重庆华润中心二期T5塔楼结构设计.pdf

四川建筑第43卷第4期建筑论坛与建筑设计重庆华润中心二期T5塔楼结构设计王鹏，李硕，陶少俊，陈平友（基准方中建筑设计股份有限公司，四川成都6 1 0 0 1 1）【摘要】重庆华润中心二期T5塔楼房屋高度为1 9 2.1 0 0 m，采用部分框支剪力墙结构体系。针对塔楼存在超B级高度、高位转换、刚度突变、竖向构件不连续以及局部不规则等超限不规则项，通过小震弹性计算、中大震等效弹性计算，大震弹塑性时程补充计算，以及对穿层墙柱、局部斜撑、梁式转换层典型节点等的专项计算分析，保证结构设计能够满足国家规范和抗震性能化设计要求。【关键词】部分框支剪力墙结构；超高层；高位转换；性能化设计【中图分类号】TU973.1*2【文献标志码】A1工程概况地下室挡墙重庆华润中心二期项目位于重庆市九龙坡区，北邻龙腾大道，西邻谢家湾正街。本场地抗震设防烈度为6 度（0.0 5g），设计地震分组为第一组,场地类别为1 1 类,特征周期T。=0.2 5s。项目总建筑面积为50 39 2 3.37 m。地上建筑包含T1T 5共5栋超高层塔楼，通过4层商业裙房相连；另有一栋2 层幼儿园建筑。地下室层数为3层（局部4层）。T2T 5 塔楼情况基本相同,本文以 T5塔楼为例进行探讨。T5塔楼地上58 层，地下3层，房屋高度为1 9 2.1 0 0 m，包含4层裙房，裙房高度为2 4.8 0 0 m，采用部分框支剪力墙结构。2结构设计2.1结构设计等级由于本建筑建筑功能上、下分区，故将裙房商业及地下室的抗震设防类别设为重点设防类（乙类），安全等级为一级；塔楼住宅区设为标准设防类（丙类），安全等级为二级。地基基础设计等级为甲级，建筑结构防火等级为一级，设计使用年限为50 年。2.2嵌固端选取T5塔楼嵌固端设置在LG层板面。塔楼周边地下室挡墙的关系如图1 所示，根据GB500112 0 1 0 建筑抗震设计规范【2 ,地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应避免在地下室顶板开设大洞口。本项目T5塔楼左侧为汽车坡道出入口，为考虑顶板开洞对于塔楼嵌固的影响，比较开洞模型与不开洞模型洞口周边竖向构件在地下室顶板位置的水平变形情况3，可知开洞模型和不开洞模型，洞口周边竖向构件的X、Y2 个方向水平位移基本一致,说明开洞处竖向构件及楼板能够有效传递楼层水平力，开洞对嵌固作用影响可以忽略不记。2.3基础设计T5号塔楼基础采用嵌岩天然基础，核心筒范围为筱板基础，转换柱、裙房框架柱及地下室相关范围框架柱为柱下独立基础，基础设计时满足重庆市工程建设标准DBJ50-顶板加厚区顶板开动图1 T5塔楼与周边挡墙的关系047-2016建筑地基基础设计规范4 计算的嵌岩深度要求。2.4风荷载体系系数根据GB50009-2012建筑结构荷载规范5 规定，本工程T5塔楼与周边塔楼距离较近，风环境复杂，需考虑建筑群之间的相互干扰，本项目通过数值风洞分析确定用于结构抗风设计的风压分布及高层建筑间相互干扰下的风荷载增大系数。塔楼风荷载体型系数采用建设单位提供的由重庆大学2019年3月完成的重庆华润中心二期项目风洞数值模拟研究报告【6 中的体型系数，该系数已考虑高层建筑群之间的相互干扰增大系数，如表1 所示。表1 风荷载体型系数单体工况群体工况 规范体型体型系数塔楼主轴方向体型系数体型系数系数包络值X1.338T5Y2.5结构体系T5塔楼5层板面以上住宅采用框架剪力墙结构形式，标准层结构平面布置见图2；为满足底部商业裙房及住宅定稿日期 2 0 2 2-0 6 -0 1作者简介 王鹏（1 9 8 1 一），男，硕士，高级工程师，国家一级注册结构工程师，研究方向为建筑结构。71T5塔楼地下室挡墙1.3491.3501.0831.401.461.401.46建筑论坛与建筑设计架空层对大空间的要求，在架空层（4层顶）设置转换层（转换层结构平面布置见图3），形成部分框支剪力墙结构体系。?QQ?810050006700DCBAA转换层框支转换主梁采用型钢混凝土梁，框支梁主要截面为 1 40 0 mm 2 500 mm(H2 000 300 35 35)、1 6 0 0mm2500mm(H20003003535）；框支混凝土柱采用型钢混凝土柱；楼板板厚为2 0 0 mm。混凝土等级均为C60。为避免转换层局部降板对楼板传递水平力的不利影响，转换层采用整体降40 0 mm的方式，以保证建筑使用功能（如厨房、卫生间等）和设备转管的要求。转换层及以下剪力墙采用普通钢筋混凝土剪力墙，转换层以上2 层由于抗剪承载力需要在剪力墙内设置钢板形成钢板混凝土剪力墙，同时在约束边缘构件区上2 层设置过渡层，结构抗震等级由特一级逐渐过渡到二级，剪力墙分布筋配筋率由0.4%过渡到0.2 5%。2.6结构规则性判断依据住建部超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点（2 0 1 5年版）以及重庆市超限高层建筑工程界定规定（2 0 1 6 年版），本工程的超限情况判断见表2。属于超限高层建筑。2.7抗震性能目标针对本工程结构类型及不规则情况，设计采用结构抗震性能设计方法进行分析和论证，依据JGJ3-210高层建筑混凝土结构技术规程（以下简称高规）对整体计算选用C72四川建筑第43卷第4期表2 不规则超限判别序号不规则类型?1385050050006700图2标准层结构平面布置(单位;mm)Q?81005000670050006700O?图3转换层结构平面布置（单位：mm）简要定义高度超限高度大于框支剪力墙B级高度3550210038:5025003810050038:50250038100是否超限是6780500035507000355057007000上下墙、柱、支撑不连续，含加2构件间断强层、连体类楼层侧向刚度小于相邻上层3刚度突变的9 0%局部的穿层柱、斜柱、夹层、个4其他不规则别构件错层或转换?级性能目标及相应的抗震性能水准，不同结构构件的性能水准要求见表3。表3结构构件性能水准设计要求多遇地震影响设防地震地震性能水准1?底部加强部位?关键剪力墙塔楼框架柱框支框架弹性构件抗弯不屈服（含转换次梁）裙房斜撑除“关键构件”普通竖之外的竖向弹性向构件抗弯不屈服构件?框架梁耗能构件转换层楼板弹性抗弯不屈服楼板避难层等大开弹性洞楼层楼板抗弯不屈服3多遇地震弹性分析3.1多遇地震弹性反应谱分析本工程多遇地震作用下采用YJK1.9.3.2和MidasBuilding2019分别进行多遇地震作用下的反应谱计算。T5塔楼多遇地震反应谱的主要计算结果见表4,综合计算结果表明，结构周期和自重适中,剪重比、刚重比符合规范要求。位移角和轴压比满足规范的限值要求，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。楼层侧向刚度仅转换层下一层(3层）与转换层（4层)的比值小于9 0%，其余楼层与相邻上层的侧向刚度均大于9 0%，抗侧刚度在3层有突变，属于侧向刚度不规则结构，设计时将3层的地震剪力放大1.2 5倍，并将3、4层的框支柱箍筋全长加密，体积配箍率不小于1.2%；同时，对软弱层进行罕遇地震下的弹塑性变形验算及损伤分析，保证软弱层的框支柱及剪力墙在罕遇地震作用下不会发生塑性破坏。3.2多遇地震弹性时程分析根据GB50011-2010建筑抗震设计规范5.1.2 条的规是是是罕遇地震34抗剪弹性抗剪不屈服抗弯不屈服允许部分构件抗抗剪弹性剪、抗弯屈服抗剪截面满足高规要求允许部分允许大部分弹性抗弯屈服、抗剪不屈服允许部分连梁弹性抗弯屈服、抗剪不屈服抗剪弹性抗剪弹性耗能构件进人屈服阶段允许大部分耗能构件进入屈服阶段抗弯、抗剪不屈服抗弯、抗剪不屈服王鹏，李硕，陶少俊，等：重庆华润中心二期T5塔楼结构设计表4多遇地震反应谱计算结果主要设计参数自振周期最小剪重比(调整后)（剪重比限值按高规第4.3.1 2 条）有效质量系数50年一遇风荷载下最大层间位移角（层号）规范反应谱地震作用下最大层间位移角最大层间位移比刚重比地震作用下本层侧向刚度与上层侧向刚度的比值的最小值按高规3.5.2 条转换层下部与上部结构的等效侧向刚度比按高规附录E.0.3转换层与其相邻上层的侧向刚度比按高规附录E.0.2楼层受剪承载力与上层的比值嵌固端剪切刚度比按高规5.3.7 条框支框架承担的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩之比（转换层）框支框架承担的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩之比（嵌固端首层）定，选取I1类场地上5组实际强震记录（天然波一天然波五)以及2 组人工模拟的场地波进行弹性时程分析，主方向地震波加速度峰值取0.1 8 m/s,主方向与次方向的峰值加速度的比值为1:0.8 5。弹性时程分析的最大层间位移角及基底剪力详见表5。7组地震波作用下的结构基底剪力均在振型分解反应谱法计算基底剪力的6 5%1 35%范围内，7 组地震波作用下的平均基底剪力在振型分解反应谱法计算基底剪力的80%120%范围内，满足高规4.3.5条要求。在用反应谱法进行计算时，对各层地震剪力乘以不小于1.0 的剪力调表5多遇地震时程分析计算结果计算值底部剪力/kNT5.5798T25.2037T33.6305X0.600%Y0.600%X99.03%Y97.52%X1/1423Y1/1162X1/1335Y1/1572X1.06Y1.14X1.678Y1.976X0.7437Y1.0000X1.8694Y1.9951X0.7706Y0.6259X0.86Y0.85X3.2333Y2.2373X34.3%Y44.0%X21.9%Y13.4%最大层间位移角地震波X向V比值天然一5278.7150.935785.8891.021/1473 1/1878天然二5152.1360.915742.8791.021/17561/1890天然三6322.447天然四4466.260.784549.9180.801/1727 1/2290天然五5055.8720.895820.4251.031/15341/1967人工一4785.1220.845260.3540.931/15931/1991人工二5233.4340.925781.0741.021/16841/1775平均值5184.8550.915485.2580.97CQC5657.519整系数，以保证各层按反应谱方法计算的楼层剪力不小于弹性时程方法的平均值。4设防地震等效弹性分析按照抗震设防性能目标的要求，采用等效弹性阵型分解反应谱法进行设防地震弹性和设防地震不屈服计算，结合高规中不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求的相关公式,进行结构构件抗震性能验算分析,取其与多遇地震弹性的包络进行设计。4.1整体参数计算结果本工程进行设防地震等效弹性分析，整体指标计算结果表明，中震下X向最大层间位移角为1/57 4,Y向最大层间位移角为1/6 51,均满足中震下结构的层间位移角限值（1/31 9）。等效弹性分析计算配筋结果表明，关键构件及普通竖向构件的纵筋、抗剪钢筋（梁柱箍筋、墙水平筋）的配筋值均在合理范围内，没有超筋现象，并且各构件的剪压比均满足规范要求，框架梁、连梁的抗剪箍筋及抗弯纵筋也均在合理范围内，故按与小震弹性配筋结果进行包络，能够达到中震下的性能水准3。4.2中震小偏拉验算中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用高规中规定的特一级构造。按考虑双向地震作用的中震等效反应谱法进行混凝土构件的偏心受拉验算，验算结果显示：仅5层板面6 层板面部分剪力墙墙肢出现拉应力，且拉应力均未超过2 倍fk。本工程对5层板面7 层板面的墙肢无论是否受拉，均按特一级构造进行设计。5罕遇地震等效弹性分析按照抗震设防性能目标的要求，采用等效弹性阵型分解反应谱法进行罕遇地震弹性和罕遇地震不屈服计算，结合高规中不同抗震性能水准的结构构件承载力设计要求的相关公式,进行结构构件抗震性能验算分析,取其与多遇地震、设防地震计算结果的包络进行设计。5.1整体参数计算结果本工程进行罕遇地震等效弹性分析，整体指标计算结果73Y向V比值1.115456.2720.961/14001/15415629.5121/12021/1411X向Y向建筑论坛与建筑设计表明，中震下X向最大层间位移角为1/2 30,Y向最大层间位移角为1/2 7 1，均满足罕遇地震下结构的层间位移角限值(1/200)。等效弹性分析计算配筋结果表明，关键构件的纵筋、抗剪钢筋（梁柱箍筋、墙水平筋）的配筋值均在合理范围内，没有超筋现象,并且各构件的剪压比均满足规范要求，故按与多遇地震、设防地震配筋结果进行包络，能够达到大震下的性能水准4。6罕遇地震弹塑性时程分析采用SAUSACE进行罕遇地震动力弹塑性时程分析，选取了2 组天然波和1 组人工波，输入主方向最大加速度为125cm/s,次方向为1 0 6.3cm/s。为充分激励建筑结构，输入的地震动有效持续时间不小于结构基本周期的5倍和15 s。6.1整体参数计算结果3组地震波作用下结构在X、Y2 个主方向顶层最大位移分别为0.51 2 m、0.36 0 m，结构顶层典型水平位移时程曲线见图4，水平位移不呈发散趋势，结构在罕遇地震作用下不致发生倒塌8 。每组地震波作用下结构的层间位移角及其对应的楼层号见表6,X、Y方向各地震波对应的结构层间位移角曲线分别见图5、图6。结构在X方向的层间位移角最大值为1/2 35,出现在36 层；结构在Y方向的层间位移角最大值为1/343,出现在44层。结构在X、Y2 个方向层间位移角均满足抗震性能目标1/2 0 0 的限值要求。0.400.200.00-0.20F-0.40L图4罕遇地震下结构顶层位移时程表6 结构层间位移角最大值主方向地震波组位移角天然波11/249X天然波2人工波1天然波1Y天然波2人工波16.2大震构件性能分析弹塑性分析模型采用小震、中震及大震性能设计的计算配筋，配筋取结构计算与规范构造的较大值。通过混凝土应变、混凝土塑性损伤因子及钢筋、钢材的塑性应变可以宏观判断结构构件的塑性损伤情况,并按照一定的依据进行结构损伤程度的判断9 。底部加强区墙体、框支梁（含转换次梁）、框支柱的混凝土及塑性损伤因子及钢筋塑性应变,对关74四川建筑第43卷第4期605550F4540F一一天然波2一人工波135F一规范限值楼30252015105H0图5罕遇地震下X向层间位移角60155F50F4540F一一天然波2一人工波135F一规范限值302520F1510500时间/s图6 罕遇地震下Y向层间位移角键构件构件损伤情况进行评价，见图7 图9。对不满足罕遇地震下抗震性能目标要求的构件进行加强以满足预设的性能目标要求。层号最大值431/235261/258341/373431/360431/34342一天然波11/600一天然波11/600按大震弹塑性时程分析结果对普通竖向构件、耗能构件、楼板等进行塑性损伤评价，均能满足相应性能目标要求。1/2351/3431/3001/300轻度损坏轻微损坏无损坏图7 底部加强区墙体性能评价1/2001/200计目标的要求。参考文献王鹏，李硕，陶少俊，等：重庆华润中心二期T5塔楼结构设计7.3梁式转换层典型节点分析为了进一步分析转换层转换梁的安全性，采用ABAQUS分析软件对梁式转换构件进行弹塑性有限元分析，以确定转换梁中材料是否满足“中震弹性、大震不屈服”的设计目标并分析受力的薄弱部位。轻度损坏从分析结果可知框支框架及上部剪力墙墙肢能够满足轻微损坏中震抗剪弹性、抗弯不屈服以及大震抗弯抗剪不屈服的性能无损坏目标，中震、大震下连梁端部混凝土开裂但未压溃、钢筋即将进人屈服，连梁端部将率先出现塑性铰。图8 框支梁（含转换次梁）性能评价8结束语本工程属于高度超限的部分框支剪力墙结构，对结构进行了小震弹性分析、小震弹性时程分析、中大震性能化分析、轻度损坏大震弹塑性验算以及专项分析。结果表明结构各项指标结轻微损坏果满足规范要求,结构整体满足抗震性能目标C的要求。结无损坏构设计安全合理，得到了业主和超限专家认可，并已顺利通过重庆市超限高层建筑工程抗震设防专项审查，详细分析过程参见本项目超限报告【1 0 。图9 框支柱性能评价17专项分析高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010S .北京：中国建筑工业出版社，2 0 1 0.7.1穿层剪力墙和框架柱稳定性分析2建筑抗震设计规范（2 0 1 6 年版）：GB50011-2010S .北京：L27L28层由于建筑功能需要，存在2 层通高的消防中国建筑工业出版社，2 0 1 6.水箱间，故在2 8 层的楼面开较大洞口，从而形成两层通高3吴强.高层建筑地下室顶板开洞的嵌固分析与抗震设计J.(3.4+3.1=6.5m）的剪力墙和框架柱。根据高规附录建筑结构,2 0 1 8(S1):278-283.D,提供的墙体稳定验算方法，计算不同厚度剪力墙的稳定承4建筑地基基础设计规范：DBJ50-047-2016S.重庆：重庆载力。同时采用采用软件MIDASGEN2017，进行穿层墙及市城乡建设委员会，2 0 1 6.穿层柱的弹性屈曲分析。综合规范算法和软件屈曲分析结5建筑结构荷载规范：GB50009-2012.S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 2.果可知穿层剪力墙和框架柱稳定性满足设计要求。6重庆华润中心二期项目风洞数值模拟研究报告R.重庆：重7.2斜撑受力分析庆大学,2 0 1 9.T5号塔楼东侧靠近地下室外墙一侧一根结构柱因位于7建筑结构抗倒塌设计规范：CECS392：2 0 1 4S .北京：中国计地下室外生化池上方而无法落地，由主体结构悬挑8.5m作划出版社,2 0 1 4.为上部商业转换；由于荷载较大，采用斜撑方案解决此楼层8动力弹塑性时程分析技术在建筑结构抗震设计中的应用M.悬挑问题。上海，上海科学技术出版社，2 0 1 3：1 8 4-2 0 4.对斜撑及相邻杆件按照中震抗剪弹性、抗弯不屈服及大9华润中心二期商业综合体（二十四城七期)1 T5号塔楼超限震抗弯、抗剪不屈服进行计算分析。配筋均在合理的范围高层建筑工程抗震设防可行性论证报告R.成都：基准方中内，按照包络设计方法，斜撑构件能够满足所设定抗震性能设建筑设计股份有限公司,2 0 1 9.75