中美信托金融大厦东塔楼超限高层结构设计

中美信托金融大厦东塔楼超限高层结构设计

苏 骏

华东建筑设计研究院有限公司 上海 200002

摘要：中美信托金融大厦东塔楼结构体系为框架-核心筒结构，有2项平面不规则和1项竖向不规则，判定为超限高层建筑工程。本文对其超限类型和程度进行了分析，有针对性地提出有效控制安全的技术措施，包括整体结构和关键构件的加强措施和预期的性能目标等。通过多个程序的详细计算以及补充弹性动力时程分析和静力弹塑性分析表明：结构各项性能指标均满足规范要求。有针对性的采取合适的抗震技术措施并将在施工图设计阶段具体落实，使塔楼具有良好的抗震性能，满足既定的抗震设防目标。

关键词：超限高层建筑；性能化目标；框架-核心筒；静力弹塑性分析；楼板分析

Structural Design of East Tower of Chinese-American Trust

Su Jun

(East China Architectural Design & Research Institute, Shanghai 200002, China)

Abstract: East Tower of Chinese-American Trust is a super high-rise building using frame-core wall structure system, with many unfavorable factors beyond code limits, including with two irregular-plane items and one vertical irregularity item. The project characteristics, important elements design and performance-based seismic design method were discussed and in the article. Based on the analysis through Satwe and Midas structural software, the performance indicators met the design-code requirements. Some structural improving measures are also introduced , which could be references in the relevant engineering structural design.

Keywords: high-rise building, performance objective, frame-core wall structure, static elasto-plastic analysis, floor analysis.

1 工程概况

中美信托金融大厦项目位于上海市虹口区，处于上海市国家级和市级文物保护单位建设控制地带，且项目地块北侧与天潼路12号地铁线相邻，设计过程中需避免其对周边历史建筑和地铁线路的影响。

本工程由东、西两栋办公塔楼、裙楼和地下室组成，总建筑面积约12万m²，其中地上建筑面积约8.5万m²，地下建筑面积约3.6万m²。东办公楼高62.5m，地上15层；西办公楼高96.3m，地上23层；裙楼高22.5m，地上5层；地下室共4层；东西办公塔楼各附带一块裙房，两者之间通过150宽的防震缝脱开，主体结构均为框架-核心筒结构。建筑效果图如图1所示。本文主要围绕东塔楼的超限结构设计展开。

图1 中美信托金融大厦建筑效果图

2结构布置及超限情况分析

2.1 结构造型与布置

东办公塔楼主要抗侧力系统由内部的钢筋混凝土核心筒以及外围混凝土柱与混凝土梁组成的框架两部分组成。塔楼地下核芯筒外墙厚度500mm、内墙350mm，混凝土强度等级C50；地面一层以上核心筒外墙混凝土厚度从500mm向上减至400mm，核心筒内墙混凝土厚度为350~250mm，混凝土强度等级C50~C30。

核心筒外围梁柱组成框架，同时在裙房收进的上层南北边跨各布置一道柱间“V”字型钢支撑以减小刚度突变，作为结构体系的二道防线，提供了一定的抗侧移刚度和抗扭转刚度，并且增强了结构的整体性。随着建筑高度增大，典型矩形混凝土柱截面也由800x1200mm逐级收至800x800mm，混凝土强度等级由C50逐级过渡为C30。

图2 东楼标准层结构布置

东塔楼的重力荷载抗力结构体系由中央钢筋混凝土核心筒、外围型钢混凝土柱和楼面混凝土梁以及钢筋混凝土楼板组成。适当加大X向外围框架梁至600x900 mm，以增加塔楼抗扭刚度；Y向外框梁400x700mm。

2.2 超限情况分析

本工程东塔楼高度不超限，有扭转不规则和楼板不连续（穿层柱）2项平面不规则超限和竖向缩进1项竖向不规则超限，共3项不规则超限。根据《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》（建设部令第111号）及《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），应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

图3 竖向不规则超限示意图

图4 平面不规则超限示意图

2.3 抗震加强措施

针对该超限高层建筑，主要采取了以下优化布置和加强措施^{[4] [5]}：

(1)通过结构的布置调整刚度，使刚度中心与质量中心尽量一致。适当加大外圈框架梁、柱的截面，以增加楼层的抗扭刚度。

(2) 对于东塔楼二层楼板局部不连续，开洞部位周边楼板加厚至130mm，适当提高此部分楼板的配筋率，对于由此产生的穿层柱，考虑地震中长短柱共用时周边短柱出现破坏后地震剪力转由穿层长柱承担的可能，穿层长柱按周边短柱的剪力复核承载力。

(3) 针对结构竖向不规则的问题，严格控制上部收进结构的底部楼层层间位移角小于相邻下部区段最大层间位移角的1.15倍，为此在塔楼六层南北边跨各布置一道柱间“V”字型钢支撑，以改善结构位移角的突变，减小体型收进处结构刚度的变化。

(4) 塔楼六层（立面收进层）楼板厚度加厚至150mm，其相邻上、下层的楼板加厚至130mm，适当提高此部分楼板的配筋率，并采用双层双向配筋；六层（立面收进层）相邻上下各两层塔楼周边框架柱抗震等级提高至特一级，加强收进层下部二层周边框架柱的配筋构造措施。

(5) 提高结构关键部位的抗震性能^[6]，进行性能化设计。关键构件的抗震设防性能目标如下表所示：

表1 本工程结构抗震性能目标

图5 二层楼板应力云图

(6) 对于塔楼二层楼板不连续，计算中楼板按弹性楼板考虑，同时对于此部分楼板进行应力分析，控制多遇地震作用的主拉应力不大于混凝土抗拉强度的设计值，并按多遇地震作用的主拉应力放大3倍即“中震弹性”复核根部楼板的配筋。MIDAS软件弹性板计算结果详见图5。多遇地震作用下各层楼板主拉应力（最大内力约0.77N/mm²）小于混凝土抗拉强度设计值（1.43N/mm²），施工图阶段按设防烈度地震作用的主拉应力复核凹口周围及根部楼板的配筋。

3结构整体分析与设计

3.1 基础和地下室结构设计

拟建场地位于上海市虹口区，属滨海平原地貌类型。场地高地下水位埋深为地表面下0.5m，低地下水位埋深为地表面下1.5m。

由于本项目上部结构层数和荷载不均匀，荷载差异比较大，且邻近在建的轨道交通12号线，结合轨道交通并考虑地基承载力、控制沉降和地下水浮力等因素，东塔楼桩选用Φ800钻孔灌注桩，采用桩端后注浆工艺，以控制桩基的沉降及沉降差，满足地铁运营要求。持力层为9-2层，桩长约63米。裙房区域框架柱下存在抗压和抗浮两种工况，设计抗拔桩为Φ700钻孔灌注桩, 以抗拔为主，持力层为8-2层，桩长46米。

根据计算所得，在轨道交通规划控制线15m之内，地基沉降均小于20mm，在控制线15m之外，最大地基沉降为35mm，均满足规范要求。

地下室外墙采用“二墙合一”的地下连续墙，墙厚1000mm。在地下室有条件地增加剪力墙肢，并且封闭的地下室外墙使整个地下室具有极大刚度(见下表2)，远大于规范关于嵌固条件的要求（下、上层侧移刚度比大于1.5），且地下室顶板没有较大洞口，故满足地下室顶板作为结构嵌固端的条件。

图6 整体结构(东、西塔楼和裙房)沉降等直线图

表2 嵌固层侧向刚度比（剪切刚度）

注：计算地下室侧向刚度时，仅考虑上部结构及其周围10米以内（约2倍地下室层高）抗侧力构件的贡献。

3.2 结构静力弹性计算分析

工程所在地上海市的建筑抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9s。参照《建筑抗震设防分类标准》GB50223-2008，东塔楼8层以下重点设防类建筑(乙类建筑)，8层以上标准设防类建筑(丙类建筑)。

考虑到结构的复杂性，结构设计计算采用SATWE及MIDAS二个程序分别进行整体计算比较，保证计算结果的准确和完整^{[1] [3]}。结构的第一阶振型为Y向平动，第二阶振型为X向平动，第三阶振型是绕Z轴扭转，扭转周期小于第一阶平动周期的0.85，说明结构具有较大的扭转刚度。

表3 结构自振特性和模型质量

采用上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2003建议的剪切刚度，楼层的侧向刚度最小为其相邻上层的90%，大于70%和相邻上部三层刚度平均值的80%，满足规范要求，结构不存在刚度突变的软弱层。

东塔楼体型收进层与相邻下层侧向刚度之比见表4，最小值为88%，大于50%，符合要求。由此说明结构竖向收进部分主要为框架，对整体刚度影响不明显。

表4 体型收进层与下层的刚度比

3.3 弹性时程分析

采用SATWE程序对东塔楼进行了线弹性动力时程分析。计算模型与反应谱计算模型一致，选用SATWE程序提供的三条地震波（人工波：RH3TG090，天然波：TH2TG090、TH4TG090），输入的地震加速度峰值为35gal。

表6列出了时程分析计算的最大位移角和基底剪重比，结构最大层间位移角均小于1/800，基底剪重比小于1.6%，符合规范要求。

表5 时程分析与反应谱分析基底剪力比较

表6 时程分析法结构地震响应计算结果

图9 时程分析与反应谱计算的楼层剪力

3.4 静力弹塑性分析

静力弹塑性分析采用中国建筑科学研究院的程序PKPM系列EPDA进行，分别按倒三角分布形式和弹性CQC地震力形式分别进行静力弹塑性推覆分析。需求曲线采用我国规范反应谱生成。对于以第一振型为主的高层建筑，高阶振型影响不明显的结构可以较好的反应结构的响应。

图10 罕遇地震作用下结构能力-需求曲线

分析结果表明：当水平推覆力由零增加到相当于小震水平时，结构保持弹性，没有塑性铰出现；到中震水平时，塔楼部分连梁及裙房部分框架梁开始屈服，钢支撑屈服，芯筒剪力墙底部出现裂缝，底部少部分墙刚度开始退化，框架柱未见屈服；到大震水平时，结构进入塑性的程度较高，更多的连梁及框架梁进入塑性，全楼的芯筒剪力墙出现裂缝，底部刚度退化的墙区域进一步加大，顶部也有小部分墙的刚度开始退化，少数的外围框架柱柱顶出现塑性铰，结构仍然稳定。

表7 顶点位移及最大楼层层间位移角表

在两种形式的推覆荷载下，小震、中震及大震三个水平地震力作用下，结构的顶点位移和层间位移角见表7。在小震作用下，结构保持弹性，最大层间位移角小于1/800，满足了“小震不坏”的性能要求；在中震作用下，部分耗能构件进入塑性，满足了“中震可修”的性能要求；在大震作用下，少部分竖向构件进入塑性，结构的最大弹塑性层间位移角小于规范1/100的限值要求，满足了“大震不倒”的性能要求。 整个结构（包括裙房顶层及其上下层）的层位移和层间位移角均没突变，没有明显的薄弱层。

在地震作用下连梁首先消耗能量，进入塑性，而后是框架梁及支撑，接下来部分墙的刚度开始退化，最后部分外围框架柱柱底出现塑性铰，做到了强柱弱梁，达到了预期要求。适当加强底部加强区核心筒墙体水平及竖向分布钢筋的配筋率，提高墙体延性。在推覆过程中，结构具有稳定的抗侧推能力，延性较好，达到设计要求。

5小结

中美信托金融大厦东塔楼结构体系为框架-核心筒结构，共有扭转不规则和楼板不连续（穿层柱）2项平面不规则超限和竖向收进1项竖向不规则超限。

本文对东塔楼超限类型和程度进行了分析，有针对性地提出有效控制安全的技术措施，包括整体结构和关键构件的加强措施和预期的性能目标等。计算中采用SATWE和MIDAS程序进行了整体计算分析比较。同时，补充了弹性动力时程分析以及静力弹塑性推覆分析，相应计算结果表明结构设计满足规范规定。有针对性的采取合适的抗震技术措施并将在施工图设计阶段具体落实，使塔楼具有良好的抗震性能，满足规范关于“小震（多遇地震）不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国建设部.GB50011-2010. 建筑抗震设计规范 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[2] 中华人民共和国建设部.JGJ3-2010. 高层钢筋混凝土结构技术规程 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[3] 徐培福,傅学怡,王翠坤,等. 复杂高层建筑结构设计. [M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2005.

[4] 吕西林. 超限高层建筑工程抗震设计指南. [M]. 上海:同济大学出版社, 2009.

[5] 黄志华,吕西林. 上海市超限高层建筑工程的若干问题研究. [J]. 结构工程师, 2007,23(5):1-4.

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