶的基础，基底进入边坡潜在破裂面以下一定深度。

1. 轨道保护

基坑北侧为正在运营的轨道交通10号线，基坑分三阶开挖支挡，根据地质条件不同和轨道结构形式不同，支护方式分别采用放坡、桩板挡墙、锚拉桩等，并按永久性边坡考虑。安全等级为一级，设计年限按100年考虑。土石方采用非爆破方式开挖，严格按“动态设计”、“信息法施工”原则执行，采用逆作法施工，加强施工期监测和信息反馈。

3. 结构布置和超限类别及程度
4. 地下室埋深

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》要求，高层建筑基础应有一定的埋置深度。本工程核心筒筏板基础底部标高为地坪下2米，外框筒框架柱采用桩基础，桩顶标高为地坪下0.6米。嵌固端以下有2层地下室，埋置深度为7.6米。不满足规范所需的地下室埋置深度为228.700x1/18=13。需要计算风及大震作用下的抗滑移和抗倾覆分析。计算时，水平力取风和大震基底剪力的较大值，竖向荷载取重力荷载代表值，基底摩擦系数根据地勘建议，中风化泥岩基底摩擦系数取0.4。采用等效弹性方法计算大震基地剪力。暂不考虑基础嵌岩侧壁的有利作用和局部地下室侧壁的嵌固作用。结构抗滑移安全系数大于8.0，结构整体抗倾覆安全系数大于3.0，基底无零应力区。

2. 结构体系和布置

重庆地区地震设防烈度较低，裙房采用框架结构，塔楼采用框架核心筒结构，未设置加强层，外框架在18层以下采用型钢混凝土框架柱，利用楼电梯井等部位隔墙布置钢筋混凝土核心筒。主楼与裙房不设置抗震缝。塔楼A结构平面外边轮廓为双轴对称，外形为正方形倒角，平面尺寸为47.00x47.00，长宽比为 1，形状规则，质量和刚度较均匀，为风荷载效应较小的平面。

图 2塔楼标准层平面布置图

3. 3. 结构超限情况分析和抗震性能目标

   塔楼A在裙房屋面竖向构件收进，收进位置结构高度为42米，结构总高度228.70米，48/228.70=0.21≥0.2。塔楼A平面位置偏置，相邻层质心相差与边长的比值大于0.15。

   嵌固端以上西区地块北侧地势东高西低，结构挡土墙单面布置，高度约10～17米，楼层刚度分布不均匀；塔楼A偏置商业部分刚度分布不均匀；商业南侧存在局部越层柱，竖向构件刚度较弱；在刚性楼板假定下，考虑偶然偏心时结构的最大弹性水平位移（或层间位移）与平均位移（或层间位移）之比最大 1.58，扭转不规则，裙房楼层位移比最大的地方位于南侧越层框架柱, 裙房以上塔楼位移比均小于1.2。塔楼部分平面扭转规则。

   裙房商业部分在中庭部位，布置有较大的洞口。楼板有效宽度与该层楼板典型宽度的比值最小为32%。

   综上所述，本工程依据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建设部建质[2010]109号）和《重庆市超限高层建筑工程界定规定》（2016 年版）（渝建发[2016] 203号）的相关规定，为抗震超限结构，需要进行专项分析。

   根据本工程的场地条件、社会效益、结构的功能和构件重要性，并考虑经济因素，结合概念设计中的“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的基本理念及建设单位要求，本工程整体性能目标按C级控制，塔楼相关范围以外的裙房部分为D级，其中大跨度部位框架柱性能目标为C级。控制其在大震下的损伤程度，减少大震后的修复。根据《建筑抗震设计规范》附录M给出的抗震性能设计参考方法的规定以及《高层建筑混凝土结构技术规程》的相关规定，具体控制目标见表3。

   塔楼A及相关范围抗震设计性能目标 表3

    

    

1. 1. 结构整体计算
   2. 计算软件和计算模型

   本工程选用多高层建筑结构分项软件Satwe和Midas Building进行弹性分析计算对比。通过两个软件计算的周期、层间位移角、顶点位移、基底最大剪力等结果来判别两个软件计算的有效性。采用Midas building软件对结构进行小震弹性时程分析和大震弹塑性分析。

   2. 结构周期和振型

   两个计算软件计算的主要自振周期及其对应的主振动方向的对比分析见表4。前两阶模态均为平动，第3 阶为扭转模态。周期比小于0.85，有效质量系数大于90%。

   结构自振周期及周期比 表4

    

    

3. 3. 剪重比调整

   根据抗震设计规范第5.2.5条，基本周期大于5秒的结构，楼层最小地震剪力系数λ为0.006，嵌固端以上裙房楼层剪重比略小于0.006，为0.52%～0.58%，约占总楼层数的15%。裙房以上剪重比均满足规范要求。

   4. 位移指标

   风荷载及地震作用下楼层最大弹性层间位移角均小于规范规定的1/800。

   结构最大层间位移角 表5

    

5. 5. 楼层侧刚比和抗剪承载力比值

   除裙房屋面结构收进外，楼层抗侧构件沿高度均匀变化，楼层受剪承载力和抗侧刚度沿楼层高度分布较均匀。满足规范要求。

   6. 框架和剪力墙地震剪力的分配

   分别建立塔楼模型和塔楼裙房模型，塔楼模型的底部几层柱剪力分担比例，较带塔楼裙房模型有所增加，增加范围在2～5%。为了实现外框柱的二道防线作用，塔楼相关范围部分抗震等级同塔楼，提高塔楼相关范围框架的性能目标，保证底部区域二道防线的共同作用。框架按0.2V0和1.5Vf,max二者的较小值进行剪力调整。

   7. 弹性时程补充分析

   采用Midas building软件对结构进行小震弹性时程补充分析。对结构基底剪力、层间位移角、顶点位移等进行对比分析。考察结构薄弱部位的最大动力反应。依据规范要求选取5条天然波和2条人工波，与振型分解反应谱法计算结果相比，由表6可知，二者计算的楼层反应特征、变化规律基本一致。结构设计取七条波基底剪力的平均值和振型分解反应谱法计算的基底剪力进行包络设计。

   基底剪力对比 表6

    

    

8. 8. 弹塑性时程分析

   本工程选用midas building结构软件对结构进行大震动力弹塑性时程分析。考察结构在大震作用下的损坏程度，找出损坏严重的薄弱部位并提出相应措施，以实现预定的抗震设防性能目标。本文仅给出X向分析结果。

    

各条波计算的楼层剪力和层间位移角沿楼层分布规律基本一致，没有较大的突变。最大弹塑性层间位移角均未超过1/100，在罕遇地震作用下, 结构整体能够满足大震不倒的抗震性能要求，可以满足性能水准4对结构的变形要求。

大震下时程分析基底剪力和阵型分解反应谱法基底剪力比较如下：

大震下基底剪力表 表7

可以看出，七条波计算的楼层剪力楼层分布规律基本一致。剪力数值为小震反应谱剪力的5.9～8.1倍。符合一般超高层结构罕遇地震下基底剪力比值经验数值。

以基底剪力较大的地震波为例，分析结构构件在x向为主方向时地震波作用下的出铰情况和应力应变情况。出铰情况见图4.大震下核心筒连梁出现塑性铰，未进入第三屈服阶段，框架柱少量进入第二屈曲，均未进入第三屈曲，框架梁起到了较好的耗能作用，构件承载力未出现明显的降低。满足性能水准4的要求。

核心筒绝大部分最大平均压应力均小于相应等级混凝土的抗压强度标准值，仅筒体角部局部开洞部位剪应力不满足《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.7条的要求，经和其他专业协商，调整洞口位置，增大洞口侧剪力墙截面面积，以满足剪力墙的最小受剪截面要求。

图 3框架出铰图

1. 超限设计的针对措施及对策
2. 针对超限的抗震措施

（1）裙楼外围柱位移比最大达1.58，但裙楼层间位移约为1/2751，远小于规范限值，根据规范条文解释，可适当放松对位移比的要求。加强位移比较大柱的纵筋配筋率0.2%，箍筋配筋率增大0.1%，提高框架柱的延性及承载力。

（2）塔楼相关范围裙房框架与塔楼外框柱共同组成二道防线，抗震等级和塔楼柱相同，同时根据计算适当提高纵筋配筋率0.2%和箍筋配筋率0.1%。

（3）塔楼在裙房屋面形成结构收进，侧向刚度发生突变。裙房屋面板厚取150，屋面上层塔楼板厚取120，塔楼屋面板厚取150。楼板配筋率提高到0.25%。保证地震下楼板剪力的传递，协调剪力墙和框架柱的水平变形。

（4）为保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧能力，外框柱根据规范要求进行剪力调整，并相应调整框架柱端弯矩及与之相连的框架梁端弯矩、剪力。

（5）商业南侧局部穿层柱按照中震弹性的目标进行设计，按照实际长细比进行稳定计算，适当降低穿层柱的轴压比，加大穿层柱的截面。保证中震和大震下不会坍塌失效。

（6）根据分析结果，将裙房楼板洞口周边连接区域楼板加强为150mm，采用双层双向配筋，配筋率提高为0.25%。对开洞周边应力集中部位布置斜向附加钢筋，提高抗裂能力。

（7）对较大悬挑部位框架柱和大跨度框架柱，根据规范要求提高一度采取抗震构造措施，增强其结构延性，以实现中震压弯弹性，抗剪弹性，及大震压弯不屈服，抗剪截面控制验算的要求。

6. 结论和建议

综上所述，本工程属于超限高层结构，在设计计算过程中采取了有针对性的加强措施，满足现行规范和文件的相关要求。通过两个软件对结构的对比分析可判定所选用的结构具备良好的抗震性能，能够满足结构对承载力、整体稳定性、结构抗侧力和变形的控制需求，结构方案切实可行。对结构的薄弱部位采取的加强措施能有效地提高结构的抗震性能，结构能达到预期的抗震性能目标。

参考文献

1. 马江霖，逄博，王欣。太原某超限高层办公楼结构设计[J].建筑结构，2018，48（21）：38-41
2. 郑少昌，郑建东.昆明同德广场超限设计[J].建筑结构，2013，43（8）：10-13