富逸长江北商业中心多塔框支转换结构性能分析

伍灿庭

摘要：本文对富逸长江北商业中心3号塔楼进行了小震弹性分析、中震验算、大震弹塑性分析及关键构件分析，均满足规范要求。采用YJK软件，对第三层及以上构件设为实体单元进行计算分析，确保转换梁受力构件可保持在弹性范围内，从而保证塔楼整体结构的抗震延性。本文以3号塔楼为主，阐述了计算分析过程，可供设计人员参考。

关键词：商业综合体；超限高层；实体单元计算分析；框支框架抗震延性

1工程概况

富逸长江北商业中心地处中山市火炬开发区，南侧为孙文东路，西侧为长江路。本项目商业综合体，总建筑面积约28万m2，由三栋塔楼、五层裙楼以及三层地库组成。三栋塔楼分别位于裙楼的三个临街面。建筑立面效果图详图1。

图1 建筑效果图

商业裙房使用人数超过5000人，上部办公楼使用人数不超过8000人，根据《建筑工程抗震设防分类标准 (GB50223-2008)》，裙房结构抗震设防类别为乙类，裙房以上为丙类。

1号楼结构为部分框支剪力墙结构，结构高度148米，标准层层高5米。转换层位于7层楼面，裙楼以上一层，采用主次梁转换，落地剪力墙为两边楼电梯间围合的核心筒。

2号楼结构为框架-剪力墙结构，结构高度99.7米，标准层层高4.2米，平面形状为矩形，采用钢筋混凝土结构。

3号楼结构为部分框支剪力墙结构，结构高度99.6米，转换层位于四层楼面，标准层层高3米，结构形式与1栋类似。

五层裙房，高度28米，与各塔楼相连，不分缝。

2结构布置、选型与主要构件尺寸

本文选取3号楼结构进行主要阐述。基于裙楼商业功能需较大的使用空间，并结合3栋主体结构的实际情况，采用了部分框支剪力墙结构体系，采用主次梁结合的梁式转换，转换层位于4层裙楼楼面，落地剪力墙为楼梯、电梯间形成的剪力墙筒体。结构计算模型采用多塔整体计算分析为主，单塔计算分析为辅。

本项目考虑为大型商业公共建筑，因为从建筑功能考虑：建筑立面、商场内部使用功能、商业天面园林景观等，业主对防水要求很高，不适宜采用永久结构缝。从结构方面考虑，商场内部有大中庭开洞，开洞较多且不规则。若设置结构缝，项目将分成三块零散的结构，结构的整体性变差，综合建筑和结构各专业多方面原因，最后采用了不分缝多塔楼结构。

3号楼主要构件尺寸为：框支柱为1500X1600钢筋混凝土柱。框支梁为1400X1800。

3小震弹性计算及弹性时程分析

3.1小震弹性计算结果

采用了两个不同力学模型并采用多塔、单塔模型对比分析，3号楼小震数据如下：

（1）X、Y方向的有效质量参与系数：YJK计算结果为90.23%及91.58%(前42阶振型)；SATWE计算结果为90.08%和91.62%(前41阶振型)，满足规范大于90%的要求。

（2）YJK前3阶周期计算结果与SATWE计算结果基本一致。

（3）在规范谱小震作用下，裙楼及3栋塔楼X方向地震作用剪重比不满足规范要求，需进行调整。

（4）水平地震作用下，单塔模型取附带两跨的裙楼结构，裙楼以上的X向地震剪力及弯矩基本上一致, X向地震剪力及弯矩多塔模型略小。根据规范要求，配筋时取多塔模型及单塔模型结果的包络值。多塔与单塔对比：裙楼层以上层位移角基本上一致, 裙楼层以下受裙楼影响，差异较大。根据规范要求，配筋时取多塔模型及单塔模型结果的包络值。

（5）楼层剪力与倾覆弯矩，YJK与SATWE的计算结果基本一致。地震作用在三层顶(裙楼屋面)出现突变。参考规范相关条文，竖向体型突变部位（三层楼面）的楼板宜加强，楼板板厚为180~250mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。框支柱全长采用加密箍，以加强其相关延性。

（6）YJK和SATWE计算得到的地震荷载、风荷载作用下的楼层最大层间位移角满足广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]要求；两种软件计算结果基本一致。

（7）X向扭转位移比最大值为-5%偶然偏心工况下，最大值为1.353，出现在屋面层；Y向扭转位移比最大值为-5%偶然偏心工况下，最大值为1.83，出现在裙楼四层。最大的位移比为1.35，满足广东省高层规范关于A级高度高层建筑扭转不应大于1.8的要求，判断为Ⅰ类扭转不规则。

（8）结构第3层为转换层，31层为天面花架层，从而使该楼层抗剪承载力存在突变。此外，塔楼结构布置、材料强度、截面尺寸等因素也对楼层的抗剪承载力比造成了一定的变化，抗剪承载力比最小值为0.90，符合规范要求。

（9）转换层刚度比根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]JGJ3-2010附录E转换层上、下结构侧向刚度验算如下：按规范附录E0.0.3公式γe2=△2H1/△1H2计算转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比γe2，X方向刚度为1.06 ，Y方向刚度为1.95，均大于规范0.8的要求。计算结果表明，结构各楼层刚度比均能满足广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]3.5.2条的限值要求。其中，底部裙楼由于转换层、层高、楼板布置及剪力墙的变化等因素，楼层刚度比有一定的突变，而顶部由于剪力墙逐步减少也引起了楼层刚度比的突变，但均满足规范要求。

（10）框架承担剪力及弯矩比例根据广东《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ 15-92-2013）第11.2.15.7条，框支框架承担的底部地震倾覆力矩不宜大于结构总地震倾覆力矩的50%。3号楼三层以上结构应根据在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值，确定相应的设计方法，并应符合《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第8.1.3条规定。取单塔模型进行分析分析，在地震荷载作用下，三层以上剪力墙承受的地震倾覆力矩大于结构总地震力矩的10%但不大于50%，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第8.1.3条，在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值，来确定相应的设计方法。三层以上塔楼X向按剪力墙结构，Y向按框架剪力墙结构设计。

3.2结构弹性时程分析

采用北京盈建科软件有限责任公司编制的YJK软件进行计算，将各楼层的质量集中于楼层处，形成弹性多质点体系，然后输入地震波（数字化地震地面运动加速度）进行时程动力分析，可得结构各点的位移、速度和加速度反应，由位移反应计算结构内力。

输入7条地震波，2条为根据规范谱生成的人工波，另外5条是在既有地震波数据库中按规范要求筛选出的天然波NGS008、pel_90_san 、SMN013、RSN2946、RSN942。主方向加速度峰值43.4cm/s2。按7度(0.10g)地震II类场地多遇地震进行弹性动力时程分析。

从时程分析主要结果与反应谱分析主要结果对比来看，二者基本一致；结构X向的CQC计算结果与时程分析结果平均值基本相同，Y向时程分析结果平均值略大；地震作用效应取多条时程曲线结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

4转换梁应力分析

采用YJK软件，对第三层及以上两层构件设置为实体单元进行计算分析。YJK软件的实体单元为六面体单元，是对结构更准确模拟的更高水平的结构计算单元，其对实体单元默认按照300mm自动划分。经计算对比分析，由于转换梁按净跨计算，比原来的计算模型跨度减少，并且转换柱截面较大，上层的部分荷载传给柱子，从而减少转换梁上的荷载等等原因，按“杆单元计算”的梁内力较“实体单元计算”的内力大。将各应力按“1.3恒+1.5活”组合，大部分剪应力在5.13MPa以下，即以内，转换梁受力可保持在弹性范围内。

5结构中震验算

设防烈度地震作用下的结构抗震设计YJK软件进行计算。中震采用《广东高规》中性能水准3的相关规定计算，中震下结构层间位移角最大值为X向1/391(16)，Y向1/480(14)，满足规范要求。

转换梁中震性能验算根据广东《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ 15-92-2013）第3.11.3.3条，第3性能水准的结构在中震作用下，受剪结构构件的承载力利用系数取0.74。转换梁采用C60级混凝土，对转换梁进行验算，保证框支框架抗震延性。

6静力弹塑性推覆分析

采用中国建筑科学研究院的结构弹塑性静力、动力分析软件PUSH&EPDA。3号楼能够达到罕遇地震作用下的性能目标，且0°、90°、180°、270°方向最大弹塑性层间位移角分别为1/160、1/178、1/164、1/188，均小于规范限值1/100，满足抗震性能目标。

以0°推覆作用为例，结构的性能点出现在第33计算步。观察出铰过程，在第11计算步时，结构底部、顶部有部分梁及连梁屈服，其他位置也有个别梁屈服；第15计算步时楼梯电梯筒有个别剪力墙出现破坏；第19计算步时，楼梯电梯筒外侧剪力墙有个别开始出现受拉破坏，此时的顶点位移为622mm（1/160）。至33计算步（性能点）时，底部核心筒外侧局部剪力墙破坏。

结构的构件的破坏主要集中在底部两层剪力墙的受拉边，表现为受拉破坏；其他各层的剪力墙也都出现不同程度的受拉损伤；部分连梁及框架梁出塑性铰。采取以下加强措施：底部加强区剪力墙竖向和水平分布钢筋的配筋率取不小于0.6%。

7结语

本项目1，3号楼为部分框支剪力墙结构，为竖向构件不连续；裙楼五层楼板大开洞，为楼板不连续。存在扭转不规则；裙楼总高28m，塔楼总高99.50~148.40m，竖向构件收进位置高于结构高度20%且收进大于25%，为尺寸突变。针对以上超限情况采取了如下措施：

（1）采用两个不同力学模型的空间分析程序YJK和SATWE进行计算，施工图设计时，关键构建及普通竖向构件取两个程序计算得到的不利结果进行结构构件的设计。

（2）采用多塔模型计算，准确模拟大底盘多塔楼的受力特性，宏观参数主要采用多塔模型结果，个别数据采用单塔计算结果。

（3）对转换层楼板及薄弱连接处楼板进行地震工况下楼板应力验算，对超长楼板进行温度应力分析。

（4）依照《广东高规》等效弹性的性能设计思路，对关键构件进行中震性能水准3，大震性能水准4的分析。

（5）通过单塔的Pushover静力弹塑性分析及多塔的动力弹塑性时程分析，确保结构大震不倒。

本工程于2022年中旬封顶并进入内部装修，目前业主反馈良好。

参 考 文 献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，建筑抗震设计规范：GB 50011-2010 [S].北京:中国建筑工业出版社.2012.16.

[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.2011.25

[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.2013.21

作者简介：伍灿庭，1982年01月，男，汉，广东，学士，工程师，广东建筑设计院股份有限公司，建筑结构设计。