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摘要：介绍了对一栋研发楼进行的方案设计及分析。采用两种不同的结构方案进行比较，最终确定采用钢筋混凝土斜向交叉框架外筒-核心筒结构体系。采用SATWE和ETABS程序对结构方案进行多遇地震下的计算，各项计算指标均满足规范要求。并对整体结构进行了弹性动力时程分析补充计算，中震弹性设计以及罕遇地震作用下静力弹塑性分析。结果表明，现行设计方案能够满足性能化设计目标。
关键词：高层建筑；结构方案；性能化抗震设计；非线性静力分析
Abstract：The Structural design and Analysis of a Development Center in Hangzhou is introduced. Two structural systems are analyzed and compared for the building. The final option is composed with oblique frame tube and reinforced concrete core wall. Based on the SATWE and ETABS procedure, the structure under the action of frequently occurred earthquake is analyzed. The control value for this structure can meet demand of codes. The elastic dynamic time-procedure analysis on integral structure and elastic design under moderate earthquake is carried out, and the Pushover analysis on overall structure under the action of rare occurrence earthquake is finished. The results show that the structure can achieve performance objectives.
Keywords: high-rise building; structure system; performance-based seismic design; nonlinear static procedure
中图分类号： [TU208.3] 文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1工程概况
某科技园项目研发楼位于杭州市下沙经济技术开发区，建筑效果图见图1。地下3层，从下至上层高分别为3.90m，3.90m，5.40m；地上27层，首层层高13.20m，二层层高6.00m，其余各层4.80m；从标高-5.40m下沉式广场地坪面计算，办公楼檐口总高度约为144.60m，建筑面积42643m2。结构平面尺寸38.1m×43.2m，各层相同。建筑平面图见图2。建筑抗震设防类别为丙类建筑，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.05g。基本风压按100年一遇采用，为0.55KN/m2，地面粗糙度类别为B类。
图1建筑效果图 图2 建筑平面图
2结构选型
方案1：采用普通框架-核心筒结构，在建筑外立面内侧布置型钢混凝土柱作为结构外框架，外立面仅作为结构的荷载考虑。该方案的优势在于，结构布置简单，体系可靠，施工方便。但是该方案的弊端在于，虽然结构工程较为简单、经济，但对建筑幕墙工程来说，需要重复建设，体量巨大、造价较高。并且，由于在建筑内部空间中设置柱子，造成建筑布局相对困难，建筑面积损失。对这一方案，建筑专业不认可，因此没有采用。
方案2：采用筒中筒结构，直接利用建筑的外立面自然形成的交叉框架作为结构的外筒，形成结构外露的效果。该方案的难度在于，结构外框形式相对复杂，具有特殊性，结构设计、结构施工均有一定的难度。但是类似的项目在国内外已有成功的先例。该方案的优势在于，由于结构外框即为建筑的外立面，因此，节约了幕墙工程的投资，内部空间无柱，有利于建筑的布局。这一方案也是建筑专业想实现的，因此最终采用。
两种方案的经济比较见表1，由表1可见，两种方案的总造价是相当的。
两种方案的经济性初步比较 表1
3结构概念设计
3.1 结构总体布置
根据建筑平面布置，选择钢筋混凝土斜向交叉框架外筒-核心筒结构体系（即筒中筒）。由平面尺寸为11.4m×22.8 m的剪力墙核心筒形成内筒，由交叉布置的树状1500×650框架柱及截面为 400×1000的连续框架梁形成外框架筒。外框架筒和核心筒结合形成一个理想的实壁悬壁筒，具有很高的抗侧力刚度，能完全满足在地震区高层及超高层建筑抗震作用的要求，且在风荷载作用下容易实现较好舒适度的要求，并具有良好的经济效果。另外框架与核心筒间楼层结构选择高度为1000x600的钢筋混凝土扁梁楼盖，高度上富有宽敞的空间，具有较强的建筑适用性以及良好的技术经济指标。
3.2 高度和高宽比的控制和概念设计
结构总高度为144.60m，未超出A级高度钢筋混凝土筒中筒结构体系在6度区最大适用高度为180米的限值[1]。結构平面尺寸为38.1m×43.2m，最窄处为28.8m，高宽比为=5，满足规范6度地区高宽比为6的限值。核心筒平面尺寸为11.4m×22.8 m。其宽度为筒体总高度的11.4/144.6=，满足规范建议值。
3.3 平面规则性的控制和概念设计
平面尺寸38.1m×43.2m，建筑平面布置较规矩，无超限形式表现，即(a)楼板无凹口；(b) 楼板之间无薄弱连接；(c) 楼板平面无突出。但在局部楼层中有楼板开大洞的现象，应对楼板应力集中部位配筋予以加强。结构长宽比为1.1，满足规范建议值2。鉴于建筑平面布置的特殊性，自然形成该建筑物主体结构长短向刚度不一致，结构竖向构件平面布置应注意调整双向刚度基本接近一致。
3.4 竖向规则性的控制和概念设计
结构平面布置基本一致，无立面规则性超限。但外围的斜框架筒在竖向上比较复杂，作为重点研究：第一，底层由于建筑功能需要去除部分外框斜柱，形成局部斜柱转换，从而形成局部竖向不规则结构，为保证竖向抗侧力构件连续，斜框架柱内增设钢骨，降低柱轴压比，并保证结构底部构件的良好延性。加强斜框架柱在重点部位的构造措施，将转换处的斜柱钢骨加大；第二，首层层高为13.2m，二层层高6.0m，标准层为4.8m。层高差异很大，通过调整内外筒在层高变化处的截面面积，将首层及以下斜柱截面调整为1500x1500，核心筒的外墙厚度调整为1000厚。控制上下层刚度比差异在70%之内，避免竖向形成不规则。层高剧烈变化处楼板按转换层楼板概念予以加强设计。该层楼板加厚为180厚，配筋率加强。第三，结构总高较高，顶层结构提高混凝土强度等级、配筋率等，加强整体刚度、改善结构构件延性，以克服顶层可能产生的鞭端效应。
3.5 地基基础的概念设计
根据结构的高度、体重、结构型式以及拟建场地特点，本工程采用桩筏基础。桩基拟采用φ1000直径钻孔灌注桩。桩长进入持力层2~3米，桩长约为50米。根据桩位布置，承台约为1.5~2m厚。因结构周侧于地下室范围设置下沉式广场，办公楼地下一层与周围地下室结构完全脱开，故唯有选择地下二层作为结构嵌固层。地下二、三层层高为3.9m，加之基础承台厚度，基础总埋深约为9.3m，约合总高度的9.3/144.6=，满足地基规范中关于基础埋深建议值为~的限值。 设计时合理布置桩位，控制桩基不出现拉力。 加强地下二层顶板结构整体刚度，确保地下二层嵌固层刚度比满足规范要求。 加强基础筏板及地下三层顶板整体连接计算，提高配筋率。
4 计算分析
结构整体分析采用SATWE（2010版）进行计算，并采用ETABS软件进行对比校核计算。由于建筑外立面限制，结构的外围斜框架在空间上很复杂，对结构设计来说没有标准层，精确计算模型的建立非常困难。因此，首先对斜框架进行了适当简化，既形成了一定的规律，又与建筑立面有一定的吻合，有利于对结构体系的研究，各个构件的受力特性比较明确，计算结果也具有代表性。简化的结构计算模型见图3。通过对简化模型的计算，取得对结构受力特性的初步认识，并调整结构构件布置，将关键问题提前消化解决，使其整体满足设计要求。简化模型分析成功之后，依据其分析结果，建立精确模型进行设计分析计算，事半功倍。精确计算模型见图4。
图3：简化的计算模型三维图 图4：精确计算模型三维图
4.1 振型分解反应谱法的弹性分析结果
经过计算分析，结果见表2。由表中数据可以看出，SATWE简化模型、SATWE精确模型以及ETABS精确模型的计算结果比较接近，结构在各项指标上均符合规范要求。[1][2]
由表2可以看出，简化模型与精确模型在结构计算的总体结果上非常相近。进一步证明，对于复杂的计算模型，在结构初步设计时，进行适当的简化是切实可行的。
4.2 弹性动力时程分析结果
采用SATWE程序进行弹性动力时程分析。选用RH1TG025人工波、RH2TG025人工波、RH3TG025人工波。按照规范规定：每条时程曲线计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法的65%，所选多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值也不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。弹性时程分析的结果，即在各地震波作用下的最大楼层剪力曲线、最大楼层弯矩曲线、层位移曲线及最大层间位移角曲线及与振型分解法计算结果相比较均小于振型分解法的计算结果。
根据上述计算结果，在结构设计中，主要以振型分解法的计算结果为依据是合理的。
4.3 中震性能化分析结果
由于结构位于低烈度区，并且处于A级高度范围，按照《高规》3.11节结构抗震性能设计方法[1]，设定该结构的抗震性能目标为B级，即中震下主体结构弹性，最大层间位移角1/800，大震下关键构件不屈服，抗剪弹性，最大层间位移角1/250。
根据SATWE中震下等效弹性方法分析表明：中震下除极少数核心筒内连梁抗剪承载力超筋之外，其余结构构件都在弹性受力阶段，框架外筒及剪力墙内筒的截面大小及配筋相对合理，层间位移角最大为1/1856，满足小于1/800的要求。
4.4 静力弹塑性分析结果
采用ETABS程序进行静力弹塑性分析，模型中采用程序中默认的铰属性，混凝土的基于ATC-40[3][4]的 规定。在框架梁的两端布置弯矩铰，在框架柱及剪力墙两端布置轴力弯矩铰，其中剪力墙采用等效柱单元进行模拟，连梁采用梁单元进行模拟[5][6]。采用均匀加速分布和基于模态分布的两种推覆力模式进行计算。经过多次试算，分析的位移控制点位于顶层中部，性能控制点的最大位移取为0.24米，分析的终止条件为弹塑性层间位移角达到1/250。由于采用基于模态分布的推覆力模式较早出现塑性铰，因此，以该种模式下的结果进行分析。
分析结果表明，在对应罕遇地震下的目标位移时，在进行Y向推覆力分析时，构件都在弹性状态，基本未出现塑性铰，仅在中下部楼层剪力墙部分连梁处出现塑性铰，处于B（弹性）-IO（立即居住）状态 [4]。在进行X向推覆力分析时，大部分构件都在弹性状态，外框架筒未出现塑性铰，剪力墙内筒连梁较多出现塑性铰，中下层个别内外筒之间的宽扁梁出现塑性铰，均处于B-IO状态。由以上分析可以表明，结构可以满足设定的抗震性能目标。
5 结语
作为结构工程师的职责，就是通过整体构思结构总体方案，创造性帮助建筑师满足该建筑物的空间形式及其使用功能，构造功能和所能感受到的形象功能，实现对设计及社会的贡献。本项目的外筒结构具有特殊性，但通过上述分析可以看出，主體结构并不属于特别复杂结构。其结构选型、结构计算、结构构造仍在我们熟悉的设计工作范围。结构方案能够满足性能目标要求。
参考文献
[1] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011。
[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010。
[3]ATC.Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings [S]. Report No.ATC-40, Applied Technology Council, Redwood City, California, 1996
[4]American Society of Civil Engineers. FEMA 356 Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings [S]. Washington D. C. : Federal Emergency Management Agency,2000
[5]汪大绥，贺军利，张凤新。静力弹塑性分析（Pushover Analysis）的基本原理和计算实例[J]。世界地震工程，2004，20（1）：45-53
[6] 汪大绥，贺军利，芮明倬，等。带有剪力墙（筒体）结构静力弹塑性分析方法与应用[J]。建筑结构，2006，36（7）
关键词：高层建筑；结构方案；性能化抗震设计；非线性静力分析
Abstract：The Structural design and Analysis of a Development Center in Hangzhou is introduced. Two structural systems are analyzed and compared for the building. The final option is composed with oblique frame tube and reinforced concrete core wall. Based on the SATWE and ETABS procedure, the structure under the action of frequently occurred earthquake is analyzed. The control value for this structure can meet demand of codes. The elastic dynamic time-procedure analysis on integral structure and elastic design under moderate earthquake is carried out, and the Pushover analysis on overall structure under the action of rare occurrence earthquake is finished. The results show that the structure can achieve performance objectives.
Keywords: high-rise building; structure system; performance-based seismic design; nonlinear static procedure
中图分类号： [TU208.3] 文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
1工程概况
某科技园项目研发楼位于杭州市下沙经济技术开发区，建筑效果图见图1。地下3层，从下至上层高分别为3.90m，3.90m，5.40m；地上27层，首层层高13.20m，二层层高6.00m，其余各层4.80m；从标高-5.40m下沉式广场地坪面计算，办公楼檐口总高度约为144.60m，建筑面积42643m2。结构平面尺寸38.1m×43.2m，各层相同。建筑平面图见图2。建筑抗震设防类别为丙类建筑，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.05g。基本风压按100年一遇采用，为0.55KN/m2，地面粗糙度类别为B类。
图1建筑效果图 图2 建筑平面图
2结构选型
方案1：采用普通框架-核心筒结构，在建筑外立面内侧布置型钢混凝土柱作为结构外框架，外立面仅作为结构的荷载考虑。该方案的优势在于，结构布置简单，体系可靠，施工方便。但是该方案的弊端在于，虽然结构工程较为简单、经济，但对建筑幕墙工程来说，需要重复建设，体量巨大、造价较高。并且，由于在建筑内部空间中设置柱子，造成建筑布局相对困难，建筑面积损失。对这一方案，建筑专业不认可，因此没有采用。
方案2：采用筒中筒结构，直接利用建筑的外立面自然形成的交叉框架作为结构的外筒，形成结构外露的效果。该方案的难度在于，结构外框形式相对复杂，具有特殊性，结构设计、结构施工均有一定的难度。但是类似的项目在国内外已有成功的先例。该方案的优势在于，由于结构外框即为建筑的外立面，因此，节约了幕墙工程的投资，内部空间无柱，有利于建筑的布局。这一方案也是建筑专业想实现的，因此最终采用。
两种方案的经济比较见表1，由表1可见，两种方案的总造价是相当的。
两种方案的经济性初步比较 表1
3结构概念设计
3.1 结构总体布置
根据建筑平面布置，选择钢筋混凝土斜向交叉框架外筒-核心筒结构体系（即筒中筒）。由平面尺寸为11.4m×22.8 m的剪力墙核心筒形成内筒，由交叉布置的树状1500×650框架柱及截面为 400×1000的连续框架梁形成外框架筒。外框架筒和核心筒结合形成一个理想的实壁悬壁筒，具有很高的抗侧力刚度，能完全满足在地震区高层及超高层建筑抗震作用的要求，且在风荷载作用下容易实现较好舒适度的要求，并具有良好的经济效果。另外框架与核心筒间楼层结构选择高度为1000x600的钢筋混凝土扁梁楼盖，高度上富有宽敞的空间，具有较强的建筑适用性以及良好的技术经济指标。
3.2 高度和高宽比的控制和概念设计
结构总高度为144.60m，未超出A级高度钢筋混凝土筒中筒结构体系在6度区最大适用高度为180米的限值[1]。結构平面尺寸为38.1m×43.2m，最窄处为28.8m，高宽比为=5，满足规范6度地区高宽比为6的限值。核心筒平面尺寸为11.4m×22.8 m。其宽度为筒体总高度的11.4/144.6=，满足规范建议值。
3.3 平面规则性的控制和概念设计
平面尺寸38.1m×43.2m，建筑平面布置较规矩，无超限形式表现，即(a)楼板无凹口；(b) 楼板之间无薄弱连接；(c) 楼板平面无突出。但在局部楼层中有楼板开大洞的现象，应对楼板应力集中部位配筋予以加强。结构长宽比为1.1，满足规范建议值2。鉴于建筑平面布置的特殊性，自然形成该建筑物主体结构长短向刚度不一致，结构竖向构件平面布置应注意调整双向刚度基本接近一致。
3.4 竖向规则性的控制和概念设计
结构平面布置基本一致，无立面规则性超限。但外围的斜框架筒在竖向上比较复杂，作为重点研究：第一，底层由于建筑功能需要去除部分外框斜柱，形成局部斜柱转换，从而形成局部竖向不规则结构，为保证竖向抗侧力构件连续，斜框架柱内增设钢骨，降低柱轴压比，并保证结构底部构件的良好延性。加强斜框架柱在重点部位的构造措施，将转换处的斜柱钢骨加大；第二，首层层高为13.2m，二层层高6.0m，标准层为4.8m。层高差异很大，通过调整内外筒在层高变化处的截面面积，将首层及以下斜柱截面调整为1500x1500，核心筒的外墙厚度调整为1000厚。控制上下层刚度比差异在70%之内，避免竖向形成不规则。层高剧烈变化处楼板按转换层楼板概念予以加强设计。该层楼板加厚为180厚，配筋率加强。第三，结构总高较高，顶层结构提高混凝土强度等级、配筋率等，加强整体刚度、改善结构构件延性，以克服顶层可能产生的鞭端效应。
3.5 地基基础的概念设计
根据结构的高度、体重、结构型式以及拟建场地特点，本工程采用桩筏基础。桩基拟采用φ1000直径钻孔灌注桩。桩长进入持力层2~3米，桩长约为50米。根据桩位布置，承台约为1.5~2m厚。因结构周侧于地下室范围设置下沉式广场，办公楼地下一层与周围地下室结构完全脱开，故唯有选择地下二层作为结构嵌固层。地下二、三层层高为3.9m，加之基础承台厚度，基础总埋深约为9.3m，约合总高度的9.3/144.6=，满足地基规范中关于基础埋深建议值为~的限值。 设计时合理布置桩位，控制桩基不出现拉力。 加强地下二层顶板结构整体刚度，确保地下二层嵌固层刚度比满足规范要求。 加强基础筏板及地下三层顶板整体连接计算，提高配筋率。
4 计算分析
结构整体分析采用SATWE（2010版）进行计算，并采用ETABS软件进行对比校核计算。由于建筑外立面限制，结构的外围斜框架在空间上很复杂，对结构设计来说没有标准层，精确计算模型的建立非常困难。因此，首先对斜框架进行了适当简化，既形成了一定的规律，又与建筑立面有一定的吻合，有利于对结构体系的研究，各个构件的受力特性比较明确，计算结果也具有代表性。简化的结构计算模型见图3。通过对简化模型的计算，取得对结构受力特性的初步认识，并调整结构构件布置，将关键问题提前消化解决，使其整体满足设计要求。简化模型分析成功之后，依据其分析结果，建立精确模型进行设计分析计算，事半功倍。精确计算模型见图4。
图3：简化的计算模型三维图 图4：精确计算模型三维图
4.1 振型分解反应谱法的弹性分析结果
经过计算分析，结果见表2。由表中数据可以看出，SATWE简化模型、SATWE精确模型以及ETABS精确模型的计算结果比较接近，结构在各项指标上均符合规范要求。[1][2]
由表2可以看出，简化模型与精确模型在结构计算的总体结果上非常相近。进一步证明，对于复杂的计算模型，在结构初步设计时，进行适当的简化是切实可行的。
4.2 弹性动力时程分析结果
采用SATWE程序进行弹性动力时程分析。选用RH1TG025人工波、RH2TG025人工波、RH3TG025人工波。按照规范规定：每条时程曲线计算所得结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法的65%，所选多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值也不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。弹性时程分析的结果，即在各地震波作用下的最大楼层剪力曲线、最大楼层弯矩曲线、层位移曲线及最大层间位移角曲线及与振型分解法计算结果相比较均小于振型分解法的计算结果。
根据上述计算结果，在结构设计中，主要以振型分解法的计算结果为依据是合理的。
4.3 中震性能化分析结果
由于结构位于低烈度区，并且处于A级高度范围，按照《高规》3.11节结构抗震性能设计方法[1]，设定该结构的抗震性能目标为B级，即中震下主体结构弹性，最大层间位移角1/800，大震下关键构件不屈服，抗剪弹性，最大层间位移角1/250。
根据SATWE中震下等效弹性方法分析表明：中震下除极少数核心筒内连梁抗剪承载力超筋之外，其余结构构件都在弹性受力阶段，框架外筒及剪力墙内筒的截面大小及配筋相对合理，层间位移角最大为1/1856，满足小于1/800的要求。
4.4 静力弹塑性分析结果
采用ETABS程序进行静力弹塑性分析，模型中采用程序中默认的铰属性，混凝土的基于ATC-40[3][4]的 规定。在框架梁的两端布置弯矩铰，在框架柱及剪力墙两端布置轴力弯矩铰，其中剪力墙采用等效柱单元进行模拟，连梁采用梁单元进行模拟[5][6]。采用均匀加速分布和基于模态分布的两种推覆力模式进行计算。经过多次试算，分析的位移控制点位于顶层中部，性能控制点的最大位移取为0.24米，分析的终止条件为弹塑性层间位移角达到1/250。由于采用基于模态分布的推覆力模式较早出现塑性铰，因此，以该种模式下的结果进行分析。
分析结果表明，在对应罕遇地震下的目标位移时，在进行Y向推覆力分析时，构件都在弹性状态，基本未出现塑性铰，仅在中下部楼层剪力墙部分连梁处出现塑性铰，处于B（弹性）-IO（立即居住）状态 [4]。在进行X向推覆力分析时，大部分构件都在弹性状态，外框架筒未出现塑性铰，剪力墙内筒连梁较多出现塑性铰，中下层个别内外筒之间的宽扁梁出现塑性铰，均处于B-IO状态。由以上分析可以表明，结构可以满足设定的抗震性能目标。
5 结语
作为结构工程师的职责，就是通过整体构思结构总体方案，创造性帮助建筑师满足该建筑物的空间形式及其使用功能，构造功能和所能感受到的形象功能，实现对设计及社会的贡献。本项目的外筒结构具有特殊性，但通过上述分析可以看出，主體结构并不属于特别复杂结构。其结构选型、结构计算、结构构造仍在我们熟悉的设计工作范围。结构方案能够满足性能目标要求。
参考文献
[1] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011。
[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010。
[3]ATC.Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings [S]. Report No.ATC-40, Applied Technology Council, Redwood City, California, 1996
[4]American Society of Civil Engineers. FEMA 356 Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings [S]. Washington D. C. : Federal Emergency Management Agency,2000
[5]汪大绥，贺军利，张凤新。静力弹塑性分析（Pushover Analysis）的基本原理和计算实例[J]。世界地震工程，2004，20（1）：45-53
[6] 汪大绥，贺军利，芮明倬，等。带有剪力墙（筒体）结构静力弹塑性分析方法与应用[J]。建筑结构，2006，36（7）