广西某高层综合楼结构受力分析与加强措施

覃龙寿

（广西华蓝工程管理有限公司 南宁 530011）

随着经济和基础设施建设的快速发展，我国建筑行业呈现出良好的发展趋势，框架剪力墙结构在建筑工程施工中得到了广泛的运用［1］，这种结构模式不仅保留了框架结构空间布置灵活、使用方便的优点，还具有剪力墙抗侧刚度大、抗震性能好的优点，因此在建筑工程中充分发挥了作用［2-3］。而在结构的抗震设计理念中，规则的结构布置和均匀的刚度、质量分布在工程中往往会被优先考虑采用，但是实际的建筑物无论是平面还是立面往往存在着不规则和突变［4-5］。已有的研究表明，比起规则结构，不规则结构在类似设计条件下的抗震设计需要考虑更大的地震响应［6-7］，尤其是在高层及超高层建筑中，必须高度重视框架和剪力墙的变形协调性，在框架和剪力墙结构中寻求受力平衡点［8-9］，从而形成稳定可靠的框架剪力墙结构体系，优化整体结构的抗震性能，保证建筑的正常使用。

广西某技术业务综合楼是广西“十三五”计划建设的重大公益性文化工程，也是广西壮族自治区统筹推进的重大建设项目。在拆除项目原有直播楼、职工俱乐部楼、综合办公楼共3栋建筑旧址的基础上，新建一栋技术业务综合楼，不仅完善了原项目自身基础设施的需要，还推动了传统媒体与新媒体融合发展，贯彻国家“一带一路”战略布局，推进中国-东盟自由贸易区建设、实施“睦邻、安邻、富邻”周边外交战略的迫切需要，是一栋面向未来发展的综合性工程，其综合楼效果如图1所示。

本项目总规划用地面积约14 806 m2。建筑面积约50 000 m2，其中地上建筑面积约38 000 m2，地下建筑面积约12 000 m2。建筑高度为99.6 m，地上层数为21 层，其中1～4 层为裙房，设多个中大型演播厅和录音棚；
5～21 层为办公用房；
地下设2 层地下室，地下室埋深9 m，为车库、设备及配套用房。

本工程设计使用年限为50年，结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7 度（0.1g），设计分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35 s，基础设计等级为甲级。地面粗糙度C 类，基本风压为0.35 kN/m2。

结构根据建筑功能需要，采取框架-剪力墙结构形式，框架、剪力墙的抗震等级为一级，设计中严格控制了剪力墙的数量，能为建筑平面布置提供较大的使用空间，从而达到空间大、实用、美观、大方、坚固的现代建筑宗旨。以简洁的框架造型规整立面，开窗规整，从不同角度仰望都是整齐划一，端庄祥和。

本工程剪力墙主要布置在主楼楼梯、电梯核心筒位置，从而形成良好的抗侧力性能，建筑布置又较灵活的结构体系，在这种结构体系中，框架和剪力墙协同工作变形协调，形成了弯剪变形，从而减小了结构的层间相对位移比和顶点位移比，使结构的侧向刚度得到了提高；
框-剪结构在水平荷载下，大部分地震剪力由剪力墙承担，框架柱截面尺寸可以做得不必过大而节约使用空间。根据建筑功能需求，在裙楼1～4 层设置大型多功能综合演播厅，导致裙房屋面为30.8 m的大跨度梁，如图2⒜所示；
大跨度梁采用钢筋混凝土框架梁，梁截面为800 mm×2 400 mm，相连柱子截面为1 500 mm×1 500 mm、1 200 mm×1 500 mm。5～21层为办公、广播用房，标准层结构平面布置如图2⒝所示，楼层主要构件尺寸如表1所示。

图2 裙房顶结构布置Fig.2 Podium Roof Structure Layout

表1 楼层主要构件尺寸Tab.1 Main Omponent Size of Storey

根据《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［10］、《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［11］（简称《高规》）以及超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质［2015］67 号）的相关规定，本工程存在平面、立面不规则在内的4项不规则，属于特别不规则超限高层建筑。具体超限情况如下：

⑴扭转不规则，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移大于该层平均值的1.2倍。X向最大位移比为1.37（5层）。

⑵楼板不连续，2～4层为演播大厅，楼板不连续，开洞面积大于30%。

⑶塔楼偏置，主裙楼间不设缝，导致上部主楼与大底盘的质心偏心距大于底盘相应边长20%。

⑷主楼底部存在多个10 m高的穿层柱。

针对以上4项不规则，设计中采取如下加强措施：

⑴针对扭转不规则，按性能目标C级进行抗震性能设计，取双向地震及单向地震计入偶然偏心进行计算。

⑵对楼板不连续、大开洞区域导致的薄弱连接部位，采取加厚楼板为150 mm 并双层双向拉通配筋。采用Midas 软件对大开洞部位进行地震下的应力分析，寻找薄弱部位并对其进一步加强，根据计算分析结果加大配筋，并控制钢筋应力。

⑶将第1～6 层体型收进部位的塔楼周边柱抗震等级提高为特一级，柱子采用全高加密构造措施，为增强大底盘范围的剪力墙和框架柱的抗震性能，剪力墙身的水平和竖向分布筋的最小配筋率提高到0.50%，框架柱纵筋配筋设计时按放大1.1倍考虑。

⑷穿层柱按照中震抗剪弹性、受弯不屈服进行加强设计。

4.1 结构整体弹性分析

主体结构主要采用YJK 进行整体计算，采用MIDAS Gen进行对比分析，以确保分析的准确性。在结构分析中，采用三维的杆单元模拟梁柱、其中YJK 采用壳单元模拟剪力墙，MIDAS Gen 采用墙单元模拟剪力墙。两个不同软件分析的整体模型的计算结果如表2～表4所示。

表4 地震作用下主体结构剪力、剪重比及倾覆力矩结构比较对比Tab.4 Comparison and Comparison of Shear Force，Shear-weight Ratio and Overturning Moment Structure of Main Structure under Earthquake Action

由表2 可知，两种计算软件得出的周期非常接近，说明模型及计算结果合理且有效，计算模型符合结构实际工作状况，可以作为设计的依据。

表2 主体结构前6阶周期计算结果对比Tab.2 Comparison of the Calculation Results of the First 6-order Period of the Main Structure

根据《高规》第3.7.3条，楼层层间最大位移角不宜大于1/800。由表3 可知，地震作用下位移角、位移比均满足《高规》要求，结构的刚度合理，能有效抵抗水平地震作用。

表3 地震作用下主体结构位移结果对比Tab.3 Comparison of Displacement Results of Main Structure under Earthquake

根据文《高规》第4.3.12 条，7 度（0.10g）下基本周期小于3.5 s 的结构楼层最小地震剪力系数为1.6%。由表4 可知，本工程两种软件计算的各楼层最小剪重比均大于1.6%，剪重比均满足《高规》要求。

综上，YJK 和MIDAS Gen 计算出的剪力和倾覆弯矩基本一致，相互验证了计算模型的准确性。

4.2 弹性时程分析

根据《高规》第4.3.4条规定，本结构应采用弹性时程分析方法进行多遇地震下的补充计算。计算分析时选用2 条天然波及1 条人工模拟的加速度时程曲线，时程分析计算的底部剪力与阵型反应谱（CQC）分析计算出的地基剪力对比如表5所示。

表5 时程分析法与CQC法计算结果对比Tab.5 Comparison of Calculation Results between Time History Analysis Method and CQC Method

由表5的结果可知：单条波得到的基底剪力都不小于反应谱结果的65%，3条波的平均基底剪力不小于反应谱结果的80%，单条波得到的基底剪力都不大于反应谱结果的135%，3条波的平均基底剪力不大于反应谱结果的120%，说明地震波的选取满足《高规》要求。

4.3 楼板薄弱层应力分析

楼板应力分析主要针对有较大开洞的楼层，通过楼板应力分析图可以直观的看到结构楼面系统中应力较大及相对薄弱的部位，为楼板采取加强措施提供图形和数据的依据。

采用考虑楼板弹性变形的计算模型进行小震、设防地震下楼板应力计算。二层楼板X向和Y向设防地震下的应力如图3所示。

图3 二层楼板X向和Y向设防地震下的应力图Fig.3 Stress of the Second Floor Slab under X-directional and Y-directional Seismic Fortification（N/mm2）

计算分析表明，薄弱层楼板大部分区域在设防地震下正应力小于混凝土抗拉强度标准值2.20 MPa，对局部薄弱部位应力较大区域的楼板，按中震应力结果进行配筋双层双向配筋加强。

4.4 罕遇地震动力弹塑性时程分析

采用PKPM-SAUSAGE 软件进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析，结果表明最大结构弹塑性层间位移角为1/175，剪力墙、框架柱整体塑性程度不高，底部加强区整体的性能化指标为中度、轻度损坏，整体抗震性能良好。

4.5 裙房大跨度梁受力分析

依据建筑功能，裙房首层为多功能综合演播厅，在演播厅内不允许设置框架柱，使得裙楼1～4 层形成大跨度空间结构，裙房屋顶X和Y向大跨度尺寸分别为47.2 m、30.8 m；
裙房屋顶为种植屋面，恒载标准值为11 kN/m2，活载标准值为5 kN/m2。

从结构布置、建筑要求、经济性考虑，此部位采用单向大跨度主梁+现浇楼板的结构形式（见图2），主梁截面800 mm × 2 400 mm，相连柱子截面为1 500 mm×1 500 mm、1 200 mm×1500 mm，现浇混凝土楼板厚度为150 mm，梁板混凝土强度为C30。

对此部位采用MIDAS 进行多遇地震和设防地震下的补充计算，并考虑竖向地震作用，分析大跨度梁的受力情况，计算结果如表6所示。

表6 裙房大跨度主梁计算对比Tab.6 Calculation and Comparison of Large-span Main Beams in Podium

由表6分析可知：①在多遇地震作用下，在考虑竖向地震作用后，构件弯矩、剪力均有一定的增加。经配筋复核，梁纵筋配筋两者无明显差别，梁箍筋配筋比与仅考虑水平地震作用时增加10%～16%；
②在设防地震作用下，根据设定的性能化目标，大跨度梁需要按中震抗剪弹性、中震抗弯不屈服设计。计算分析表明，设防地震下的弯矩均小于多遇地震下的计算弯矩，剪力比多遇地震下的计算剪力增加10%，能实现设定的性能化目标。

⑴广西某技术业务综合楼结构存在多项不规则问题，本文对各种情况采取了相应的受力计算分析和加强措施，确保了结构各项指标均能满足受力以及《高规》要求。

⑵裙房屋面大跨度梁为关键构件，需要按中震抗剪弹性、中震抗弯不屈服设计，以确保结构安全。