1 工程概况

　　 东莞环球财富大厦项目为高级写字楼,位于广东省东莞市总部基地。总建筑面积约8.5万m²,地上35层,地下3层,结构高度160.5m。首层层高6.0m,标准层层高4.5m,建筑效果图如图1所示。建筑平面为两个矩形拼合的组合平面,呈S形,平面内存在两个核心筒,平面最窄处宽度为10.8m,典型建筑平面布置如图2所示。

　　 图1 建筑效果图   

　　  

2 结构布置

　　 塔楼结构平面尺寸为54.1m×48.4m,结构高宽比为3.43,采用钢筋混凝土框架-双核心筒结构体系。塔楼核心筒外围尺寸:左上筒13.25m×10.9m,右下筒10.5m×10.9m; 核心筒剪力墙厚度:底部600mm,中部500mm,顶部400mm; 框架柱截面:底部1 400mm×1 400mm,中部1 200mm×1 200mm,顶部800mm×800mm; 采用现浇钢筋混凝土楼盖,典型框架梁截面500mm×800mm; 竖向构件混凝土强度等级C40～C60,梁板混凝土强度等级C30～C35。

　　 图2 典型建筑平面图   

　　  

3 结构分析参数

　　 工程存在平面高度超限、组合平面、扭转不规则、弱连接楼盖和外围框架梁不封闭等一般不规则项 ^[1,2,3,4],属B级高度超限高层建筑。根据结构的超限情况,工程选择C级性能目标进行抗震性能化设计,见表1。

　　 结构分析时,主要计算参数如下:1)丙类建筑,结构重要性系数取1.0。 2)周期折减系数取0.85,计算的振型参与质量大于总质量的90%。 3)结构嵌固端取在地下室顶板。 4)连梁刚度折减系数:小震计算时取0.7,中震计算时取0.4; 中梁刚度放大系数按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)的有关规定取值。 5)抗震设防烈度为7度,基本地震加速度为0.1g,最大地震影响系数为0.08,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组,场地特征周期为0.35s; 考虑多角度地震作用。 6)风荷载标准值:采用50年一遇基本风压0.55kN/m²计算结构水平位移; 采用50年一遇基本风压的1.1倍进行结构设计; 地面粗糙度类别为C类,风荷载体型系数取1.4,考虑多角度风荷载。 7)结构阻尼比:小震计算时取0.05,中震计算时取0.06,风荷载下舒适度计算时取0.02。 8)剪力墙、框架柱和框架梁抗震等级均为一级。 9)结构刚重比大于1.4,但小于2.7,计算中考虑P-Δ效应的影响。

　　 抗震性能目标 表1

地震水准			多遇地震	设防烈度地震	罕遇地震
规范抗震概念			小震不坏	中震可修	大震不倒
性能水准			性能水准1	性能水准3	性能水准4
宏观损坏程度			完好	轻度损坏	中度损坏
继续使用可能性			不需要修理可继续使用	一般修理后可继续使用	修复或加固后可继续使用
主要整体计算方法			弹性反应谱、时程分析	弹性反应谱	弹性反应谱、动力弹塑性分析
计算软件			YJK, ETABS, MIDAS	YJK	YJK, PERFORM 3D
性 能 目 标	关 键 构 件	底部加强部位剪力墙	弹性	抗剪弹性,抗弯不屈服	轻度损坏; 抗剪不屈服,满足截面抗剪条件
		底部加强部位框架柱	弹性	抗剪弹性,抗弯不屈服	轻度损坏; 抗剪不屈服,满足截面抗剪条件
		薄弱区域楼盖(包括相应范围框架)	弹性	弹性	抗剪不屈服,满足截面抗剪条件
	一 般 构 件	非底部加强部位剪力墙	弹性	抗剪弹性,抗弯不屈服	部分中度损坏; 抗剪不屈服
		非底部加强部位框架柱	弹性	抗剪弹性,抗弯不屈服	部分中度损坏; 抗剪不屈服
	耗 能 构 件	框架梁	弹性	抗剪不屈服,少数抗弯屈服	中度损坏,部分比较严重损坏; 满足截面抗剪条件
		连梁	弹性	抗剪不屈服,少数抗弯屈服	中度损坏,部分比较严重损坏; 满足截面抗剪条件
一般区域楼盖			混凝土不开裂,楼板钢筋弹性	楼板钢筋不屈服,全截面抗剪弹性	全截面抗剪不屈服
层间位移角限值			1/636	—	1/125

 

　　  

4 结构设计中关键问题的分析与解决措施

4.1 设计关键问题

　　 根据建筑平面布置,结构存在两种可选方案。方案一:在平面拼接处设置防震缝,将塔楼分为两栋独立的矩形平面塔楼,此方案称为分缝方案(图3(a)); 方案二:在平面拼接处不设缝,左右塔楼连成整体,采用框架-双筒结构体系,此方案称为不分缝方案(图3(b),图中填充“”区域为薄弱区域楼盖范围,板厚150mm)。通过分析,比选出最适合的结构方案是结构设计时需要解决的关键问题之一。

　　 图3 结构分缝方案与不分缝方案   

　　  

　　 结构核心筒高宽比为15.3。相对于一般框架-核心筒结构,本项目核心筒的高宽比偏大,在中震作用下,剪力墙会出现较大的拉应力。控制剪力墙在中震不屈服下的拉应力是结构设计需要解决的关键问题之二。

　　 若结构采用不分缝单塔方案,由于连接处上下柱间仅有一榀框架,楼盖宽度为10.8m,为上下总宽度的22%,此处为结构平面最薄弱的区域。如何确保弱连接楼盖能够有效传递水平力 ^[1,5],是本工程设计时需要解决的关键问题之三。

　　 由于建筑外形需要,塔楼左右两侧中部外围楼盖分别向核心筒方向内凹4.3m和7.6m,两根外框柱之间无框架梁直接连接,形成不封闭的外围框架。研究外框架梁不封闭对结构的不利影响并采取加强措施,是本工程设计时需要解决的关键问题之四。

　　 本文主要针对上述四个关键问题进行分析,提出解决相应问题的对策。

4.2 塔楼分缝与不分缝方案比较

　　 采用对比分析的方法进行分缝方案与不分缝方案的比较,利用YJK软件分别建立了分缝方案中单塔A模型和单塔B模型,以及不分缝方案的C模型,表2中给出了分缝单塔A模型、分缝单塔B模型与不分缝C模型在小震作用下的整体指标对比,图4相应模型的扭转位移比曲线。

　　 分缝模型与不分缝模型整体指标对比 表2

模型		A模型	B模型	C模型
总质量/t		64 497	69 936	120 785
高宽比		5.48	5.67	3.43
T1(Y向平动)/s		4.20	4.68	4.30
T2(X向平动)/s		4.02	4.49	3.99
T3(扭转)/s		3.06	3.04	3.37
周期比		0.73	0.65	0.78
计算振型		30	30	30
振型质量 参与系数	X向	99.99%	99.99%	99.99%
	Y向	99.99%	99.99%	99.99%
基底剪力/kN	X向	8 756	8 479	15 214
	Y向	7 970	8 617	14 891
首层剪重比	X向	1.36%	1.21%	1.26%
	Y向	1.23%	1.23%	1.23%
倾覆力矩 /(kN·m)	X向	679 073	684 663	1 360 644
	Y向	629 375	682 207	1 328 590
最大层间 位移角(楼层)	X向	1/1 111(24层)	1/945(21层)	1/1 031(21层)
	Y向	1/927 (21层)	1/904 (22层)	1/934 (22层)
最大扭转 位移比(楼层)	X向	1.58(2层)	1.66(2层)	1.20(3层)
	Y向	1.87(2层)	1.95(2层)	1.27(2层)

 

　　  

　　 由表2和图4可以看出,不分缝C模型在考虑偶然偏心时,扭转位移比明显小于分缝单塔A模型和分缝单塔B模型的相应结果。主要原因有两方面:一是不分缝方案中结构平面连为整体,抗扭刚度较大; 二是设缝分开的两栋单塔的裙房偏置,导致分缝单塔A模型和分缝单塔B模型中,裙房屋面的扭转位移比较大。因此相对于分缝方案,采用不分缝的结构方案,可提高结构抗扭刚度,控制扭转不规则性,同时也可降低结构高宽比。

　　 图4 分缝方案与不分缝方案扭转位移比曲线  

　　  

　　 此外,若采用设防震缝的方案,防震缝应有足够的宽度,根据分缝的两个单塔模型的中震位移计算防震缝宽度 ^[1],其值不应小于500mmm(中震作用下,分缝单塔A模型和分缝单塔B模型顶部位移分别为324mm和374mm),按SRSS法组合,组合值为3242+3742−−−−−−−−−√=495mm)3242+3742=495mm)。在建筑中部设置500mm宽的防震缝,对建筑立面造型和使用功能均存在较大影响。

　　 因此,从控制结构扭转不规则,同时满足建筑造型和使用功能要求考虑,塔楼不分缝方案优于分缝方案。

4.3 剪力墙拉应力分析

　　 钢筋混凝土剪力墙在中震不屈服作用下的拉应力是超高层建筑结构设计中需要关注的重点问题 ^[4]。分缝方案中,在中震不屈服作用下分缝单塔A模型、分缝单塔B模型与不分缝C模型核心筒剪力墙的拉应力值如表3所示,其中墙肢编号见图3。计算拉应力时,L形墙肢按组合墙考虑,F形墙肢按单片墙考虑。

　

　　  

　　 中震不屈服作用下1层剪力墙的墙肢拉应力 表3

模 型	墙肢 编号	厚度 /mm	总长度 /mm	轴力 /kN	弯矩Mx /(kN·m)	拉、压应力 /(N/mm2)	受拉、 压判别	大小偏 心判别
A, B 模 型	W1	600	3 450	6 870	-308	3.32	受拉	小偏心
	W2	600	4 050	5 383	-2 182	2.22	受拉	小偏心
	W3	600	4 150	9 620	279	3.86	受拉	小偏心
	W4	600	5 850	3 453	-10 831	0.98	受拉	大偏心
	W5	500	5 250	-17 445	-30 215	-6.65	受压
	W6	600	7 700	4 838	-26 815	1.05	受拉	大偏心
	W7	600	4 150	8 569	136	3.44	受拉	小偏心
	W8	600	3 500	8 425	3 994	4.01	受拉	小偏心
	W9	500	7 150	-26 367	36 999	-7.38	受压
	W10	600	5 400	10 308	7 918	3.18	受拉	小偏心
	W11	600	5 750	-329	18 098	-0.10	受压
	W12	600	3 450	13 400	7 396	6.47	受拉	小偏心
	W13	600	7 550	7 399	-49 708	1.63	受拉	大偏心
	W14	600	3 550	5 917	790	2.78	受拉	小偏心
C 模 型	W1	600	3 450	5 666	-474	1.97	受拉	小偏心
	W2	600	4 050	-2 149	-1 952	-0.53	受压
	W3	600	4 150	-430	-2 685	-0.10	受压
	W4	600	5 850	-3 146	-9 408	-0.90	受压
	W5	500	5 250	-19 884	-7 500	-7.01	受压
	W6	600	7 700	-8 464	-22 194	-1.83	受压
	W7	600	4 150	4 192	410	0.95	受拉	小偏心
	W8	600	3 500	-2 199	3 400	-0.55	受压
	W9	500	7 150	-27 463	30 042	-7.17	受压
	W10	600	5 400	4 866	6 388	1.50	受拉	小偏心
	W11	600	5 750	-5 687	14 142	-1.65	受压
	W12	600	3 450	4 022	-2 638	1.76	受拉	小偏心
	W13	600	7 550	-2 832	-33 190	-0.63	受压
	W14	600	3 550	-1 127	28	-0.44	受压

 

　　 注:轴力拉为正,压为负; 混凝土强度等级C60。

　　  

　　 表3中结果表明,中震不屈服作用下,分缝的两个单塔模型中共11片墙肢受拉,最大拉应力值为6.47N/mm²; 不分缝C模型中共有4片剪力墙出现拉应力,其中最大拉应力值为1.97N/mm²,小于混凝土抗拉强度标准值2.85N/mm²。采用不分缝方案可有效降低墙肢拉应力。

　　 为了考察受拉墙肢竖向分布钢筋在中震下是否受拉屈服,对受拉墙肢的竖向分布钢筋应力也进行了验算。竖向分布钢筋拉应力计算时假定轴向拉力全部由竖向钢筋承担,截面拉应力在全截面内均匀分布。表4给出了受拉墙肢竖向分布钢筋的应力值,结果表明,受拉墙肢的竖向分布钢筋最大拉应力值为386N/mm²,小于HRB400钢筋抗拉强度标准值400N/mm²。

　　 受拉墙肢竖向分布筋拉应力计算结果 表4    

4.4 弱连接楼盖分析

　　 根据前述分析,本工程塔楼采用不分缝方案。针对不分缝方案,结构平面中两个矩形平面的连接处楼盖存在弱连接(图3)。弱连接楼盖连接两侧核心筒是协调两塔变形并传递水平力的关键。抗震性能设计时,将弱连接楼盖(包括相应范围内的框架柱)列为关键构件 ^[3],关键构件在各设防水准下的性能见表1。

　　 根据不分缝方案C模型楼板应力分析结果,采用截面切割,得到各工况下楼盖薄弱部位的内力,按弱连接楼盖的性能化设计方法 ^[5,6,7,8,9],分别对小震作用下的楼板钢筋抗拉、中震作用下的楼板抗剪弹性以及大震作用下的楼板抗剪进行了验算,验算结果见表5～7。可以看出,楼板实际配筋能够满足各设防水准下对楼板承载力要求。

　　 同时弱连接楼盖设计中考虑多角度地震和风荷载作用,结构设计按分缝单塔A模型和单塔B模型,以及不分缝方案的C模型进行包络。

　　 除计算外,为进一步提高弱连接楼盖的承载能力,使水平力的传递更为可靠,提出如下加强措施:弱连接区域平面内设置斜向框架梁(图3); 弱连接楼盖厚度取150mm,楼板配筋按双层双向通长配置,配筋率提高至0.25%以上; 弱连接楼盖外侧的框架梁梁侧腰筋加强,并按抗拉钢筋进行锚固。

小震作用下楼板钢筋抗拉验算 表5

地震作用	编号	切割板长 B/mm	切割板厚 h/mm	轴拉力 设计值/kN	弯矩设计值 /(kN·m)	轴力配筋 /(mm2/m)	弯矩配筋 /(mm2/m)	单侧需配筋 /(mm2/m)	实际配筋 /(mm2/m)	是否满足 要求
小震作用	切割面1	2 400	150	344.0	14.2	187.7	109.3	297.0	392.0	满足
	切割面2	10 800	150	509.1	59.6	62.0	97.4	159.4	392.0	满足
中震作用	切割面1	2 400	150	356.1	25.5	175.2	187.0	362.2	392.0	满足
	切割面2	10 800	150	564.2	113.0	61.7	184.5	246.2	392.0	满足

　　 中震作用下楼板抗剪弹性验算结果 表6

编号	切割 板长 B/mm	切割 板厚 h/mm	剪力 设计值 V/kN	受剪截面 承载力上 限值/kN	抗剪 承载力 /kN	截面 验算	承载力 验算
切割面1	2 400	150	397.6	772.2	631.4	满足	满足
切割面2	10 800	150	233.6	3 474.9	2 945.1	满足	满足

 

　　  

　　 大震作用下楼板抗剪验算结果 表7

编号	切割 板长 B/mm	切割 板厚 h/mm	剪力 设计值 Vk/kN	受剪截面 承载力上 限值/kN	抗剪 承载力 /kN	截面 验算	承载力 验算
切割面1	2 400	150	682.8	1 085.4	730.2	满足	满足
切割面2	10 800	150	304.8	4 884.3	3 493.6	满足	满足

 

　 外框架不封闭模型与外框封闭模型的整体指标对比 表8

模型		不封闭	封闭
结构总重/t		120 785	121 368
T1/s(Y向平动)		4.40	4.36
T2/s(X向平动)		4.02	4.01
T3/s(扭转)		3.43	3.42
基底剪力/kN	X向	14 750	14 658
	Y向	14 540	14 533
基底倾覆力矩/(kN·m)	X向	1 324 559	1 311 861
	Y向	1 286 071	1 285 645
最大层间位移角(楼层)	X向	1/997 (21层)	1/990 (21层)
	Y向	1/903 (21层)	1/927 (21层)
最大扭转位移比(楼层)	X向	1.25 (2层)	1.25 (2层)
	Y向	1.27 (2层)	1.27 (2层)

　　  

4.5 外框梁不封闭对结构的影响分析

　　 由于建筑平面布置的需要,塔楼左右两侧靠近核心筒的部分楼盖向核心筒方向内凹4.3m和7.6m(图5),同时内凹处外框柱之间沿外围无框架梁连接,结构平面没有形成封闭的外框架。针对外框梁不封闭可能造成的不利影响 ^[10],本文进行了不同模型的对比分析,对外框梁封闭的模型与不封闭模型进行了分析比较,包括整体指标的比较和相关构件内力比较。

　　 地震作用下外框梁是否封闭对柱内力影响的比较 表9 

编号		轴力N/kN		弯矩Mx/(kN·m)		弯矩My/(kN·m)		X向剪力Vx/kN		Y向剪力Vy/kN
		不封闭	封闭	不封闭	封闭	不封闭	封闭	不封闭	封闭	不封闭	封闭
Z1	X向	950	888	59	76	509	509	155	156	15	20
	Y向	567	299	370	386	110	116	49	44	81	102
Z2	X向	3 050	3 027	118	116	608	608	140	141	29	29
	Y向	527	909	434	429	301	292	89	88	86	98

 

　　 注:M_x指绕X轴的弯矩,M_y指绕Y轴的弯矩。

　　  

　　 地震作用下外框梁是否封闭对梁内力影响的比较 表10

编号	X向梁端弯矩/(kN·m)		X向梁端剪力/kN		Y向梁端弯矩/(kN·m)		Y向梁端剪力/kN
	不封闭	封闭	不封闭	封闭	不封闭	封闭	不封闭	封闭
L1	25	31	11	12	169	179	52	54
L2	245	246	120	120	109	102	55	53
L3	242	242	70	70	121	115	30	28
L4	38	40	14	15	156	157	48	49

 

　　  

　　 图5 外框不封闭与外框封闭对比分析示意图   

　　  

　　 为体现封闭的外框梁对结构整体指标的影响,分析时采用全楼弹性板进行计算,表8给出了两个模型的整体指标对比结果。由表8可以看出,两个模型的整体指标基本一致,西侧外框梁是否封闭对结构整体刚度没有明显不利影响。

　　 为考察塔楼东西两侧外框梁是否封闭对相关构件内力的影响,取部分相关构件的内力进行比较,构件编号见图5(a)。

　　 表9和表10结果表明,两个模型的相关构件在单工况下的内力存在差异,X向地震作用下构件内力的差异相对较小,Y向地震作用下构件内力则相差较大,其中柱内力相差较大,梁内力相差较小。Y向地震作用下柱轴力差异最大(最大相差47%),其原因为外框梁封闭后,外框架整体性增强,剪力滞后效应有所降低,改变了地震内力在各框架柱中的分配。

　　 以上分析表明,结构东西两侧外围框架梁是否封闭对结构整体刚度的影响很小,结构整体指标基本一致; 对相关构件的内力存在一定影响,相关构件在设计时应适当提高配筋。　

　　  

5 结论

　　 (1)本工程采用塔楼平面不分缝的框架-双核心筒结构体系,可降低结构高宽比,避免裙房偏置,降低剪力墙中震不屈服下拉应力,减小平面扭转不规则程度,建筑功能上方便使用,建筑立面易于处理,塔楼不设缝的单塔方案优于设缝的双塔方案。

　　 (2)剪力墙受拉分析时,除了控制剪力墙拉应力小于2倍的混凝土抗拉强度标准值之外,还应控制剪力墙竖向钢筋受拉不屈服。

　　 (3)应提高平面弱连接楼盖性能,梁和楼板是作为一个整体参与水平力传递的,因此平面内设斜梁能有效地传递水平力,同时对楼板和梁共同组成的楼盖进行性能化设计,并采取提高配筋和板厚等加强措施。

　　 (4)为实现建筑造型和功能要求,框架-双核心筒结构外围框架梁不允许封闭。通过分析表明,本工程外围框架梁是否封闭对结构整体指标影响较小,但对相关构件内力有一定的影响,为使结构设计可靠,对相关构件可采用包络设计并适当加强其配筋。