华南港航服务中心二期超限高层结构分析

1 工程概况

本项目位于黄埔机修厂A2地块，范围北至黄埔大道东，西至鱼珠东路，东至嘉利仓码头，可建设用地面积16 051 m2，总建筑面积约13万m2，如图1所示。1～3层为商场，4层及以上分为A、B、C三个塔楼，3个塔楼标准层均为办公功能，其中A塔楼12、23层为避难层；地下共4层为车库及设备用房，地下4层部分为人防地下室。

图1 效果图
Fig.1 The Renderings

结构设计使用年限为50年，建筑安全等级为二级，基础设计等级为甲级。抗震设防类别塔楼为丙类，商业裙楼为乙类，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，场地类别Ⅱ类，设计地震分组为第一组，抗震性能目标为C级。

2 结构体系

本工程塔楼为商业综合体，共3栋塔楼。其中A塔楼楼高145.1 m，为B级高度超高层办公楼，建筑平面呈正方形，根据建筑使用及业主要求，同时考虑改善结构延性，A塔楼采用钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒结构，钢筋混凝土楼盖，标准层结构平面如图2所示。

B塔楼楼高96.2 m，为高层SOHO办公空间，建筑平面呈长方形，采用剪力墙结构。

C塔楼楼高40.4 m，为高层办公楼，建筑平面呈正方形，采用框架-剪力墙结构。

3栋塔楼呈“品”字形布置在用地三角，底部4层由商业裙楼连为一体，因项目用地紧张，3栋塔楼水平距离较小，设缝会一定程度影响下部建筑布置；同时考虑3栋塔楼呈“品”字形布置，未出现明显刚度偏置，所以本项目裙楼与塔楼间并未设缝分离，属大底盘多塔楼结构，如图3所示。

考虑项目地下室中部为下沉式广场，且地下楼盖采用无梁楼盖或空心楼盖，所以本结构的嵌固端选定位于底板。

图2 A塔楼标准层结构平面图
Fig.2 Structural Plan of Tower A Standard Floor

图3 裙楼屋面层结构平面图
Fig.3 Structural Plan of Podium Roofing

3 基础设计

根据野外钻探编录、原位测试及室内试验资料，按成因、状态、岩性划分，场区岩土层自上而下可分为：第四系人工填土层：〈1〉素填土；第四系冲积层：〈2〉淤泥（流塑），〈3-1〉粉砂（松散），〈3-2〉细砂（松散），〈3-3〉中砂（松散-稍密），〈3-4〉粗砂（稍密），〈4-1〉粉质粘土（可塑），〈4-2〉粉质粘土（硬塑）；残积层：〈5-1〉粉质粘土（可塑-硬塑），〈5-2〉粉质粘土（硬塑）；砂岩：〈6-2〉强风化砂岩，〈6-3〉中风化砂岩，〈6-4〉微风化砂岩。

根据区域地质资料及现场钻探，场区周边断裂活动较弱，且距离场区较远，场区未发现断裂构造踪迹，区域地壳稳定性为基本稳定。本项目底板底标高基本到达稳定强风化岩层，A塔楼筏板底到达中～微风化岩层，故本项目A塔楼采用以中风化为持力层的整体筏板基础，非A塔楼范围采用以强风化为持力层的柱下独立基础或筏板基础。

4 超限情况

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》（下称《细则》）、GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》［1］（下称《抗规》）、JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》［2］（下称《高规》）以及广东省标准DBJ 15-92-2013《高层建筑混凝土结构技术规程》［3］（下称《广东省高规》）的有关规定，结构超限情况如下：⑴高度超限：A塔楼主体结构高度为145.1 m，超出《细则》高度限值及《高规》A级高度限值11.62%，为B级高度建筑。⑵扭转不规则：A、B、C塔楼最大扭转位移比分别为1.36、1.39、1.28，均大于 1.2。⑶楼板不连续：2 层最小有效宽度占比45.59%，未及50%。⑷尺寸突变：由于场地限制及建筑要求，本项目商业裙楼与塔楼间未设变形缝，导致三塔楼底盘连成一体，形成大底盘多塔楼结构，裙楼高度大于C塔楼高度的20%，故本项计入C塔楼一般不规则项。A塔楼高度超限，且共3项一般性不规则项；B塔楼共1项一般性不规则项，C塔楼共2项一般性不规则项，但因本结构属于大底盘多塔楼结构，A、B、C三个塔楼通过裙楼连成一个整体，所以需对整体进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

5 结构计算分析

5.1 计算软件

本工程采用盈建科软件（v1.8.1.0版，以下简称YJK）作为小震弹性分析设计的主要依据，采用SATWE（v2.2版）补充计算分析作为对比校核，并用YJK进行小震弹性时程补充分析；采用YJK进行中震性能水准3分析；采用YJK进行大震性能水准4分析，并采用YJK-EP进行大震动力弹塑性分析。采用4种计算模型：A塔及其相关范围的裙楼、地下室模型（以下简称“A塔模型”）；B塔及其相关范围的裙楼、地下室模型（以下简称“B塔模型”）；C塔及其相关范围的裙楼、地下室模型（以下简称“C塔模型”）；包含A、B、C三栋塔楼及全部裙楼、地下室的整体模型（以下简称“整体模型”），如图4所示。

5.2 多遇地震下结构抗震性能分析

本工程采用2个不同力学模型的软件（YJK、SATWE）进行整体弹性对比分析。计算表明，两种软件计算结果相差不大，未出现原则性冲突或矛盾的结果，结构各项指标均满足现行设计规范的要求，有很好的一致性，保证计算分析合理、可靠。为节约篇幅，摘取A塔模型和整体模型的主要计算结果对比如表1所示。

分别对A塔、整体模型选用2条人工波，5条天然波，对B塔、C塔模型选用1条人工波，2条天然波，进行弹性时程法分析，地震波峰值设为35 cm/s2。计算结果表明，每条时程曲线下的基底剪力及多条时程曲线下基底剪力的平均值均满足《高规》4.3.5的要求；振型分解反应谱法的计算结果曲线在结构高度方向的大部分范围内均大于7条地震波对应的平均计算结果。

5.3 设防烈度地震作用下的抗震性能验算

采用YJK进行中震性能验算，最大地震作用影响系数为0.23，特征周期0.35s，阻尼比为0.05（A塔）和0.055（B塔、C塔及整体模型）。中震下各塔楼最大层间位移角如表2所示，满足《广东省高规》3.11.3条性能目标C的要求。

通过对比中震及小震分析各层计算配筋可知：

⑴ 在剪力墙底部加强区，中震计算得出的约束边缘构件的配筋大于小震结果；抗剪分布筋与小震结果相差不多；

⑵ A塔钢管混凝土柱应力比、C塔外框柱配筋与小震结果相差不大；外框梁在中震下的配筋结果大于小震结果；

⑶ A塔周边框架与核心筒的连系梁在中震下的配筋结果大于小震结果，且与核心筒相连端更为明显；C塔周边框架与核心筒的连系梁在中震下的配筋结果与小震结果相差不多，部分位置略大于小震结果；

⑷ 各塔楼连梁在中震下的配筋结果大于小震结果；次梁以及框架梁不与剪力墙或者外框柱相连的支座在中震下的配筋结果与小震结果相差不多。

图4 分塔模型及整体模型示意图
Fig.4 Schematic Diagram of Analysis Model

表1 YJK与SATWE分析结果对比
Table 1Contrast of Analysis Results between YJK and SATWE

A塔模型计算软件 SATWE质量sT1（X），T2（Y），Tt（T）3.95，3.83，2.54基底剪力t 恒载质量 95492.3活载质量 9408.3周期地震作用 X YJK 91478.3 9414.2 3.86，3.76，2.68 12695.0 Y 13140.112867.0 9349.0 13376.5风荷载 X整体模型SATWE YJK 213177.6 206375.3 21426.1 21411.4 3.83，3.67，2.37 3.73，3.59，2.50 34564.4932424.45 17602.2 33693.44 32716.09 kN 9285.5最大层间位移角Y 9373.1 20259.3 1地震作用 X；Y 1 19685.9 18174.7 1183（21）风荷载 X；Y 1 1187（22）；1 9261.8 11209（21）；1 1425（4）1 1598（4）；11642（4） 11624（4）；1 1863（21）；11909（21）1209（21）11653（21）；11690（21）2193（4）；12434（4） 12339（4）；12581（4）

表2 中震下最大层间位移角
Table 2 The Most Story Drift Angle under Precautionary Earthquake

最大层间位移角 A塔 B塔 C塔X向 1718（6）Y向 1 400（21） 1401（8） 1 611（6）性能目标 1325 1400 1325 407（21） 1417（11） 1

5.4 罕遇地震作用下的抗震性能验算

采用YJK对各塔楼及裙楼的竖向构件进行第4性能水准的受剪截面验算，最大地震作用影响系数为0.50，特征周期0.40 s，阻尼比为0.06。计算结果表明，关键构件抗震承载力满足要求，未出现超筋，普通竖向构件未大于剪压比限值，仅少量普通竖向构件超筋屈服。

采用YJK-EP进行大震动力弹塑性分析，分别对A塔、整体模型选用2条人工波，5条天然波，对B塔、C塔模型选用1条人工波，2条天然波，地震波主方向峰值220 cm/s2，次方向峰值187 cm/s2，每条波对结构两主轴方向各取主方向。大震下各塔楼及裙楼最大层间弹塑性位移角如表3所示，均满足《高规》3.7.5不大于1/100的要求，也满足《广东省高规》3.11.3不大于1/125的性能目标C的要求。

A塔楼在层间位移角较大的地震波下的结构损伤情况如图5所示。通过对各条地震波下结构损伤情况进行分析，可发现以下规律：

⑴ 在罕遇地震作用下，结构剪力墙底部加强区和中部以下出现受拉损伤，核心筒四周均有分布；个别与连梁相连位置出现轻微受压损伤；边缘构件内钢筋未进入塑性状态；上部剪力墙混凝土拉损伤主要集中于塔楼核心筒门洞两侧。

⑵ 连梁作为剪力墙结构主要耗能构件，在罕遇地震作用下大部分连梁出现较大受拉损伤和受压损伤，主要表现弯剪破坏。通过连梁进入塑性，消耗了很多地震动输入能量，并且削弱结构刚度降低了结构的地震作用。

⑶ 外围框架柱部分没有混凝土受压损伤发生，未见钢管钢材屈服，说明框架柱在大震下能很好的承担竖向重力荷载，并且起到抵抗倾覆弯矩的作用。

⑷ 在罕遇地震波输入过程中，结构的破坏形态可描述为：首先在中下部连梁出现拉损伤，开始进入塑性，然后连梁塑性的范围扩大，并开始有核心筒剪力墙出现开裂，剪力墙受拉损伤发展并集中于底部加强区以及上部门洞两侧，直至连梁开始有中度以上拉损伤并扩散至结构全高。之后在地震的后段时间里结构塑性基本无更大发展，塑性分布呈稳定状态，说明结构的在各构件（主要为连梁）刚度退化及塑性耗能后，形成稳定的塑性分布机制。整个过程中除连梁端部外，剪力墙并无出现明显压损伤。

⑸ 输入各工况罕遇地震波进行时程分析后，结构竖立不倒，主要抗侧力构件没有发生严重破坏，多数连梁屈服耗能，部分剪力墙出现混凝土受压损伤，但未出现局部倒塌和危及结构整体安全的损伤，抗震性能达到并优于“大震不倒”的性能目标。

表3 大震下最大层间弹塑性位移角
Table 3 The Most Elastic-plastic Story Drift Angle under Seldomly Occurred Earthquake

层间弹塑性位移角 A塔 B塔 C塔 裙楼X向 1537（4）Y向 1 300（23） 1177（8） 1323（6） 1 468（4）性能目标 1125 1150 1125 1 407（21） 1266（13） 1338（6） 1 63规范限值 1100 1120 1100 150

图5 典型地震波下A塔损伤分布
Fig.5 Damage Distribution of Tower A under Typical Earthquake Wave

6 关键部位及加强措施

6.1 大底盘多塔结构的裙楼

本结构为不对称多塔结构［4］，结构侧向刚度在裙楼顶发生剧烈变化，属于结构的薄弱部位。结构计算时，应采用整体模型和单塔模型进行包络设计，避免地震作用低估［5］。

裙楼屋面在中震作用下楼板最大主拉应力的应力云图如图6所示。从图6中可以看出，楼板应力集中处主要位于核心筒周边楼板开洞位置附近以及裙楼与塔楼连接处，对此可适当提高核心筒楼板配筋率，在应力集中处加放射钢筋。

图6 中震作用下裙楼屋面最大主拉应力云图
Fig.6 The Maximal Principal Stress Nephogram of Podium Roofing under Precautionary Earthquake

大震下裙楼结构的拉压损伤主要存在于各个塔楼底部区域，受压损伤分布于塔楼范围剪力墙连梁端部，且程度很轻；受拉损伤分布于塔楼范围剪力墙底部加强区，但总体损伤程度较轻微。

为保证上部结构的地震作用可靠地向下传递，增强底盘与塔楼的整体作用，裙楼屋面及其上下各1层楼板板厚不少于150mm，采用双层双向配筋，适当提高楼板配筋率。

根据动力弹塑性的分析结果，对关键位置竖向构件进行加强：对各塔楼与裙楼相连的钢筋混凝土柱，1～4层最小配筋率提高0.05%，并在3、4层箍筋全高加密；B、C塔楼1～4层剪力墙设置约束边缘构件；由于底盘高度超过C塔高度20%，C塔楼2～5层框架柱及剪力墙抗震等级提高一级。

6.2 底部加强区的剪力墙

剪力墙墙肢的塑性铰一般出现在底部加强区，根据动力弹塑性的分析结果，剪力墙的拉、压损伤也多分布于底部加强区。为加强底部加强区范围剪力墙延性，应严格控制轴压比，且底部加强区剪力墙竖向分布筋配筋率及水平分布筋配筋率比规范要求提高0.05%。对于混凝土标号为C65的剪力墙，除满足上述要求外，约束边缘构件配箍特征值提高0.02、约束边缘构件竖向钢筋最小配筋率提高0.1%。

6.3 A塔楼避难层

A塔楼在12、23层设置避难层，层高为6.0 m（标准层层高4.2m），结构X、Y方向刚度小于相邻上1层侧向刚度的70%或其上相邻3层侧向刚度平均值的80%，刚度存在突变，如图7所示。

图7 A塔楼楼层刚度比分布
Fig.7 Story Stiffness Ratio Distribution of Tower A

结构计算时，该软弱层地震剪力标准值乘以1.25的增大系数。避难层与上下各1层抗震等级提高一级，剪力墙设置约束边缘构件，以提高软弱层竖向构件的延性。

7 结论

本工程在多遇地震作用下，结构各构件保持弹性，结构未受损坏或不需修理可继续使用，能达到“小震不坏”的抗震设防要求。

在设防烈度地震作用下，通过中震分析设计，关键构件及普通竖向构件可以实现抗剪弹性，抗弯不屈服性能目标；部分耗能构件进入屈服状态，且损伤为延性破坏，经一般修理可继续使用，能达到“中震可修”的抗震设防要求。

在罕遇地震作用下，动力弹塑性分析结果表明，结构整体进入弹塑性状态，罕遇地震作用下楼层的最大层间位移角小于规范的限值；剪力墙墙肢出现受拉、受压损伤，但损伤程度并不严重；普通竖向构件少量屈服；各楼层大部分连梁均进入塑性耗能状态；部分楼层局部框架梁梁端出现塑性铰进入屈服状态。由此可认为罕遇地震作用下竖向构件性能良好。结构能达到“大震不倒”的抗震设防要求。

针对结构薄弱部位采取比规范更严格的构造措施，可增强结构在罕遇地震作用下的延性，以达到抗震性能设计的要求。

参考文献

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范（2016年版）：GB 50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2016.

［2］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 3-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［3］广东省住房和城乡建设厅.（广东省标准）高层建筑混凝土结构技术规程：DBJ 15-92-2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［4］吴耀辉，娄宇，李爱群，等.大底盘多塔楼结构抗震分析研究进展［J］.建筑结构，2013，33（9）：16-19.

［5］杨勇，张国彦，陈栋，等.石家庄华润中心大底盘多塔超高层结构体系抗震性能研［J］.建筑结构，2015，45（18）：30-34.