中旅城二期南楼超限高层结构设计.docx
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中旅城二期南楼超限高层结构设计
中旅城二期南楼超限高层结构设计
中旅城二期南楼超限高层结构设计
胡贤忠（福州国伟建设设计有限公司福建福州
350001）
［摘要］位于福州五四路的中旅城二期南楼，其具有高度超限、平面不规则性、8层高位转换和连体设计等的多重超限，对
结构设计提出了严峻挑战。
本论文介绍此超限结构的抗震和抗风设计，进行了不同力学模型的多种软件静力对比分析、弹性时程
分析、中震作用分析、静力弹塑性分析;结构不同部位根据计算分析采用了相应的各种类型的组合构件来满足刚度、延性和冗余
度，并对控制结构的扭转效应和计算中部分构件的超筋信息的做了研究处理;同时对型钢混凝土转换结构和连体的设计做了论
述，并介绍了其节点的构造设计。
［关键词］超限高层;抗震设计;扭转效应;组合结构;性能设计
South－towerstructuredesignofsuperhire－risebuildingofCTSsecond－phase
Abstract:
CTS＇ssouthtowermultiple－usebuildingisanultralimitedhigh－risebuildingwithverycomplexstructure．Thebeyondcode
limitsofthisbuildingwereanalyzed，andtherelevantsolutionschemeswereproposed．Accordingtothecomparisonontheanalysisresultsofthethreeprograms，elastictime－historyanalysis，mediumearthquakeeffectanalysis，push－overanalysis，structuralsystemaccordingtodifferentpartsadoptcorrespondingtothevarioustypesofcombinationcomponenttosatisfystiffness，ductilityandredundancy．Thekeypointsofthisstructureaswellasimportantsegmentswereanalyzedanddiscussed．
Keywords:
ultralimitedhigh－risebuilding;seismicdesign;torsionaleffect;
compositestructure;
performancebasedseismicdesign
1工程概况
中旅城二期座落在福州市金融文化中心五四路的黄金位置，其由南楼、北楼、办公楼和高档商业裙房组成的大型商住楼。
南楼、北楼、办公楼和裙房在地面以上用抗震缝分开。
南楼建筑高度149.85m，地面八层高位转换的连体建筑，其立面效果图如图1;地下二、三、四层为车库及设备用房，地下一层至七层为高档商业中心，在七～八层设一个转换层（兼设备转换，转换层标高在31.95～34.45），采用梁式转换;八层为
5.6m高的物业会所，其上至四十四层为住宅，建筑立面如图
2所示。
本项目设计所依据规范版本为2000年系列。
结构体系
为框支剪力墙结构，转换层以下为型钢混凝土柱+钢筋混凝
土核心筒，转换层以上为钢筋混凝土剪力墙结构，连体为强连接的钢桁架。
结构设计基准期为50年，结构安全等级为二级;抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，抗震设防类别为丙类，设计分组为1组;基本风压为0.85kN/m2（设计
基准期为100年），风荷载体型系数取1.4（考虑建筑群相互干扰），地面粗糙度为C类。
2超限情况及抗震性能目标
2.1超限判定
依据《全国超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》相关规定进行超限判定。
（1）塔楼高度为近150m，超过了“高规”所规定的框支剪力墙结构适用的B级最大高度，超限幅度为25%;判定为超限。
图1南楼立面效果图
（2）转换层位于七层顶（34.45米），超过了《高规》第10章中“7度不超过5层”的规定，属高位转换;为一项不规则，判定为超限。
作者简介:
胡贤忠（1972－），男，天津大学，工学硕士，高级工程师，从事
结构设计。
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福建建设科技2013.No.1.
■建筑结构
（3）转换层以上为双塔结构，在高133.35米至屋顶处设
置5层高的架空连廊，跨度为14～20米;属多重复杂不规则，判定为超限。
（4）平面凹凸不规则，住宅部分结构属于“细腰”类型;为一项不规则。
（5）楼板不连续;为一项不规则。
（6）扭转不规则，在偶然偏心地震作用下扭转位移比大
于1.2;为一项不规则。
第4、5、6点属于“专项审查技术要点”的表二中“三项不
规则”，判定为超限。
2.2结构抗震性能目标
本工程属于严重超限的结构体系，依据建设部有关文件和工程的重要性，进行了抗震超限专项审查。
结合“抗震设防专项审查意见”，提出了下表1的“结构抗震设计性能目标”。
同时也应考虑满足，
（1）转换层楼板有些部位可能出现拉力，应计算清楚并采取措施，控制裂缝;支承在剪力墙时应设扶壁柱;转换层以上墙肢做些调整，尽量减少转换;
（2）细腰部位宜进一步加强;（3）连体桁架的上下弦宜设水平支撑并延伸到塔楼内一跨:
（4）考虑双塔的位移不同步带来的问题，分单塔复核验算。
表1结构抗震设计性能目标
图2南楼建筑立面图
3基础设计
本项目土层除表层为人工填土外，其余土层主要为第四系冲於积形成的粉质粘土、淤泥、淤泥质土，冲洪积形成的圆角砾和卵砾石层，下伏残积土、全风化、强风化和侵入的中微风化花岗岩，覆盖层厚度约30－60m。
抗浮设计水位罗零
6.80米。
地下四层，而裙房上部只有七层，为满足抗浮和减少底板水压，采用水浮力释放系统（其典型大样做法详图3）。
主楼基础采用桩筏形式，基桩为桩端注浆的冲（钻）孔灌注桩。
主楼建筑桩基设计等级为甲级，根据上部结构传至基础的荷载，桩身强度和土对桩的承载力相匹配的原则，确定桩砼强度等级、桩长与桩径。
结合试桩静载曲线，确定桩身直径为800、900、1000mm，桩端持力层为强风化花岗岩或中风化花岗岩，桩身混凝土设计强度为C35，单桩承载力特征值分别为
4500kN、6000kN、7200kN。
桩筏计算采用考虑上部结构刚度的桩筏弹性地基梁板计
算模式，基底基床系数取2000～3000kN/m3。
计算时需分多步进行，初步计算完根据桩顶反力，结合试桩的竖向静载曲线
定范围内结束。
基桩竖向刚度计算按以下二式综合取值。
图3浮力释放系统局部大样
选取合理的基桩竖向刚度，然后再进行计算，计算到误差在一
抗震设防水准
多遇地震（小震）
设防地震（中震）
罕遇地震（大震）
性能水平定性描述
不损坏
可修复的损坏
无倒塌
层间位移值
≤h/1000
≤1/100
竖向构件
底部加强区
不出现拉应力，弹性，按规范设计
要求
验算拉应力，抗剪弹性，抗弯不屈
服
无塑性铰
连体两侧支撑柱和剪力墙
弹性，按规范设计要求
弹性
无塑性铰
其它构件
弹性，按规范设计要求
允许出现塑性铰
联系薄弱的楼板
弹性，按规范要求
不屈服
转换层楼板
弹性，按规范要求
弹性
连体及其延伸的梁板
弹性，按规范要求
不屈服
无塑性铰
24福建建设科技
2013.No.1.
■建筑结构
ApEp
ApEp
4结构整体静力分析
4.1计算模型
采用SATWE、PMSAP和ETABS（V9.2.0中国规范版）不同力学模型的三维空间分析软件进行了多遇地震作用和风荷载作用下结构的内力和位移计算。
周期折减系数取0.9，中梁刚度放大系数对刚性楼盖取2、对弹性楼盖取1，考虑双向地震和偶然偏心（配筋取二者的大值）。
图5为ETABS的计算模型，图6为结构平面图。
主要计算结果见表2。
4.2计算结果分析
从三种计算程序计算结果比较可知:
三种程序计算结果基本吻合。
由程序计算得:
X、Y向刚重比均大于1.4，能够通过“高规”第5.4.4条的整体稳定验算，同时该结构刚重比大于2.7，可以不考虑重力二阶效应。
选取75个振型数，使振型参与质量之和不小于总质量的
90%，满足规范要求。
结构前6个振型的周期及振型形态见表2，同时也进行分塔分析，计算表明无论是整体还是分塔均能满足以扭转为主的第1自振周期Tt和以平动为主的第1自振周期T1之比小于0.85。
在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层的竖向构件的最大水平位移和层间位移均满足不大于该层平均值的1.4倍。
从多遇地震和风荷载下楼层剪力曲线和楼层位移角曲线来看，显示该楼层剪力和位移角曲线基本光滑，无明显结构薄
=（0．031L/D－0．15）
（1）
（2）
kv=α
L
L
kii=ζQq/Sa试桩沉降完成系数ζ=1．0
由于底板是按照弹性力学计算，墙柱结构为点线荷载，必
须会产生一定的应力集力现象，对计算的最大配筋可以适当折减，实际配筋时，对底板一定范围进行平均化配筋。
对筏板不满足角桩冲切要求的，在不提高筏板混凝土强度等级，增设抗剪钢筋，其大样详图4。
在核心筒四周配置暗梁，配置箍筋增高冲切承载力，此构造也可缓解考虑弹性计算应力集中现象问题。
筏板分析合理考虑上部结构刚度贡献，使筏板弯矩趋于均匀，同时筏板配筋以分区进行，降低钢筋用量。
图4
筏板角桩抗冲切钢筋大样
南楼ETABS三维计算模型（主体、转换层、连体）
图5
图6南楼标准层和连体层平面图
筏板厚达2.6m，属于大体积混凝土，为确保混凝土不产
生温度裂缝，需控制混凝土内部温差Δt≤25℃。
温控措施采取“内降外保”，同时控制住混凝土降温速率。
弱层，且层间位移角均满足规范要求，说明结构刚度比较均
匀。
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福建建设科技2013.No.1.
■建筑结构
（a）主分量
（b）次分量
图7计算用地震波反应谱与规范谱比较
行结构弹性时程分析。
设计时取时程分析结果包络值与反应
表2结构主要计算结果
谱计算结果的较大值。
从图7可以看出选用的地震波的地震影响系数曲线与规
范提供的标准反应谱曲线在统计意义上是相符的。
计算分析时，地震波按单向输入，主分量加速度峰值按35cm/s2调整。
弹性时程分析所得基底剪力见表3，最大楼层剪力和弯矩曲线见图8。
表3
基底剪力计算结果
足要求
5多遇地震作用下的弹性时程分析
依据“抗规”和“高规”的规定，本工程共选择了2组天然地震波（SanFernando，User2和KernCounty，CaliforniaEarth-quake，User3）和1组人工模拟的加速度时程曲线（User1）进
图8地震波主分量沿X、Y方向输入时最大楼层剪力、弯矩曲线
以上图表分析可知，①本工程共选择了2组天然地震波
和1组人工模拟的加速度时程曲线进行结构分析，所选用地震波的平均反应谱满足《建筑抗震设计规范》的相关要求;②各组地震波的计算结果及评价值满足《建筑抗震设计规范》
分析结果相比，沿结构X方向时程分析平均结果稍小，沿Y
方向时程分析平均结果接近;④在Y方向时程分析时，个别地震波计算结果明显大于反应谱值，将转换层以下（包括转换层）、连体结构的楼层地震剪力予以放大，放大系数取
1.25;⑤结构位移和层间位移角曲线比较均匀，无突变。
GB50011－2001关于时程分析计算结果的规定;③与反应谱
X－向
Y－向
基底剪力（kN）
与反应谱比值
是否满足要求
基底剪力（kN）
与反应谱比值
是否满
反应谱
User1
User2
User3
平均
20650.4
19939.3
18289.4
14419.8
17549.5
－
0.97＞0.65
0.89＞0.65
0.70＞0.65
0.85＞0.80
满足满足满足满足
22522.8
19398.7
20123.7
27520.2
22347.5
0.86＞0.65
0.89＞0.65
1.22＞0.65
0.99＞0.80
满足满足满足满足
计算软件
SATWE
PMSAP
ETABS
备注
周期
T1/s
3.2587
3.4439
3.024
Y向平动
T2/s
3.0747
3.2181
3.002
X向平动
T3/s
2.6692
2.7898
2.548
扭转
T4/s
0.9326
0.9898
0.904
X向平动
T5/s
0.8135
0.8818
0.805
Y向平动
T6/s
0.7831
0.7942
0.774
扭转
地震作用
偶偏扭转
位移比
X向
1.38
1.38
Y向
1.28
1.23
最大层间
位移角
X向
1/1587
1/1595
1/1718
Y向
1/1465
1/1373
1/1583
风荷载作用下
层间位移角
X向
1/1643
1/1731
1/1665
Y向
1/1028
1/1001
1/1016
26福建建设科技2013.No.1.
■建筑结构
6性能化设计
本工程超限内容较多，按表1进行性能化设计。
在设防烈度地震下，构件为轻微损坏，关键构件即剪力墙底部加强区受剪承载力满足下式（3）、其正截面承载力满足下式（4）;框
支框架、连体支撑的框架柱和剪力墙的受剪和受弯均满足下
式（3），耗能构件受剪承载力满足下式（4）。
楼板主拉应力标准值;
fyk—钢筋抗拉强度标准值;
As—在间距s范围内上下层钢筋截面面积;
h—薄弱处板厚。
7静力弹塑性推覆分析（Pushover）
本工程属于严重抗震不利结构，易出现下柔上刚的结构布置状态，为实现规范要求的“大震不倒”设防目标，对结构进行罕遇地震作用下的静力弹塑性分析，寻找结构的屈服机制，找出薄弱部位。
采用MidasGen软件进行Pushover分析，梁单元两端设置MM塑性铰，梁中设置V铰，柱两端设置PMM铰，墙单元两端设置PMM铰、墙中设置V铰。
采用振型荷载（倒三角形荷载）作用在结构Y、X向，即两种荷载工况，①重力+振型1（Y向），②重力+振型2（X向）。
Y向侧推荷载作用下，南塔住宅楼能力谱与需求谱曲线如图9所示。
罕遇地震下Y向性能点Sa=0.1018，Sd=
0.1963，对应基底剪力Vb=68270kN，顶点位移μn=0.30m＜
1/100×149.85=1.5m，满足弹塑性极限要求。
Y向性能点处需求层间位移角如图9所示，最大需求层间位移角为1/345
＜1/100，满足规范要求。
在性能点时的塑性铰分布如图11所示，塑性铰主要出现在墙肢连梁和框架梁端，部分墙端、柱端及连廊部分未出现塑性铰。
X向侧推荷载作用下，南塔住宅楼能力谱与需求谱曲线如图10所示。
罕遇地震下X向性能点Sa=0.107，Sd=
0.1554，对应基底剪力Vb=66970kN，顶点位移μn=0.20m＜
1/100×149.85=1.5m，满足弹塑性极限要求。
X向性能点处需求层间位移角如图10所示，最大需求层间位移角为1/118
＜1/100，满足规范要求。
在性能点时的塑性铰分布如图11所示，塑性铰主要出现在墙肢连梁和框架梁端，部分墙端、柱端未出现塑性铰。
从上述计算结果可以看到，结构在罕遇地震作用下能保持较好的工作状态，能满足规范所要求的“大震不倒”设防目标，也在一定程度上说明此类结构经过精心设计，能达到较好的抗震效果，但要重视提高上下不连续墙和框支柱及转换层上剪力墙的延性。
设计中应加强节点处的构造，对加强区剪力墙设置型钢和交叉暗撑，加强主要框架梁塑性铰内移等手
*
（3）
γGSGE+γEhSEhk≤Rd/γRE
式中，γG、γEh—分别为重力荷载、水平地震作用分项系
数;
Rd、γRE—分别为构件承载力设计值和承载力抗震调整系
数;
S*
Ehk—水平地震作用标准值的构件内力，不需考虑与抗
震等级有关的增大系数。
*
（4）
SGE+SEhk≤Rk
式中，Rk—截面承载力标准值，按材料强度标准值计算。
小震有关计算结果分析详第4和第5节，罕遇地震下分
析详第7节。
以下讨论中震下的性能目标实现。
中震弹性（或不屈服）验算均使用SATWE软件，将地震力放大2.85
倍，抗震调整系数取1.0（程序中取抗震等级为四级），材料强
度取标准值（不屈服）或取设计值（弹性）。
中震下结构由于整体弯曲会在墙肢产生较大的拉应力，为防止墙肢受拉产生
裂缝从而造成结构整体刚度退化，为此需进行补充验算。
经
过验算并对受拉墙肢采取加强措施后，以确保竖向构件的中
震受拉性能。
对于验算超过混凝土拉应力的，增设型钢，以增强其抗拉能力，同时将其构造措施的抗震等级提高一级，此处
为特一级的，就不再提高;对验算未超过混凝土拉应力的，将
其构造措施的抗震等级提高一级，此处为特一级的，也就不再提高。
对于板薄弱部位中震不屈服验算和转换层板中震弹性验算采用PMSAP进行，将其定义为“弹性膜”，验算地震作用下板薄弱部位的抗剪和受拉承载力，计算显示，板能满足抗剪要求，局部部位受拉配筋有适当加大。
采用双层双向相同配筋时，设防地震下应满足下式（5）。
设计时应注意楼板钢筋的可靠抗震锚固。
σ1k，中震≤fykAs/hs
（5）
式中，σ1k，中震—有地震作用效应组合时设防地震作用下
图9Y向侧推荷载作用下能力谱与需求谱曲线和Y向在性能点处需求层间位移角
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福建建设科技2013.No.1.
■建筑结构
图10
X向侧推荷载作用下能力谱与需求谱曲线和X向在性能点处需求层间位移角
图11Y向性能点时塑性铰分布和X向性能点时塑性铰分布
图12连体的钢桁架和楼板大样
致，为此采用强连接方式，使其两侧塔楼连为整体，完全协调受力。
以下就计算分析和设计原则进行叙述。
段。
8结构舒适度分析
计算时对连接体所在位置及其相邻一跨的楼板定义为弹
性楼盖，将连体结构所在层均定义为薄弱层，将连接体及与连接体相邻的结构构件在连接体的高度范围及其上、下层的抗震等级提高一级，即为特一级，同时与连接体相连的剪力墙在此范围设置约束边缘构件。
连接体采用钢结构，最下面一层采用桁架结构式（详图
12），为增强Y向抗震性能，在连体的中间竖直方向也采用桁架形式;为增强楼板协调能力，楼板内设置钢支撑（详图12）。
连接体两端为保证与主体结构刚接，将连体的钢结构延伸至主体的内筒。
本工程高度接近150m，按规范进行人体舒适度验算，按
10年一遇的基本风压计算了顺风向与横风向结构顶点最大加速度αmax，详见表4。
表4舒适度验算
顺风向αmax
（m/s2）
横风向αmax
（m/s2）
规范限值
（m/s2）
方向角
结论
0°
90°
0.036
0.059
0.114
0.116
0.15
0.15
满足
满足
9连体结构设计
连接体结构包含多层楼盖，两栋塔楼的动力特性基本一
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■建筑结构
图13转换层框支梁钢骨布置图、转换梁大样和框支柱大样
角部框支柱上方框支剪力墙至少三层不应开洞，但由于
10转换层结构设计
建筑使用功能的要求，只允许转换层处剪力墙封闭，其余层开
设角窗。
为解决计算超限问题，在转换层转角窗处的剪力墙采用内置钢板的钢筋混凝土剪力墙（图14），根据文献7和文
献10，在有地震作用组合时，其受剪斜截面限制条件可不区分剪跨比，其计算公式为式（6）。
在设计中，为确保整体性和有效性，采取以下措施:
①墙身分布钢筋配筋率取0.6%;②钢板的厚度不宜大于混凝土墙厚度的1/15;③由于角部应力最集中，为此在端部设置型钢（图15），适当加密栓钉。
通过对转换层上、下结构布置的调整，使结构在转换层附
近竖向刚度过渡均匀。
转换层上部与下部的等效侧向刚度比
（剪弯刚度）均小于1.3，γex=0.9603，γey=1.1870。
同时也
满足转换层附近处层间位移角θi小于相邻上一层的1.3倍
（或不大于其上相邻三层层间位移角平均值的1.2倍）。
在满足转换层上下刚度比、位移角的比值、位移、周期、扭转和最小地震力等规范规定的有关指标，转换层以上墙体尽量减少，加强落地剪力墙，加厚位于转换层下的上下贯通剪力墙，减薄
非贯通剪力墙或开洞甚至取消。
尽量减少二次转换，传力直接，上下柱或墙的少量偏位可通过在转换层内设置牛腿方式予以解决。
SATWE计算中对转换梁分别按梁单元及墙单元进行模
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