王利民

（太原王孝雄建筑设计院（有限公司），山西太原 030024）

1 工程概况

工程地点位于山西省太原市万柏林区核心地带，项目东西长约182m，南北宽约73m，共有2幢超限高层公寓楼，地上一层、二层、一到六层裙房为商业。总建筑面积183960.34m2。主楼部分地下4层，主楼在地下与车库连为一体，地库顶板以上A座、B座及裙楼商业由变形缝分为3个独立楼栋，各楼栋的嵌固端位于正负零。公寓楼A座总建筑高度187.97m，地上58层；B段公寓楼建筑总高度160.1m，地上49层；均为超过B级高度的超限高层建筑，本文主要论述A座的上部结构设计。

2 基础设计

本项目拟建场地为汾河中段—太原西山Ⅰ级阶地的地貌单元，场地稳定，软土可不考虑震陷影响。地表面到地下20m范围存在以第②层饱和粉砂为主的液化土层，场地地基液化等级为轻微，桩侧摩阻力液化影响折减系数10m以内可取2/3，大于10m深度段可不折减。拟建场地地下水类型包括孔隙潜水与承压水，项目场地地下水位稳定值为5.65～6.31m，绝对高程783.95～785.13m；平均高程784.476m。建筑物基础抗浮水位高程按787.10（-4.500）考虑。±0.000相当于绝对高程790.985m。本工程基础形式采用桩筏基础，（钢筋混凝土后压浆灌注桩在筏板下满堂布置，桩径0.8m，工程桩长50m，第10层为粉砂层未桩端持力层，筏板板厚2.20m。工程桩单桩取值8000kN（承载力特征值）。桩筏基础的计算方法采用有限元，在竖向荷载作用下：A座最大桩反力8293kN，平均值为7280kN；在水平荷载作用下：A座最大桩反力10385kN小于1.5倍特征值kN，平均桩反力65981kN小于1.25倍特征值，达到规范和计算要求。A座总沉降量最大值和最小值分别为7.51cm和4.34cm，整体倾斜最大为0.152m，在规范允许范围。

3 结构体系与布置

A座结构体系经过多轮讨论和比较，确定采用剪力墙结构体系，主要原因如下：①上部主要楼层为公寓，房间开间较小，且房间内不宜突出大的柱子等构件；房间层高较低，不宜布置较大的结构梁；②底部一、二层为商业，且周边不属于繁华商圈，对大空间商业的需求不是很强烈。如本工程采用框支剪力墙，造价明显上升，经济性较差；③剪力墙可充分发挥混凝土的抗压强度高的特性来作为优良的竖向受力构件，其截面刚度大的特性具有良好的水平抗侧力性能。从下到上，剪力墙的截面尺寸由400～650过渡到200～400不等，混凝土强度等级

由C60依次降为C35。为增加墙肢延性，在底部拉应力较大的墙肢内设置型钢柱。楼盖结构为铝模工艺的钢筋混凝土梁和现浇楼板，综合考虑了结构形式、建筑布局、管线排布、装饰装修及业主要求等。结构平面布置如图1所示。

图1 结构平面布置

4 地震作用参数及抗震性能目标

主楼地上与裙楼相连的商场建筑面积超过了17000m2，根据规范，A座主体抗震设防类别：28.79m以下为乙类（重点），28.79m以上为丙类（标准）。 ①A座塔楼主要地震参数：Ⅷ度设防、加速度0.20g、第二分组；抗震措施28.79m以下为Ⅸ度，其余Ⅷ度；剪力墙抗震等级：-3.6m～28.79m为特一级、负2层为一级、负3层为二级、负4层为三级，其他部位为一级；②Ⅲ类（场地类别）、0.55s（特征周期），0.05/0.07（小/大震阻尼比）；③0.40kN/m2（50年重现的基本风压）、体型系数1.3（风荷载）、C类（地面粗糙度）、0.35kN/m3（雪荷载，50年一遇）；④按C类目标考虑抗震性能。

5 超限情况及对应措施

本工程存在超100m高度的88.9%、最大平面凹进尺寸与对应边长比值32%、高宽比8.8、局部不规则等超限情况，设计时加强措施如下：①对A座塔楼使用软件SATWE、MIDAS分别进行塔楼整体计算并对比结果，这两个软件的原理是模拟的不一样力学受力模型，要求大的把控基本一致，不同的薄弱部位进行加强；②通过用SATWE软件——弹性时程分析补充计算，对比CQC法的计算结果，判定结构设计偏于安全；③采用PKPMSAUSAGE对结构在大震下的抗震性能验算，可以看到结构薄弱部位的弹塑性性能，设计上采取一一对应的加强手段和举措。

6 塔楼计算与分析

（1）分析软件：①PKPM程序用于小震下弹性分析、设计，弹性时程分析（补充计算），塔楼设防烈度地震计算及工程设计；②MIDASBuilding用于小震弹性分析校核与设计；③PKPMSAUSAGE用于大震弹塑性分析。

（2）两种软件在重力、水平作用力下结果对比：塔楼恒+活载值、重力荷载代表值、基础底部的总共剪力、基础底部的剪重比接近，基底剪重比均满足规范限值。基底倾覆弯距MIDAS Building计算的结果较大。在水平作用力（地震、风荷载等）下，层间最大位移角类同，X向最大值1/1069.5，Y向最大值1/787.9，均满足规范1/720的限值；顶点最大位移MIDAS计算的两个方向的结果均要更大一些；最大层间位移比也基本相同，X向最大值为1.157，Y向最大值1.312；水平向的控制工况为地震工况。

（3）竖向构件最大轴压比均控制在0.50以下，上下挨着的楼层侧向刚度比值合理。SATWE结果X、Y方向刚重比分别为5.21、3.71，大于 2.7（不考虑 P－Δ 效应）和 1.4（刚重比最小值）的规范最小要求。

（4）舒适度验算（楼盖结构）：楼盖的竖向振动频率为11.2564Hz（第一振型最小值），大于高规技术规程里面第3.7.7条规定的3Hz。

7 弹性时程分析结果

表1 地震波作用下——基础底部剪力及平均值与CQC法基础底部剪力对比

8 特殊部位的加强构造

连廊部位作为消防与地震逃生的重要通道，采取如下加强构造：①连廊梁与前室梁拉通设置，形成七跨（局部三跨）连续梁，连廊梁截面为350×800，全高按型钢混凝土梁设计（填充区域示意型钢混凝土梁）；②连廊楼板厚度160mm，配筋率0.312%，双层双向布置；③连廊剪力墙最小厚度为400mm，全高剪力墙及相邻连梁内设置型钢；④全高范围内连廊相连剪力墙及其连梁、连廊框架梁按关键构件设计，抗震等级为特一级，相连前室内框架梁抗震等级为一级。

主楼3～8层局部为商业与公寓区域形成局部错层，对错层区域构件采取如下加强构造：①错层墙及商业区域外墙厚度增加5cm；②商业区域楼板厚130mm，钢筋双层双向布置，配筋率0.276%；③局部错层墙增设水平翼墙，提高错层处墙肢传递水平抗侧移能力。并在连梁截面不足的位置，设置双连梁。

9 SATWE中震计算结果及措施

对塔楼底部加强区墙体验算——中震弹性抗剪，非底部加强区的墙体验算——中震下抗剪不屈服、抗弯不屈服，验算中震下的连梁抗剪不屈服，通过SATWE进行中震不屈服对比计算，少量墙体暗柱配筋面积大于最大配筋率，采用插入型钢或增大暗柱截面等措施；少量连梁截面不满足抗剪截面条件，采取在连梁内增设钢板或设置双连梁等措施，能满足中震的性能目标要求。利用PMSAP软件对错层部位楼板采用壳单元对楼板应力进行中震作用下的计算分析。各种工况组合下错层部位、标准层楼板的最大拉应力和压应力分别为1.513MPa和6.724MPa，均小于C30混凝土的设计值，故在中震弹性作用下楼板不会发生拉压破坏。

10 SATWE大震计算结果

墙体大震截面验算，采用等效弹性设计方法，利用SATWE的大震不屈服计算出各个构件的对应剪力，经验算大震下截面抗剪尺寸满足计算要求，通过加厚底部加强区墙体和加大墙体配筋及增设型钢、在连梁中配置交叉斜筋等措施，能满足大震的性能目标要求。

11 高宽比超限专项分析计算

针对本项目高宽比较大的特殊情况，进行下列补充措施及补充计算：①塔楼剪力墙全落在基础，连梁跨高比大于等于2.5，实现结构多道设防；②基础埋深一些，现为17.45/188.9=1/10.82，大于总高度1/18，保证塔楼整体稳定性；③多罕遇地震作用下，层间位移角（弹性、弹塑性）满足规范；④塔楼整体稳定、重力二阶效应、抗倾覆验算均满足高规要求；⑤加大基础底板宽度，悬挑部分宽度不小于1.5m，确保基底无零应力区；⑥筏板悬挑区域在罕遇地震下抗弯、抗剪和抗冲切承载力满足要求。

12 大震弹塑性时程分析

A座塔楼大震弹塑性时程分析使用的PKPM-SAUSAGE软件，可模拟在地震力作用下的反应全过程，准确模拟结构从开始出现破坏到最终倒塌的状态。通过分析三组地震波作用下的分析，得出结果：①三组波的数值不发散，可作为有效数据；②塔楼在 X、Y方向最大剪力值（基础底）分别为130908kN和136825kN；与小震反应谱法CQC基础底的相比依次为3.487、3.496；③塔楼X、Y方向最大层间位移角依次为1/152、1/156，对应在地上26层、35层，均满足要求；④A座X、Y方向最大顶点位移依次为0.907m、1.017m，对应为结构高度的1/206和1/187；⑤大震下本项目整体指标满足“大不倒的目标”。

13 结语

由于超限高层结构的复杂性，设计难度大，应先确定预期的楼栋抗震性能目标，结合经验运用合理的结构设计分析方法，使整体结构达到相对应的性能要求，采用多种不同力学模型的计算软件对比分析，重视超限情况的专项应对措施，注重特殊部位的加强设计，对结构的整体抗震性把控可通过弹性动力、罕遇地震弹塑性时程分析，保证结构的整体稳固和安全。