文章编号：1009-6825（2012）22-0051-03某超限高层结构分析与设计收稿日期：2012-06-04作者简介：李志刚（1973-），男，高级工程师李志刚林元庆章少华（中国核电工程有限公司郑州分公司，河南郑州450052）摘要：介绍了某超限高层结构的抗震分析与设计方法，针对该超限结构，在分析与设计中采取了抗震性能设计方法和比现行规范更为严格的抗震措施；同时重点介绍了双向密肋空腔楼盖分析与设计的重点和难点；对本工程关键部位如型钢混凝土梁柱节点采取精细化空间设计方法，制定严格的施工控制措施，以确保该结构达到预期的抗震性能设计目标和规范要求。
关键词：超限高层，抗震性能设计，框架—核心筒结构，双向密肋空腔楼盖，节点三维空间精细设计中图分类号：TU972文献标识码：A1工程概况郑州新东站升龙站前广场位于郑州市商鼎路与东风东路交叉口，其中B-14地块由两栋超高层5A 甲级写字楼及附属商业组成，本文主要介绍两栋超高层建筑中较复杂的B 塔，该结构主体高度147．950m ，地下3层，地上36层，结构顶设停机坪，其顶标高为155．0m ，地下3层为停车库，1层 5层为商业，6层以上为办公，其中6层及22层为避难层；该结构建筑标准层平面图见图1。
图1标准层建筑平面布置图3-538507375×29600×47375×243507175038507375×29600×47375×243507175027001550127506950×21265015502700424004250127506950×2126504250393003-73-83-93-113-133-143-153-163-53-73-83-93-113-133-143-153-163-E 3-D 3-C 3-B 3-A3-E 3-D 3-C 3-B 3-A建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。
工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0．15g ；建筑场地类别为Ⅲ类，100年重现期的基本风压值为0．50kN /m 2，地面粗糙度为C 类。
2结构体系该塔楼采用框架—核心筒结构体系，其抗侧力体系由钢筋混凝土核心筒和外框架组成，结构楼盖采用双向密肋空腔楼盖，其楼盖外围为明框梁，内部由厚度450mm 的双向密肋空腔楼板及暗梁组成，双向密肋空腔楼板厚度450mm ，上下层板厚60mm ，空腔厚度330mm （见图2）；商业采用框架结构，与塔楼设缝分开。
肋梁宽150肋梁宽150箱体模盒框架暗梁宽800～10006033060450≈500图2双向密肋空腔楼板剖面示意图3地基基础本工程塔楼地基基础为桩筏基础，桩基采用钻（冲）孔灌注桩，桩径800mm ，有效桩长为33m 和39m ，桩端持力层为第 瑏瑣层粉质粘土；为了提高单桩承载力和控制桩底沉渣厚度，采用桩端后压浆技术，压浆后单桩承载力特征值不小于6150kN ，典型筏板厚度为2700mm 。
4结构超限情况及设计对策本工程B 塔结构主体高度147．950m ，超过规范A 级高度高层建筑最大适用高度130m 的限值；建筑标准层平面见图1；结构在平面规则性上，考虑偶然偏心规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值在Y 方向上最大为1．30，大于1．20的限值，属于扭转不规则结构；在竖向规则性上，属于竖向规则结构；本工程属于超限高层。
针对本工程存在的超限情况，采取了如下主要设计对策：1）采用不少于两个不同的力学模型，并对其计算结果进行分析对比；2）对该结构进行弹性时程分析，对其结果进行分析比较，用以补充反应谱法的计算结果；3）对结构关键部位和构件按性能目标进行设计（性能目标见表1）；4）对该结构进行大震下动力弹塑性时程分析，以确保结构实现“大震不倒”的抗震设防目标；5）结构底部部分楼层框架柱采用型钢混凝土柱，以提高框架柱的承载力和延性；6）双向密肋空腔楼盖采用有限元分析方法，其上下层板及肋梁根据有限元分析结果进行设计。
表1性能目标地震水准多遇地震设防烈度地震预估的罕遇地震层间位移角限值1/800—1/100核心筒墙体按规范要求设计，保持弹性底部加强部位抗剪弹性，抗弯不屈服底部加强部位满足抗剪截面控制条件核心筒连梁按规范要求设计，保持弹性允许出现抗弯屈服，不出现抗剪屈服允许破坏主楼框架柱按规范要求设计，保持弹性底部加强部位抗剪弹性，抗弯不屈服底部加强部位满足抗剪截面控制条件主楼框架梁按规范要求设计，保持弹性允许出现抗弯屈服，不出现抗剪屈服允许破坏5结构分析结构分析主要采用PMSAP 和ETABS 软件进行整体计算分析和比较，同时为了详细分析双向密肋空腔楼盖的受力特性以及在结构整体中的作用，在结构分析中还采用了MIDAS 软件专门针对双向密肋空腔楼盖进行有限元分析，结构计算模型、软件及主要用途见表2，结构计算模型如图3所示。
5．1小震弹性分析主要结果小震下PMSAP 和ETABS 计算的前六阶周期如表3所示，PM-SAP 计算的结构总质量为253655t ，ETABS 计算的结构总质量为254600t ；两种软件计算的结构周期比分别为0．846和0．847，满足规范不大于0．85的要求，结构具有较好的抗扭刚度；结构各楼·15·第38卷第22期2012年8月山西建筑SHANXIARCHITECTUREVol．38No．22Aug．2012层的层间位移角均满足规范的限值要求，结构X 向及Y 向的刚重比分别为4．66和3．52，满足规范的要求，同时可以不考虑重力二阶效应的影响。
本工程小震下的弹性时程分析，共选取了2组天然地震波和1组人工模拟地震波，其水平向对应的加速度峰值取55cm /s 2，双向输入分析，弹性时程分析结果表明：反应谱得到的楼层剪力在结构上部局部楼层略小于时程分析得到的楼层剪力平均值，反应谱法对高振型的影响考虑不够，在计算时对上部楼层的地震剪力适当放大，采用反应谱法计算的结果与时程分析法结果基本吻合，反应谱法能较好地反映该结构的地震响应。
表2计算模型编号计算程序主要用途模型1PMSAP 结构整体分析及计算模型2ETABS 对模型1整体计算结果的对比及分析模型3MIDAS双向密肋空腔楼盖的有限元分析图3结构计算模型a ）PMSAP 模型b ）ETABS 模型表3结构前六阶周期计算软件前六阶周期T 1T 2T 3T 4T 5T 6PMSAP 3．47303．15942．94091．02960．96840．9073ETABS 3．27422．80782．77320．90700．89610．8363形态XY扭转X扭转Y5．2中震及大震分析主要结果中震计算时的水平地震影响系数最大值取αmax 中震=0．34，其计算结果与小震相比，底部加强部位部分核芯筒剪力墙配筋由中震控制，部分框架柱抗剪配筋由中震控制，其承载力能满足中震的性能目标要求。
结构大震动力弹塑性分析结果表明，主要抗侧力构件没有发生严重破坏，多数连梁屈服耗能，大部分框架梁参与塑性耗能，大震下，其筒体剪力墙满足抗剪弹性的目标要求，未出现剪切型损伤，少量角部混凝土受压出现裂缝，核芯筒大震下的应力及损伤见图4，图5，框架柱未出现剪切型损伤，结构最大层间弹塑性位移角满足规范的要求，能实现结构大震不倒的目标。
图4剪力墙混凝土受压的应变等级图a ）地震输入6sb ）地震输入24s6双向密肋空腔楼盖的特点、结构分析与设计双向密肋空腔楼盖（楼盖1）是本工程分析与设计的重点与难点，也是建筑使用和销售亮点，楼盖为顶板、密肋梁及底板组成的整体空间结构（见图2，图6），与同一结构体系普通钢筋混凝土梁板楼盖（楼盖2）及钢梁混凝土楼板楼盖（楼盖3）相比具有以下几个特点：1）楼盖1外围框架布置（包括柱距及梁格布置）更为随意，同时可避免出现因核心筒墙体与外围框架柱无法对齐而出现大量斜拉梁和连梁平面外搭梁情况，提供更大的结构净高；2）楼盖作为空间整体参与结构受力，为结构提供更为适中抗侧刚度，框架与核心筒间传力更为均匀、直接、有效，避免出现剪力墙面外承受巨大弯矩而对结构抗震不利情况。
针对楼盖1以上特点，在分析模型处理及计算分析软件选用上遵循以下几个原则：1）真实模拟空间箱体平面内外刚度，特别是对结构整体刚度贡献；2）真实模拟空间箱体与周边构件的连接关系，特别是与剪力墙的连接关系；3）真实模拟箱体由于与周边连接不同而造成结构刚度的区域变化；4）真实模拟空间箱体受力特征及变形特点。
结构分析采用有限元分析软件PMSAP，ETABS 及MIDAS 程序，对楼盖1的顶板、肋梁及底板在ETABS 中采用等效抗弯刚度壳单元，在PMSAP 中采用夹心板来模拟，MIDAS采用全壳单元空间模型（此模型能真实模拟密肋梁与上下层板形成的空间效应）；在设计过程中进行了大量实验模型（包括楼盖1，2，3及密肋楼盖）的分析与研究，重点研究楼盖1在不同工况荷载作用下变形性状及楼盖应力分布。
由分析可知：在竖向荷载作用下，楼盖应力分布在核心筒周边呈带状分布，在柱头区域呈岛状分布（见图7）；在地震荷载下，应力在框架与核心筒间楼盖呈单向板梁拉压分布；楼盖在恒载作用变形云图见图8；同时由于其楼盖的整体作用，有一大部分竖向荷载可直接通过楼盖面外刚度传给竖向构件，使得框架暗梁的内力大幅下降（相对于普通楼盖2中梁）；楼盖1不但承担竖向荷载而且承担一大部分水平荷载，在水平荷载作用下的上下层板呈现拉压弯复合受力状态。
图5剪力墙钢筋的拉压应变等级图a ）地震输入6sb ）地震输入24s图6双向密肋空腔楼盖有限元模型（MIDAS GEN ）+=图7双向密肋空腔楼盖应力图（恒载）图8双向密肋空腔楼盖变形云图（恒载）在对有限元软件计算结果进行正确分析的基础上，可进行柱帽，核心筒周边实心板带布置及设计，确定肋梁及框架暗梁截面及配筋（见图9）。
在楼盖设计中应注意处理好以下几个关键节点及其构造：1）柱帽范围内框架暗梁，肋梁及柱帽本身三者配筋分配原则及比例，一般情况可根据计算结果先进行框架暗梁配筋，再配置此区域肋梁钢筋，肋梁钢筋贯通柱帽区域，最后将此区域内剩余钢筋配置到柱帽除暗梁及肋梁外剩余区域；2）对肋梁由于其数量较多，可根据软件应力分析结果进行适当归并及分类，采用支座负筋加架立钢筋配筋方式，在满足计算结果基础上，尽量做到经济，但在架立筋选用时需考虑肋梁轴向拉力对配筋影响。
7组合结构梁柱节点精细化空间设计及施工控制型钢与钢筋混凝土柱组合，组成劲性柱。
由于钢材强度高，·25·第38卷第22期2012年8月山西建筑型钢在本结构中起到降低构件截面尺寸，分担大部分弯矩，轴力和剪力，提高结构抗侧刚度，同时型钢翼缘板起到连接钢筋混凝土梁内纵筋作用；所以一旦无法确保型钢混凝土浇筑及型钢施工质量，柱由于承载力不足，可能发生压塌及失稳破坏，梁由于锚固失效出现垮塌，可能会出现严重的质量问题。