南通某超高层结构设计与分析

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摘要：以实际工程为实例，对B级高度的超高层框架核心筒结构的设计过程进行概述，提供本工程的主要设计参数，并提出抗震性能设计目标，采用SATWE与MIDAS两套软件对比计算，供类似工程参考。

关键词：B级高度框架核心筒超限高层抗震性能设计

中图分类号： TU352.1文献标识码： A

1. 工程简介

本项目位于江苏省南通市新城区核心位置，毗邻中央CBD中南世纪城，地上建筑共分为6栋楼（1#~6#），包括综合商业、超高层酒店、高层商办、文化产业、超市及地下车库。项目总建筑面积约24.15万平方米（地上约18.85万，地下约5.3万）；2号楼超高层酒店地上单体总建筑面积约5.6万平方米，位于整体大地下室之上，抗震设防烈度为7度（南通为6度设防区域，因本工程为大型公建，故按7度设防）；抗震设防类别为标准设防类(丙类)；结构形式为框架核心筒结构；框架及核心筒抗震等级均为一级。

2．超高层酒店结构基本形式

本工程由裙房与塔楼构成，二者连为整体，无抗震缝。塔楼部分采用框架-核心筒结构，重力荷载主要由钢筋混凝土楼盖传到核心筒以及周边的框架上，然后由核心筒、框架把重力荷载传到基础。

裙房部分较低，采用仅设置框架柱即可满足计算要求。

侧向荷载：地震作用和风荷载由外框架和核心筒把作用力和荷载传到基础。

裙房层平面：平面长x宽=100.6mx 30.0m。

标准层平面：平面长x宽=46.9mx 30.0m。

核心筒长20.6m，宽9.6米，核心筒的总高与宽度的比值为148.6/9.6=15.5；Y向刚度相对较弱，如何加强Y向刚度为主要控制要点，针对这一不足，根据核心筒墙体的布置特点，采取了适当增加翼墙厚度，充分发挥组合墙体整体效应，提高核心筒在Y向的抗侧刚度；

Y向边榀框架不连通，对Y向位移控制不利；框架柱的截面变化尽量有利于Y向位移控制，X向收进；

裙房高度主屋面高度15.7m，为塔楼高度的0.106

上部塔楼质心与裙房底盘质心偏差约为11m，为底盘长度的11%

3．结构布置特点

3.1 底部平面尺度狭长： 2#底部商业单体长宽约为100mX30m，长方向超过规范限值较多，对单体长度超长的结构设计，需采取有效措施防止由于混凝土收缩和温度应力造成的建筑物开裂；板面设置贯通温度钢筋，单层单向配筋率不小于0.15%，加强楼板防裂性能，施工期间在适当位置设置施工后浇带，后浇带内板钢筋均按搭接处理，以释放混凝土早期收缩应力，选择合适的温度条件封闭后浇带，尽量减少温度应力对正常使用的影响；适当加强受温度应力影响较大的构件配筋。

3.2B级高层：酒店总高度约148.65m,采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构，根据《南通市建设工程抗震设防管理办法》的相关规定，此结构单体应按七度标准抗震设防，按规范的相关规定，属于B级高度的高层建筑；根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（建质〔2010〕109号）》的相关规定，属需进行“超限高层抗震专项审查”的超限高层建筑。

3.3 立面收进变化大：底部商业大部分为三层，局部四层，收进尺度较大，但收进部分高度与房屋高度之比不大于0.2，不属于结构竖向不规则；大底盘的偏心率不大于15%，不属于竖向不规则范围。

3.4 局部开洞：酒店入口设置二层通高大堂，局部开洞，形成二根穿层柱，设计时应核对穿层柱的计算长度系数，柱配筋应满足长度系数修正后计算结果。

3.5 大量短柱：建筑总高度较高，单柱荷载较大，大量框架柱的柱净高与截面高度之比不大于4，柱箍筋应按规范要求全高加密。

4．结构设计分析

4.1 计算程序及主要参数：主体结构采用由中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编制的《多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》（2010版）进行整体分析，北京迈达斯技术有限公司开发的《三维建筑结构分析与设计软件MIDAS》（版本号：V2011）进行补充计算，其中小震反应谱计算采用SATWE和MIDAS，小震弹性时程计算采用SATWE。多遇地震下参数选取按规范参数与安评参数计算的基底剪力较大者采用，经比较安评参数基底剪力较大，故多遇地震动参数按安评采用。

主要计算参数详见下表：

4.2SATWE与MIDAS计算结果汇总：

4.2.1 结构质量分布：

SATWE：结构总质量10.88万吨，恒载9.97万吨，活载0.91万吨，平均每平方米恒载1.588吨，每平方米活载0.122吨。

MIDAS：结构总质量10.88万吨，恒载9.97万吨，活载0.91万吨，平均每平方米恒载1.588吨，每平方米活载0.122吨。

4.2.2 结构周期及位移指标：

周期指标：

4.3 小震弹性时程分析结果

根据建筑抗震设计规范GB50011-2010第5.1.2条规定，本建筑为一般不规则高层结构，应进行弹性动力时程分析。计算分析时采用由PKPM提供的2条天然波和1条人工波，分别为RH3TG055（人工波），TH3TG055（天然波），TH4TG055（天然波），三条地震波均包括X，Y两个方向的输入分量，主次方向峰值加速度比值为1：0.85。

时程法结构地震响应计算结果：

地震波时程特性与CQC对比结果：

结果表明，结构体系无明显薄弱层，且每条时程曲线计算得到的结构底部剪力均大于CQC法的65%，三组时程曲线计算得到的底部剪力平均值大于CQC法计算得到的底部剪力的80%，弹性时程分析结果满足规范要求。

5． 构件抗震设计性能目标

针对不同结构部位的重要程度，设计采用了不同的抗震性能目标，如下：

6．结构超限设计及计算措施

1）、地震参数选取按“安评参数”及“规范参数”计算后基底剪力大者取用。

2）、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、框架柱的延性，从而提高整个结构的变形能力。

3）、裙房屋面层楼板按规范要求加厚，并采用双层双向配筋加强。

4）、底部加强区墙体中震受拉，钢筋配置按中震不屈服控制，钢筋连接采用机械“A”级接头予以加强。

5）、穿层柱采用全高设置箍筋增强其延性设计，满足中震弹性。

6）、内隔墙采用轻质填充墙，尽量减轻结构的自重，减小地震作用。

7）、对裙房层顶层楼板补充应力计算，并根据计算结果采取中震不屈服进行加强。

8）、对穿层柱的设计剪力和弯矩取值不小于该层其它柱的剪力和弯矩设计值。

9）、对关键构件进行抗震性能化设计，满足抗震性能目标要求。

10）、采用PUSH对结构进行罕遇地震下的弹塑性静力时程分析，以考察结构在罕遇地震下的抗震性能，对分析中发现的薄弱部位采取相应的加强措施，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1/100要求。

7．结语

本文概述了对该B级高度塔楼结构体系的研究、线弹性分析、弹性时程分析及构件的验算。各层面的分析结果表明目前的结构方案可以满足本文中所制定的目标，各项性能指标均符合国家现行规范要求，该工程结构体系成立，是安全可行的。主要的分析结论如下：

（1）该结构整移指标为地震荷载控制，小震作用下的最大层间位移角为1/902，风荷载下的最大层间位移角为1/1412，均满足规范小于1/800的要求；大震作用下最大弹塑形层间位移角为1/228，满足规范小于1/100的要求。

（2）筒体剪力墙满足中震抗剪弹性、中震抗弯不屈服及大震作用下截面限制的要求。

（3）跃层的框架柱满足中震抗剪弹性、中震抗弯不屈服的要求。

参考文献：

1.《南通市建设工程抗震设防管理办法》（通政发〔2009〕39号）

2.《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2010]109号）

3. 《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)

4. 《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)

5. 《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3-2010)