某双塔高层办公楼结构设计.pdf

低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.011某双塔高层办公楼结构设计STRUCTURAL DESIGN OF AN OFFICE BUILDING WITH A TWIN-TOWER HIGH-RISE STRUCTURE陆志立（同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092）LU Zhili（Tongji Architectural Design(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China）【摘要】某双塔高层办公楼因受到建筑外型限制，无法设置抗震缝，造成结构不规则。为研究其抗震性能，从结构设计入手，针对结构不规则采取相应加强措施。罕遇地震弹塑性时程分析结果表明，结构具有良好的抗震性能，满足规范要求，为后续类似项目设计提供参考。【关键词】双塔结构；抗震性能；弹塑性分析【中图分类号】TU352.1【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0048-04Abstract：Limited to the restrictions of architectural appearance,a twin-tower high-rise building is unable to setseismic joints.Aiming at the structural irregularity,reinforcement measures are proposed and analysis of elastic-plastic time history under rare earthquakes are carried out to study the seismic performance of the structure.Theresults show that the structure has good seismic capacity and meet code requirements,providing the reference forsimilar projects.Key words：twin-tower structure;seismic performance;elastic-plastic analysis0引言随着社会发展进步，人们生活水平显著提高，日益丰富的生活需求使建筑的使用功能呈现出多样化。此外，现代建筑表皮也不仅仅是单一的围护功能，而被赋予了更为灵动、多变的建筑造型。结构设计中，常常受制于建筑造型或使用功能约束，不具备设置抗震缝的条件，从而形成了大底盘多塔结构，造成结构平面和竖向不规则。为研究大底盘多塔结构抗震性能，张帅1对某弱底盘超高层双塔结构进行了罕遇地震作用下弹塑性分析，并针对裙房楼板受力性能进行专项分析及加强，计算结果表明地震作用下裙房楼板能够有效传递水平力，罕遇地震作用下结构具有良好的耗能能力。徐骁杰2对某大底盘多塔高层结构进行分析，对大底盘裙房楼板进行应力分析，并提出了大底盘结构的加强措施，以保证结构实现性能目标。文中介绍了某双塔高层办公楼的结构设计及计算分析，从结构体系、不规则性判别、抗震性能目标及针对性的加强措施进行阐述。计算结果表明，结构具有良好的抗震性能，可为类似工程设计提供参考。1工程概况项目位于青岛市黄岛区，总建筑面积约18万m2，基地南面面向黄海海湾，有较好的自然景观资源。双子塔楼与中间共享裙房相连，以研发办公为主。主塔楼地上35层，其中12、24层为避难层，结构主屋面高度147.1m，核心筒高度151.6m，塔冠顶高度164.7m；副塔楼地上20层，结构主屋面高度84.4m，核心筒高度88.4m，塔冠顶高度98.7m；中间共享裙房地上4层，主屋面标高18.8m。底部4层及避难层层高为4.7m，标准层层高为4.1m。工程设有3层地下室，其中地下1层高为5.8m，地下2、3层层高为3.9m。室内外高差300mm，采用地下室顶板嵌固假定。2上部结构设计2.1基本设计参数主体结构安全等级为二级，设计使用年限为50图1项目效果图48年。抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分组为第三组，场地类别为类。50 年一遇基本风压为0.6kN/m2，地面粗糙度为A类。根据GB 502232008 建筑工程抗震设防分类标准3相关规定，确定工程裙房范围（14层）抗震设防类别为重点设防类；裙房以上塔楼标准层抗震设防类别为标准设防类。2.2结构体系与结构布置结构体系选型综合考虑建筑高度、抗震设防烈度、抗震性能目标、建筑使用功能、经济性等因素，以主、副塔楼抗侧刚度相适应，合理控制裙房区域双塔变形差为原则，确定主、副塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。主塔楼标准层平面尺寸为43.0m47.5m，核心筒21.8m21.5m；副塔楼标准层平面尺寸为 34.0m47.5m，核心筒12.5m21.5m。外框架柱距8.8m，外框架与核心筒间柱距10m。墙、柱混凝土强度等级采用C60C40，梁、板混凝土强度等级采用C35，典型构件尺寸如表1所示。塔楼共享裙房采用钢框架结构体系，主要选用Q355B钢材。作为塔楼主入口及共享空间，是项目设计重点之一。建筑功能上，底部两层为通高共享大堂，3、4层主要功能为会议厅和多功能厅。为实现共享大堂“无柱”效果，利用3层整层高度设置四道转换桁架，桁架最大跨度约35m，腹杆布置结合建筑房间分隔，弦杆采用H型截面（H600），竖腹杆采用箱形截面（B600），斜腹杆采用H型截面（H500）。裙房多功能厅顶部根据建筑造型需要，设有椭圆形单层网壳，椭圆长轴跨度约29m，短轴跨度约23m，矢高2.3m，网壳杆件采用热轧无缝钢管，剖面如图2所示。裙房南入口面向海湾，结构设计时结合建筑整体造型，于裙房屋面以上空间设置一道四管桁架，并与向外倾斜的钢拱、斜柱共同形成了主要受力体系见图3。桁架节间划分及斜柱布置结合幕墙分隔，实现了通透的视觉效果，同时利用BIM技术进行幕墙曲面构件建构见图4，梳理建筑表皮、幕墙龙骨与结构构件之间的空间关系，优化构件受力形态，同时用于指导钢结构深化与施工。抗震等级的确定。14层抗震设防类别为重点设防类，应按8度确定其抗震措施；裙房以上各层按设防烈度确定其抗震措施。各构件抗震等级汇总见表2。3超限情况及加强措施3.1超限情况判别表1塔楼典型构件尺寸mm构件名核心筒框架柱框架梁楼板主塔楼外墙700300内墙30020013001300700700（19层设置型钢）外框梁500900径向框架梁400700150120副塔楼外墙400300内墙250200900900600600（14层设置型钢）图2共享裙房剖面单层网壳转换桁架共享大堂图3南入口桁架管桁架钢拱斜柱图4BIM三维建构表2构件抗震等级构件主塔副塔共享裙房核心筒混凝土框架核心筒混凝土框架钢框架部位14层其他区域14层其他区域14层其他区域14层其他区域14层抗震等级特一级一级一级一级一级二级一级二级三级表3一般规则性超限判定序号123456不规则项次扭转不规则凹凸不规则楼板不连续尺寸突变构件间断其他不规则超限内容考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.23、4层平面凹凸尺寸大于相应边长30%2层有效宽度小于50%多塔桁架转换穿层柱（已计入第3项）49低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300工程塔楼主屋面高度为147.1m，属于B级高度的高层建筑，不存在严重规则性问题，但同时具有5项一般规则性问题，属于抗震超限的高层建筑结构。3.2抗震性能目标综合考虑工程抗震设防烈度、场地条件、结构特殊性、建造费用、震后修复难易程度等因素，主体结构抗震设防性能目标取为D级。结构构件类型汇总见表4。3.3加强措施针对上述不规则项，工程采取以下加强措施：（1）提高结构平面的抗扭转刚度，对结构外围构件进行适当加强。（2）加强底部加强部位剪力墙，严格控制轴压比，适当加强约束边缘构件的箍筋配置；裙房及上层高度范围内，对塔楼外围框架柱加强配筋；剪力墙在裙房高度范围及上层设置约束边缘构件。（3）裙房入口桁架及转换桁架考虑竖向地震作用，适当加强构件设计，严格控制构件应力比，适当提高钢桁架整体刚度，控制桁架变形。（4）对裙房及上层体型收进、凹凸不规则、楼板不连续部位进行加强，楼板厚度不小于150mm，双层双向配筋，每个方向钢筋配筋率不小于0.25%；对整层楼板进行应力分析，满足小震不开裂、中震不屈服的性能要求，按楼板应力分析结果进行配筋。（5）复核穿层柱的计算长度系数以及剪跨比；对穿层柱进行手算复核，按电算及手算结果进行包络设计，适当增大穿层柱纵向受力钢筋。（6）补充分塔楼模型计算分析，采取整体模型与分塔楼模型包络设计。（7）严格控制多遇地震及设防烈度地震作用下核心筒墙肢拉应力。（8）控制结构楼层加速度，保证结构的舒适度要求。4结构分析工程使用北京盈建科软件有限责任公司编制的建筑结构计算软件YJK（2.0.3版）进行结构整体分析，同时采用CSI公司开发研制的ETABS Nonlinear16.2程序进行分析计算复核，地震作用考虑5%的偶然偏心扭转影响。4.1多遇地震结构分析结构自振周期及小震下计算结果见表5、表6。主体结构周期比、层间位移角、位移比均满足规范限值要求，同时有效质量系数均大于95%，充分考虑了高阶振型地震作用影响。主体结构侧向刚度变化基本均匀，没有出现明显刚度突变的情况，全楼未出现软弱层和薄弱层。底部14层剪重比略小于规范最小剪重比限值，按GB 500112010 建筑抗震设计规范4（以下简称抗规）进行剪力调整。因3层X向因存在转换桁架，致外框架承担地震剪力较小外，其他楼层框架承担的地震剪力均占基底总剪力的10%以上。小震弹性时程选用1条人工波和2条天然波，加速度峰值为35gal。3条时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线，满足在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。结果表明时程分析层间位移角满足不大于1/800的要求。受高阶频率影响显著的部分高区楼层弹性时程分析获得的层间剪力和弯矩略大于反应谱结果，对这些楼层的地震作用相应放大。4.2设防烈度地震楼板应力分析工程裙房楼面存在楼板不连续、凹凸不规则等平面不规则项，同时裙房各层楼板又起着协调两栋塔楼变形的作用，因此对裙房各楼层楼板及上一层楼板进行楼板应力分析。典型楼板应力云图如图5图8所示。分析结果表明，设防烈度作用下，核心筒区域楼板出现明显的拉应力区，洞口角部出现了明显的应力集中，但多数区域楼板应力较小，在施工图设计阶段26层楼板最小配筋率提高至0.25%，对局部应力集中区域进行构造加强，确保楼板钢筋在设防烈度作用下不屈服。表4结构构件类型构件类型关键构件普通构件耗能构件构件说明核心筒底部加强部位；塔楼15层框架柱；转换桁架、转换柱及与转换桁架的塔楼结构构件；与关键构件相关的重点节点核心筒非加强部位；关键构件之外的框架柱关键构件之外的框架梁、核心筒连梁表5结构自振周期（前六阶）s振型号123456周期比T3/T1周期3.763.643.002.292.111.650.80振型方向X向（主塔）Y向（主塔）扭转（主塔）X向（副塔）Y向（副塔）扭转（副塔）表6小震计算结果底部剪力和剪重比/kN最大层间位移角最大层间位移比楼层的受剪承载力之比最小值X向22522（1.39%）1/8621.390.88Y向21941（1.35%）1/8681.370.87504.3罕遇地震结构性能评价大震弹塑性时程分析采用YJK动力弹塑性软件对主体结构进行建模，考虑几何非线性及材料非线性。选用 2 条天然波（Chuetsu-oki_Japan_NO_5140、Iwate_Japan_NO_5818）和1条人工波（人工波1220）进行结构罕遇地震下的弹塑性时程分析，3条时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线，满足在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。塔楼在3组地震波作用下的最大层间位移角X向为1/108，Y向为1/113，满足JGJ 3-2010 高层混凝土结构技术规程51/100的限值要求。计算过程结束后，塔楼保持直立，满足“大震不倒”的要求。根据工程主体结构的罕遇地震动力弹塑性分析结果，构件抗震性能作综合评价如下：（1）核心筒主体墙肢受压基本上处于弹性状态，未发生压碎的现象；主塔楼核心筒局部剪力墙收进处由于刚度突变，以及副塔中区极个别墙肢出现中等及以上受压损伤。（2）核心筒连梁作为耗能构件，大震下大部分连梁形成塑性铰，达到耗能减震的抗震设计目的。（3）混凝土框架柱大震下部分进入屈服状态。框架柱混凝土部分未出现明显的压碎和开裂现象，可以有效的作为罕遇地震下的抗震储备，可以充分发挥框架柱二道防线的作用。5结语文中介绍了某双塔超限高层办公楼的结构设计，分析了项目设计的重点与难点，结构不规则处及薄弱部位采取了针对性的加强措施。从计算结果可以看出：（1）多遇地震下结构整体指标满足规范要求，底部14层剪重比略小于最小剪重比限值，按 抗规进行剪力调整。弹性时程分析结果显示，层间位移角满足不大于1/800的要求，但受高阶频率影响显著的部分高区楼层弹性时程分析获得的层间剪力和弯矩略大于反应谱结果，施工图设计过程中对这些楼层的地震作用相应放大。（2）裙房楼板起着协调两栋塔楼变形的重要作用，对裙房各层楼板及上一层楼板进行楼板应力分析，并根据结果加强配筋，满足“中震不屈服”要求。（3）罕遇地震作用下，3组地震波层间位移角均满足规范1/100要求，绝大部分核心筒墙肢损伤轻微；大部分连梁形成塑性铰，能够有效耗能；框架柱未出现明显的压碎和开裂现象，充分发挥二道防线作用。计算结果反映结构仍具有良好的抗震性能。参考文献1 张帅.某弱底盘超高层双塔结构抗震性能研究 J.低温建筑技术，2022（8）：96-100.2 徐骁杰.上海某大底盘多塔超限高层结构分析与设计 J.建筑结构，2022，52：132-137.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑工程抗震设防分类标准：GB 502232008 S.北京：中国建筑工业出版社，2008.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB500112010（2016年版）S.北京：中国建筑工业出版社，2010.5 中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 320l0 S.北京：中国建筑工业出版社，2010.收稿日期2023-2-6作者简介陆志立（1987），男，江苏苏州人，硕士，工程师，现从事结构设计工作。图8Y向设防烈度地震作用下4层楼板应力云图（单位：MPa）图5X向设防烈度地震作用下2层楼板应力云图（单位：MPa）5.75.24.84.33.93.42.92.52.01.61.10.60.2-0.3-0.8-1.2图6Y向设防烈度地震作用下2层楼板应力云图（单位：MPa）18.417.015.614.112.711.39.98.57.15.74.32.81.40-1.4-2.8图7X向设防烈度地震作用下4层楼板应力云图（单位：MPa）8.98.27.56.86.15.44.84.13.41.72.01.30.70-0.7-1.413.312.311.310.29.28.17.16.15.04.03.01.90.90-1.2-2.251