西部股权投资基金基地项目超限高层结构设计
文/张昆、赖伟强、冉希阳、刘玉鹏、赖虹、唐元旭、苏志德、郭宇航
一、项目概况
西部股权投资基金基地项目位于成都市天府新区中央商务区秦皇寺地段。这是一个双地铁项目。地块东侧紧邻已建成的地铁6号线，南侧紧邻在建的地铁19号线，所有地铁线路的换乘站均与本项目地下室相连。施工过程中的建筑效果图及实际场景如图1所示。该项目由42层超高层办公塔楼和5层商业裙房组成。塔楼与裙房连为一体。塔楼结构高度189.7m，建筑框架峰值高度193.9m。建筑一、四层高度为6m；二、三、五层高度为5m； 11、22、33层为避难层和设备转换层，层高5m；其余楼层为标准办公楼层，典型楼层高度为4.2m、4.5m，地上建筑面积约12万平方米。裙房为商业建筑，建筑高度27.2m。地下室共5层，地下深度23.8m，地下建筑面积约3.9万平方米。
▲ 图1 建筑效果图及施工过程中的实际场景
塔体外部轮廓基本呈矩形（图2），典型长度约为57.6m，典型宽度约为43.2m，长宽比为1.3，高宽比为4.4；芯管平面尺寸约为32.3m×20.3m，芯管长宽比1.6，芯管高宽比为10.0，芯管无垂直回缩；外框柱之间的距离约为6.4~9.6m，外框柱与核心筒之间的距离约为12.1~13.2m。
▲ 图2 典型结构平面图
本工程抗震设防烈度为7度，设计地震组别为第三组，设计基本地震加速度为0.10g，设计特征周期为0.45s，施工场地类别为II类。结构设计使用寿命和结构耐久性寿命均为50年。基本风压50年一次为0.3kN/m2，地面粗糙度类别为C类。考虑群聚高层建筑相互干扰的群体效应，相互干扰系数为1.1。抗震设防类别为重点设防类别（B类）。基础设计等级为A级，结构阻尼比常震3.5%，罕见地震5.0%。
2、结构体系
2.1 上层建筑
塔楼采用钢管混凝土框架柱（CFT柱）-钢梁-钢筋混凝土芯管复合结构体系（图3），为双重抗侧力结构体系。竖向构件采用现浇混凝土剪力墙和钢管混凝土柱。水平构件采用钢梁、钢筋桁架楼承板和现浇混凝土楼板。钢梁以H型钢为主，两端铰接的次梁采用组合梁构造。设计。框架梁、次梁与核心筒外壁均采用铰接连接。框架梁、CFT柱和钢柱均采用刚性连接。刚性节点主要采用螺栓连接和焊接方式。当水平构件轴拉力较大时，考虑全焊接节点。 。
▲ 图3 结构计算模型
裙房区采用钢框架结构，楼板采用钢筋桁架楼承板。由于裙房体积较小，塔身与裙房不设抗震缝，直接连接为整体结构进行设计。塔体沿垂直方向均匀缩回。框架仅在讲台顶部缩回。垂直回缩位置不超过塔架高度的20%。两个平面方向的回缩比例约占裙房平面尺寸的25%。缩回规模较小，不属于垂直缩回机身结构。
塔身核心筒平面呈矩形，主墙采用“三横四纵”布局，无垂直回缩。混凝土强度等级自下而上为C60～C40，外墙厚度自下而上为1000～400mm。地下一层至地上八层核心筒四个角均设置结构钢框架。塔楼首层以上框架柱均为圆形CFT柱，直径1300~800mm，壁厚40~16mm，材质Q355C，混凝土强度等级C60~C40；裙房一层以上框架柱为矩形钢柱，主截面500×700，壁厚40~25mm，材质Q355C。塔楼标准楼面框架梁主截面为H750×350，次梁主截面为H550×200～H550×250，材质为Q355B。芯管连梁段主要高度为850mm。地面各层楼板均采用钢桁架楼承板，厚度为120~150mm。
2.2 地下室及地基
纯地下室部分采用钢筋混凝土框架结构，部分部分采用钢筋混凝土（SRC）构件。塔楼CFT柱延伸段采用方形叠柱（混凝土包裹CFT柱）从地下3层过渡到地上1层，截面尺寸为1900×1900；地下五层至地下三层改建为钢筋混凝土方柱。截面尺寸为1 900×1 900，裙房钢柱延伸段地下一层至地上一层钢框架柱过渡为矩形组合柱，主要截面尺寸1 000 × 1 200；地下5层至地下1层改建为钢筋混凝土柱，主截面尺寸为1 000×1 200，混凝土强度等级C60。嵌入端是地下室屋顶。基础采用筏板基础，承载层为风化砂质泥岩，埋深比为1/6.9。
三、总体分析
3.1 结构性超限情况
根据《超限高层建筑工程抗震专项审查技术要点》（建制[2015]67号）[1]和《超限高层建筑抗震界定标准》四川省民用建筑工程》（DB51/T 5058-2020）[2]确定超限情况，本工程存在以下违规行为：
（一）扭转违规行为。考虑偶然偏心的最大位移比在X方向为1.26，在Y方向为1.28。
(2)楼板局部不连续[3]。裙房范围内，中庭、全高大堂、核心筒、外楼电梯等处开孔，造成楼板大洞，其中2层X向开孔率为38.0% 6层X向开门率为41.6%；塔楼区域内、低层区域全高办公大堂和高端区域全高企业文化展示空间的楼层开孔率，7层X向开孔率为30.7%，开孔率41层和42层的利率为29.7%。
（三）其他违规行为。 31层及以上高层区域西南角设有斜柱； 1层东侧大堂、4层西侧大堂、6层南侧裙楼屋顶、40层东侧形成贯通柱到屋顶地板。
该工程存在扭转不平整、楼板局部不连续及其他不平整等三种不平整现象，属于超限高层建筑。此外，还有其他抗震不利因素：1）裙座南角采用悬臂桁架结构。东侧桁架悬臂约21.0m，南侧悬臂约4.3m，南侧边桁架跨度约33.6m； 2）裙房西南角采用悬臂桁架，悬挑约6.6m； 3）裙房西侧部分拆除框架柱，采用转换桁架[4]，跨度17.6m； 4）东侧幕墙裙摆式钢架跨越大量楼层，最远点距塔楼幕墙边缘约18m。
3.2 抗震性能目标
根据《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ 3-2010）（简称《高层规范》）[5]第3.11条和《高层钢结构技术规范》 《民用建筑规范》（JGJ 99-2015）（简称《高层钢结构规范》）根据[6]中3.8条，参考四川省以往超限工程的工程经验，总体性能指标本工程采用C级，关键构件包括底部加固区核心剪力墙及塔楼框架柱、穿层柱、斜柱及下一层相邻框架柱、与东幕墙相连的框架柱裙座钢框架和裙房框架柱连接到悬臂桁架。常见的垂直构件是其他框架柱和剪力墙。重要层面 构件包括裙座东南角的悬臂桁架（跨度L≥18m）、连接斜柱首站与斜柱的框架梁以及相邻跨度的框架梁。一般水平构件包括南侧边桁架（L≥18m）和支撑南边桁架的南悬臂桁架、支撑大跨梁的框架梁（L≥18m）、西转换桁架和西南角悬挑桁架中，耗能构件为剪力墙连梁和其余框架梁，结构抗震性能具体要求见表1[7-8]。
表1 抗震性能指标
3.3 地震频发分析
在进行正式分析之前，需要根据结构特点进行两方面的对比分析：1）东幕墙裙座钢框架对主体结构的影响； 2）裙房结构对塔楼结构的影响。
东侧幕墙裙部钢架跨越大量楼层，仅通过8根牛腿与主体结构铰接。它的体积与主体结构相差很大，并且没有“楼层”的概念。首先要考虑裙边钢架对主体结构的影响。模型参数影响，对比分析模型为：模型A为考虑裙边钢架的模型，模型B以节点荷载形式考虑裙边钢架。模型A和B的对比结果表明，结构整体指标基本一致，相差0.0%~3.7%，均不超过5.0%。这说明两种考虑裙部钢架对主体结构影响的方法都可以采用。后续型号采用B型。分析模型执行相关分析。
结构裙房与塔楼之间无抗震缝。该塔为超高层框架-筒混合结构。裙房是多层钢架，只有两跨。两者之间的体积存在巨大差异。需要审视裙房对塔楼的影响，选择裙边结构。有两种型号：房屋（型号B）和无踢脚线的房屋（型号C）。根据总体分析结果，对比模型B、C的总体指标发现： 1）周期、层间位移角、刚重比等均满足规范要求及数值比较接近； 2）无裙房结构和有裙房结构的嵌入式结构固定端底座剪力相差约10.0%～12.0%。无裙房结构的框架部分在预埋端承受的剪力比例较小，但倾覆力矩比例接近； 3）抗倾覆计算均满足规范要求，但无裙板结构的抗倾覆能力较弱。综合判断：裙房可以分担部分地震剪力，提高结构的第二道防线能力，对结构整体刚度影响不大。可适当提高结构的抗倾覆能力。如果考虑裙房与塔楼之间设置抗震缝会造成更多的穿层柱等不利地震情况，影响建筑功能和立面效果，因此塔楼与裙房不设置抗震缝本工程可适当提高整体结构的抗震能力。 。
采用PKPM和ETABS对多次地震的反应谱进行分析四川钢结构加固，并比较计算结果，如表2所示。从表中可以看出，周期、质量、楼层位移、扭转位移比、层间位移角、柱墙轴压比指标均较为接近且在合理范围内四川钢结构加固，满足《高新技术法规》等现行规范的要求。
表2 频繁地震作用下的反应谱分析计算结果
频繁地震的弹性时程分析使用2个人工波和5个自然波。得到的最大层间位移角满足规范要求，层间位移角曲线无明显突变。结构的侧向刚度沿高度均匀，不存在薄弱层。 ，薄弱层。弹性时程分析方法可以反映结构高阶振型对结构地震响应的影响，如表3所示。设计时，根据反应谱计算结构的地震效应，根据弹性时程分析结果调整了部分楼层的地震效应。
表3 底板剪力放大系数
3.4 设防烈度地震分析
在设防烈度地震作用下，根据“中震弹性”和“中震抗屈”等效弹性分析，地震影响系数为0.23。结构阻尼比和连梁刚度折减系数参数详见表4。
表4 中大地震等效弹性反应谱计算参数选择
设防烈度抗震计算结果显示，X向、Y向层间位移角分别为1/382、1/297，均小于弹性层间位移角极限（1/259）的2.5倍，满足变形要求。
关键构件及普通竖向构件在“中震弹力”下无斜截面超配筋，剪压比满足规范要求（图4）。 “中震弹性”下不存在法向截面超配筋，钢构件无应力比。超限情况：“中震破坏”下重要水平构件和一般水平构件的应力比均小于1.0；部分用能构件正截面配筋超出“中震破坏”极限，但尚无斜截面配筋超标并满足性能指标要求。
▲ 图4 设防烈度地震下剪力墙剪压比统计
塔筒剪力墙存在局部拉力或小局部拉力，如图5所示，主要分布在底层和顶层。剪力墙抗震结构措施抗震等级为特一级；框架柱有不小的局部拉力；塔筒底板墙墩轴拉比μ大于1.0，不存在轴拉比大于2.0的墙墩。对于轴拉比μ大于1.0的墙墩，安装型钢以满足超限审查要求。
▲ 图5 设防烈度地震下剪力墙轴向拉比统计
3.5 罕见地震分析
罕见地震等效弹性分析结果表明，层间位移角符合要求。
“大震不屈服”分析结果表明，关键构件中的钢筋混凝土构件均未采用斜截面过度加固，塔楼钢筋混凝土竖向构件剪压比满足规范要求（图6)、钢框架柱应力比小于1.0。重要水平构件应力比均小于1.0，满足性能指标要求。
▲ 图6 罕见地震作用下剪力墙剪压比统计
罕见地震作用下的弹塑性动力时程分析采用SAUSAGE软件，选取1个人工波和2个自然波。对比结果表明，各地震波模型的结果在层间位移角、结构损伤、性能水平等方面基本一致，各地震波作用下的层间位移角均小于规范限值1/ 111.大地震围护结构的等效阻尼比为7.7%~8.8%（图7），表明部分结构构件已进入塑性状态，可提供2.7%~3.8%的附加阻尼比。
▲ 图7 自然波下工况能量图及等效阻尼比
在罕见地震作用下，核心构件剪力墙和塔架柱的性能等级从无损坏到轻微损坏，满足既定的性能目标要求，见图8。
▲ 图8 关键部件性能水平
普通垂直构件的损坏大多为无损坏至轻微损坏。极少数成员受到中等程度的伤害。部分洞口下方剪力墙因应力集中而严重破坏。这并不影响剪力墙的整体性能。综合判断满足既定绩效目标要求。
连梁的严重破坏表明连梁在罕见地震作用下已形成塑性铰机制并产生能量，满足抗震设计理念的要求。框架梁的性能等级多为轻微损坏至轻度损坏，少数为中度损坏，无严重损坏。框架梁的性能水平超过既定的性能目标要求。各组件的统计性能水平如表5所示。
表5 性能等级（围护值）占整个建筑构件的比例/%
4、关键部件分析
4.1 踢脚板东南角悬臂桁架分析
（1）分别使用3D3S和MIDAS Gen对悬臂桁架进行变形分析（图9），并与PKPM计算结果进行比较。在1.0静载+1.0活载作用下，三款软件计算的最大误差均小于10.0%。桁架关键构件应力比不超过0.85，其他构件应力比不超过0.9。
▲ 图9 1.0恒载+1.0活载/mm下桁架变形结果对比
(2)悬臂桁架节点复杂，内力大。选取悬臂桁架上弦根节点进行有限元分析。在大震非屈服条件（1.0（恒载+0.5活载）+1.0水平地震作用+0.4竖向地震作用）组合下，部分节点单位应力超过钢材屈服强度，主要位于腹杆部分、上弦杆和腹杆与钢柱的交点。为满足抗震性能设计要求，采取加固措施：1）选用420GJC钢材； 2）加强节点结构措施，将斜腹杆节点处翼缘板扩至与钢柱同宽，增设斜腹杆肋与钢柱焊接，并在变化截面处设置加强板。棒。
节点强化后最大应力为419.1MPa，未达到420GJC钢的屈服强度，如图10所示。
▲ 图10 上弦节点von Mises应力分析结果（强化后）/MPa
(3)悬臂桁架应满足抗连续倒塌概念设计要求。采用构件去除法去除悬臂桁架的斜腹杆（杆件1和杆件2），如图11所示。采用PKPM和3D3S软件进行分析。并包装结果。在删除楼板的情况下，构件1删除后，3D3S模型中的最大应力比出现在桁架上弦处，应力为206MPa，PKPM模型中的应力为160MPa；去掉构件2后，3D3S模型中最大应力比出现在桁架下弦处，应力为286MPa，PKPM模型应力为236MPa。所有构件均小于钢材强度标准值的1.25倍，满足抗连续倒塌设计要求。
▲ 图11 悬臂桁架拆解构件示意图
（4）采用MIDAS Gen计算悬臂桁架的地板舒适度：在行走激励作用下，地板竖向振动频率大于3Hz（图12），稳态竖向峰值加速度为0.002 6～0.032m/s2；在韵律运动作用下，地板垂直振动频率大于4Hz，地板振动有效最大加速度为0.17m/s2。结果表明，楼板舒适度满足《建筑楼板结构振动舒适度技术规范》（JGJ/T 441-2019）的要求[9]。
▲图12 第一垂直振型（f=3.1047Hz>3Hz）
4.2 穿层柱分析
(1) 使用MIDAS Gen对穿层柱进行稳定性计算和分析（图13）。结果表明：穿层柱的计算长度系数μ小于规范中计算的长度系数，穿层柱的内力没有超过穿层柱的线性屈曲临界荷载大地震下。不会出现不稳定的情况。
▲ 图13 穿层柱典型位置屈曲模式
(2)绘制穿层柱PMM承载力曲线，并与小震弹性、中震不屈服、大震不屈服的PKPM计算结果进行比较。表明塔外框架柱能够满足“大震不屈服”的正截面承载力。性能目标如图 14 所示。
▲ 图14 穿层柱典型PMM曲线（大震非屈服条件）
(3)校核穿层柱附加偶然侧向作用，即穿层柱表面附加偶然侧向作用设计值80kN/m2[5,10]，以及侧向荷载宽度比立柱宽0.2m。典型穿层柱抗连续倒塌条件下的内力设计值均位于PMM曲线（图15）以内，满足连续倒塌条件下的承载力要求，能够满足连续倒塌的设计要求反抗。
▲ 图15 穿层柱典型PMM曲线（连续抗倒塌工况）
4.3 东幕墙裙座钢框架分析
东侧幕墙裙座钢架采用矩形管，为扁钢架。它通过圆管钢支架和钢牛腿与塔楼连接。钢支撑两端铰接，钢牛腿与塔筒钢管混凝土柱刚性连接，并采用销钉与钢支撑或钢框架连接。
裙边钢框架采用MIDAS Gen和3D3S软件对结构进行对比分析（图16）。内力和变形结果几乎相同。研究结果表明：1）竖向构件为主要受力构件，横向构件为次受力构件； 2）风荷载是由承载力和变形控制的荷载工况； 3）竖向构件主要是弯曲变形； 4）Z向支撑反力由恒载控制。
▲ 图16 风压条件下裙边钢架弯矩云图/(kN·m)
幕墙节点由矩形管牛腿、圆管和销钉组成，并采用有限元软件进行分析。钢材采用理想的弹塑性结构，矩形管左端固定，圆管右端施加1004kN的水平集中力，连接耳板之间接触采用摩擦接触，销轴耳板也采用摩擦接触，法线方向采用硬接触，切线方向采用惩罚摩擦，钢与钢之间的摩擦系数定义为0.15。分析分为两个分析步骤：预加载和加载。预紧力就是预紧力，即施加一个比较小的力。 ，为了顺利建立接触关系，载荷分析步骤为正式加载，直接施加目标力。
结果表明:牛腿矩形管耳板与销钉相交处的最大应力为305MPa,矩形管交叉加劲肋与矩形管内部相交处的应力为186MPa,超过钢材的屈服强度；圆管耳板与销钉相交处的最大应力为346MPa，刚刚达到屈服应力，但屈服范围很小，小于一个网格的范围，说明圆管耳板处发生了局部屈服。圆管和塑性应力重新分布，可以接受；圆管交叉加强筋与圆管内部相交处的应力约为115MPa，未超过材料屈服应力，满足要求。销钉最大压应力为298MPa，没有超过钢材的屈服强度，而销钉剪应力为108.9MPa，小于销钉剪切强度170MPa，满足要求（图17） ）。
▲ 图17 幕墙裙边钢架支撑Mises应力分析结果/MPa
5. 结论
（1）结构抗震设计综合考虑本工程的特殊性、不规则条件等因素，设定了与建筑本身相匹配的较为合理的性能目标。分析结果表明，该结构方案能够满足既定的抗震性能目标，具有良好的抗震性能。结果满足国家规范要求。工程结构抗震设计安全可行。
（2）通过正确设置反性关节并将塔与讲台相结合，讲台可以共享地震剪切力的一部分，提高结构的第二条防御能力，对结构的整体刚度几乎没有影响，可以适当地改善结构的推翻阻力。容量;如果我们考虑在讲台和塔之间设置地震关节，将引起更不利的地震情况，例如通过故事的柱子，并影响建筑物的功能和立面效应。
（3）超高层结构在屋顶和底部入口配备了更大的窗帘壁结构，以与主结构连接。设计必须完全考虑窗帘壁结构与主结构之间的相互作用，并对连接节点进行深入的详细分析。
（4）对大型悬臂桁架，透明柱，倾斜的柱和其他过度限制的情况或不利地震条件进行多维特殊分析，以确保结构安全。
参考
[1]对过度限制的高层建筑项目的地震保护特殊审查的技术关键点：江西[2015]第67号[a]。北京：中华人民共和国住房和城乡发展部，2015年。
[2]在四川省具有过度地震抗性的高层建筑项目的定义标准：DB51/T 5058-2020 [S]。成都：西南北港大学出版社，2020年。
[3] Zhao Shixing，杨舒恩，Chen Ke。讨论与建筑结构的平面规律性有关的几个问题[J]。建筑结构，2021，51（3）：47-50。
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[5]高层建筑物混凝土结构的技术法规：JGJ 3-2010 [S]。北京：中国建筑业出版社，2011年。
[6]高层民用建筑的钢结构的技术法规：JGJ 99-2015 [S]。北京：中国建筑业出版社，2016年。
[7]建筑物地震设计的代码：GB 50011-2010 [S]。北京：中国建筑业出版社，2010年。
[8]有关西方股票投资基金基础项目的过度限制高层建筑项目地震设计的可行性研究报告[R]。成都：四川建筑设计与研究所有限公司，2021年。
[9]建筑地板结构的振动舒适性技术规格：JGJ/T 441-2019 [S]。北京：中国建筑业出版社，2019年。
[10]可行性研究报告关于地块高层建筑物的地震设计的报告报告7＃，8＃，9＃和10＃的可行性研究报告[R]。成都：四川建筑设计与研究所有限公司，2019年。
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关于作者
Zhang Kun，结构工程硕士，高级工程师，一流注册的结构工程师。目前，他是四川建筑设计与研究所有限公司的结构副总部，也是第三设计学院的首席工程师。主要参与：超高层和复杂的高层结构，预制的建筑结构设计和咨询。他连续参加了成都“新华社”双子塔，成都地铁线17、18和19个车辆基地的设计工作，成都Futian Tod和其他大型项目。其中，他已经完成了3个国家地震限制的审查项目和省级地震限制的审查项目。审查了6次的项目；赢得了9个省级和部长级和行业协会优秀设计奖。
Lai Weiqiang，硕士学位，高级工程师，一流注册的结构工程师。目前，他是Sichuan Architectural Design Institute Co.，Ltd的第三个设计学院的副首席工程师（结构）。他主要从事高层和超级高层建筑的结构设计。他已经完成了2个地震过度限制的评论项目，并获得了1个省级优秀设计奖。
项目信息
项目名称：西方股票投资基金基础项目
建筑设计：Li Xinkai，Wang Kun，He Xianfeng，Qiu Dong，Liu Qian
结构设计：Zhang Kun，Lai Weiqiang，Ran Xiyang，Sun Jinchao，Yu Meng
项目设计时间：2021
项目状态：正在建设
建筑区域：大约162,000平方米
所有者：Chengdu Tianfu Huazhen工程管理有限公司。
