水湾壹玖柒玖广场二期办公楼超限高层结构设计

[摘要]介绍水湾壹玖柒玖广场二期办公楼超限高层结构设计。针对高度超限、楼板局部不连续、楼层尺寸突变及抗侧力构件不连续不规则类型，采用了基于性能的抗震设计，在整体上把握了结构的薄弱部位，有针对性的采取加强措施。分析结果表明，整体结构满足规范对超限高层建筑的各项指标要求，满足设定的性能目标水准。

[关键词]超限高层；框架―核心筒；抗震性能化设计

中图分类号：S611文献标识码： A

1工程概况

水湾壹玖柒玖广场二期办公楼位于深圳市南山区水湾村，荔园路和工业五路交汇处东南侧，东邻深圳市育才教育集团第一幼儿园，南邻太子路及地铁2号线水湾站。项目主要由塔楼、部分裙房及地下室组成，建筑主体高度为179.75米(结构大屋面)，地上部分37层，建筑面积为58688m²；地下部分3层，与一期地下室联为一体，建筑面积为81000m²。地下三层~地下一层为地下室，主要用于停车场，部分作为设备用房，1~3层主要为商业和大堂空间，4层~26层主要为办公用途，26层以上为酒店式公寓。建筑效果图见图1。

图1建筑效果图

结构设计基准期50年，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为一组，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别丙类；基本风压0.75kPa，地面粗糙度为C类。

地基基础设计等级为甲级；高层塔楼范围采用钻孔扩底灌注桩基础，持力层为强风化底、中风化面岩层，桩径2.2~2.4m,扩大头尺寸4~4.6m，桩长在20~25m，单桩竖向抗压承载力特征值38000～52000kN，裙房采用¢500预应力管桩，桩长15m，以强风化岩层为持力层，单桩竖向抗压承载力特征值2500kN，抗拔承载力特征值600kN。

2结构体系

根据建筑形式、使用功能及结构受力要求，高层塔楼采用框架-核心筒结构体系，多层裙楼采用框架体系。

高层塔楼混凝土核心筒+外框架，利用塔楼中间的楼梯间及电梯井形成钢筋混凝土剪力墙筒体，周边框架由1~7层的型钢混凝土柱及8层以上钢筋混凝土柱组成，整栋塔楼高宽比4.9、长宽比1.45，基本控制在规范限制范围内。抗震等级均为一级。

为使楼盖布置简洁、传力明确，核心筒与外框架柱、柱与柱之间形成主框架梁，次梁单向均匀布置，形成钢筋混凝土单向肋梁楼盖体系。塔楼柱网尺寸10.8mx9.7m、9.9mx9.7m不等，在建筑26层内部核心筒及框架柱缩进，结构整体模型见图2，塔楼标准层结构布置图见图3、图4。

核心筒地上部分外墙厚度至下而上为700~400mm，内墙厚度至下而上为500~300mm；框架柱截面自下而上为1300x1300型钢柱至1300x1300~800x800钢筋混凝土柱；混凝土强度等级自下而上为C60~C40。受结构整体指标计算的需求，塔楼外框架梁截面为800x800~400x800逐层减小，内部框架梁截面为800/500×600的水平加腋钢筋混凝土梁。

图2结构整体模型

图3塔楼标准层结构布置图（办公区）

图4塔楼标准层结构布置图（酒店式公寓区）

3地震作用

本工程地震作用采用了抗震规范与安评报告提供的设计基准期为50年的场地地面设计地震动参数及曲线，相应地震动参数详见表1，地震动曲线详见图5~图7。

本工程在抗震设计地震参数的选取上，小震以安评与规范反应谱双控，中大震采用规范反应谱。

地震动参数 表1

图5小震规范和安评反应

图6中震规范和安评反应

图7大震规范和安评反应

4结构超限类别

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）文件要求，对本工程进行结构不规则性的条文检查，具体情况如下：

（1）房屋高度174.45m，达到B级高度，高度超限；

（2）主体结构在酒店、公寓区段（27-38层）平面尺寸缩进，存在一项楼层尺寸突变不规则；

（3）竖向抗侧力构件不连续为Ⅰ类；

（4）5-22层存在楼板局部不连续。

因此本工程为超限高层结构，需进行结构的抗震性能化设计。

5结构抗震设计性能化目标

根据新版抗规关于建筑抗震性能化设计的相关要求，本工程抗震性能目标为“C”级，具体细化内容见表2。

结构抗震性能化目标 表2

注：1、不屈服目标对应的荷载分项系数为1.0,材料强度取标准值，承载力抗震调整系数取1.0，不计入风荷载效应；

2、中震弹性的承载力按不计抗震等级调整地震效应的设计值复核，不计入风荷载效应。

6结构整体计算分析

分别采用SATWE、ETABS两种软件进行结构计算分析。弹性分析考虑了偶然偏心和双向地震作用影响。同时采用SATWE软件进行多遇地震下的弹性动力时程分析的补充计算；采用SATWE软件对结构整体按中震进行结构承载力复核；采用SAP2000软件对结构整体进行了静力弹塑性分析。

6.1 结构自振周期

结构前3阶振型依次为水平向平动、竖向平动以及扭转，结构自振周期列入表3，扭转周期与平动周期比均小于0.85，满足抗震规范要求。

结构自振周期 表3

6.2 反应谱分析

弹性反应谱分析结果列入表4，从表4可以看出，振形质量参与系数均大于90%、最大层间位移角满足规范要求，塔楼楼层X向和Y向的扭转位移比均小于1.2；稳定性验算满足要求；X向底部一层及Y向一至三层最小剪重比不满足抗震规范1.42%及1.52%的要求，经超限审查通过仅调整剪力系数予以满足。

反应谱分析结果 表4

6.3 弹性时程分析

用于本工程分析的时程波曲线包括1条人工波（RH3RG040），以及另外2条天然波（天然波I(sgs_00_w)，天然波II（snm_360_w），加速度峰值取安评报告结果38.89gal。计算结果表明，反应谱法的层间剪力及倾覆弯矩曲线基本能包络所选的三条地震波对应的层间曲线，但在结构高区部分楼层，反应谱法的地震剪力偏小，说明设计反应谱在长周期阶段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足，详见图8~图9，施工图设计中将对高区楼层的地震剪力进行调整，满足对时程分析法的内力包络，保证构件特别是核心筒具有足够的承载力富余度。

三条时程曲线计算的结构基底剪力及其平均值计算结果列入表5，三条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于振型分解反应谱法的80%，满足抗震规范的要求。

图8X向小震弹性时程楼层剪力

图9Y向小震弹性时程楼层弯矩

时程曲线计算结构基地剪力及平均值表5

6.4 中震验算

根据结构抗震性能目标，对主体结构的核心筒、外框柱、框架梁及连梁等重要构件进行设防烈度地震作用验算。墙柱底部加强区及搭接柱楼层墙柱正截面、斜截面均按中震弹性验算，其余楼层墙柱及外框梁正截面不屈服，斜截面弹性；连梁进行斜截面抗剪不屈服验算。通过计算表明：

（1）对于外框架梁，在中低区中震不屈服工况下的构件内力水平仍小于小震弹性，但在高区的公寓标高段中震不屈服工况下的构件内力水平普遍大于小震弹性，说明由于核芯筒尺寸的大幅缩小，其整体结构的抗侧能力有向框架转移的趋势，施工图设计时应注意此点问题，从而充分保证结构具有一定的抗震性能水平；

（2）对于核芯筒连梁，其在中震不屈服工况下的内力水平均大幅度大于小震弹性，说明该部位构件在中震不屈服工况下的应力水平还是较高，根据连梁的性能目标（抗弯屈服，抗剪不屈服），其在施工图设计时应注意对该部位抗剪箍筋的设置，从而充分保证该部位的抗震性能；

（3）对于5-38层外框柱，其内力配筋在中震不屈服及小震弹性下均为构造，说明外框柱能够达到预期的性能目标水准，同时具有一定的结构富余度；

（4）对于5-38层核芯筒墙体，其四个角点的边缘构件及中低区的核芯筒墙肢在中震不屈服及小震弹性工况下均为构造配筋，说明此部位的核芯筒墙体具备一定的安全度，能够达到相应的性能目标。但在高区的公寓区段，由于核芯筒尺寸的大幅缩小，其在中震不屈服工况下，东、西两侧的墙肢内力配筋有增大的现象，因此对于该点问题在施工图阶段应予以重视，可作相应调整；

（5）对于1-4层外框柱，其内力配筋在中震弹性及小震弹性下均为构造，说明外框柱能够达到预期的性能目标水准，同时具有一定的结构富余度；

（6）对于1-4层核芯筒墙体，四个角点的边缘构件在小震弹性下均为构造配筋，但在中震弹性下均为计算配筋，特别在二层（平面开大洞，跃层）、四层（架空层，层高9m）处，其在中震弹性下的计算配筋较大，说明该部位在中震弹性工况下的内力水平较高，后期施工图设计时应予以注意。

另外对于底部加强区的核芯筒墙体比较可知，南北两侧的墙肢在小震弹性及中震弹性下均为构造配筋，但东西两侧的墙肢在中震弹性工况下内力配筋较大，说明内力水平较高，因此对于该部位的墙体构件在施工图阶段应予以加强。

总体而言，结构在中震荷载工况下，保持了良好的抗震性能，通过后期施工图设计过程中进行相应的钢筋配置是完全能够满足结构抗震性能目标的要求，同时具有一定的结构富余度。

6.5 静力弹塑性分析

采用SAP2000程序提供的pushover的分析方法进行静力弹塑性分析，考察结构变形形态及破坏情况，验证结构“大震不倒”的设防水准要求，通过计算表明：

（1）罕遇地震作用下结构仍保持直立，结构X向和Y向最大层间位移角分别为1/188和1/199，均小于抗规关于不严重破坏层间位移1/100的限值要求；

（2）水平梁系端部在罕遇地震作用下出现部分塑性铰,且大部分塑性铰处于B-IO阶段,整体结构的承载力并没有明显的降低；

（3）首层框架柱在罕遇地震作用下PMM铰进入B-IO阶段（详见图10、图11），施工图设计时宜进一步加强配筋，以提高截面承载力和延性；

（4）剪力墙混凝土在罕遇地震作用下，混凝土压应力及钢筋拉应力均小于强度标准值，在下部楼层的边墙出现较大的应力（详见图12、图13），施工图设计时应进行加强，以提高截面承载力和延性。

综合以上分析结论，该结构满足抗震规范要求，可以达到大震不倒的抗震性能设防目标。

图10X向罕遇地震作用下柱塑性铰分布状态

图11Y向罕遇地震作用下柱塑性铰分布状态

图12X向1~22层罕遇地震作用下墙体混凝土层应力状态

图13Y向1~22层罕遇地震作用下墙体混凝土层应力状态

7结构的抗震加强措施

基于上述小、中、大震的计算结果，对主体结构各部位构件采取如下抗震加强措施：

（1）提高内部核芯筒底部加强区墙体配筋率，墙体竖向分布筋配筋率应不小于0.6%，从而增强结构底部的抗剪承载能力；

（2）对底部加强区核芯筒东西两侧墙肢加大配筋，其配筋结果应满足中震弹性的抗震性能要求；

（3）对底部加强区部位的核芯筒边缘构件加强配筋，其配筋结果应满足中震弹性的抗震性能要求；

（4）加大外框梁的截面尺寸，从而提高框架部分的抗震性能；

（5）增强核芯筒连梁的抗剪箍筋配置，其配筋结果应满足中震不屈服的抗震性能要求；

（6）对底部L1～L7层采用型钢混凝土柱，柱尺寸为1300x1300，型钢尺寸为H800x300x28x28，并在L8层较为平稳的过渡到一般钢筋混凝土框架柱，从而充分增强底部框架的抗震延性要求；

（7）底部加强部位的高度由规范的18m(1/10墙肢高度)增加到28.900m，即架空层层顶标高，对于该部位按底部加强区的相应构造要求予以加强。

（8）对高区的公寓区段（L27-L38）的核芯筒在东、西两侧的墙肢配筋加大，其配筋结果应满足中震不屈服的抗震性能要求；

（9）对高区的公寓区段（L27-L38）的框架梁加强配筋，其配筋结果应满足中震不屈服的抗震性能要求；

（10）对高区的公寓区段（L27-L38）的外框架柱采取箍筋通常加密，及提高纵筋最小配筋率（中柱、边柱1.2%，角柱1.4%）的抗震加强措施。

8结论

本工程进行了小震下的弹性计算及时程分析、结构在中震下的承载力复核、大震静力弹塑性分析，根据上述分析的结果，采取了针对性的有效加强措施，确保工程达到“三水准”的设计目标，同时在2011年8月通过广东省超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的抗震设防专项审查。

参 考 文 献

[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010。

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010。

[3]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）.中华人民共和国住房和城乡建设部.2010。

[4]悉地国际设计顾问（深圳）有限公司，水湾壹玖柒玖广 场项目结构超限审查论证报告（第三册）[R].2011