1、工程概况

通号电化科创大厦位于郑州市郑东新区商鼎路北、圃田西路东，总建筑面积61 027m2,地上建筑面积45 263m2,地下建筑面积15 764m2。项目为一栋带裙房的超高层建筑，主要功能为研发办公及相关配套用房。通号电化科创大厦主楼共28层，大屋面结构高度121.35m,大屋面以上另有4层，为机房屋面及构架结构，构架结构顶结构高度为148.83m。地上裙房6层，结构高度28.05m。地上首层层高为5.1m, 2～6层层高均为4.5m,标准层层高为4.2m, 7层避难层和18层避难层层高均为4.65m。地下室共3层，地下1层～地下3层层高分别为4.7、4.7、5.7m,地下3层底板面结构标高为-15.1m。建筑效果图见图1,结构三维模型图见图2。

图1建筑效果图

图2结构三维模型图

建筑轮廓最大平面尺寸为56.1m×39m,核心筒最大平面尺寸为20.2m×17.0m;外框主要柱距为9.0m。地下室平面尺寸约为83.0m×60.6m,主要柱网尺寸为6.0m×9.0m、9.0m×9.0m。主楼典型楼层的建筑平面图见图3。

图3主楼典型楼层建筑平面图

图4典型结构平面布置图

2、结构设计

2.1结构设计主要参数

本工程结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，建筑工程抗震设防分类标准为丙类；抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，场地土类别为Ⅲ类，设计基本地震加速度为0.15g,场地特征周期Tg为0.55s。依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[1],结构计算地震动参数取值见表1。

表1地震动参数

2.2结构体系及设计

通号电化科创大厦采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，该结构体系由钢管混凝土柱、钢筋混凝土柱、钢筋混凝土梁、钢筋混凝土核心筒、钢筋混凝土楼板和屋顶的钢结构构架组成。为了满足建筑对框架柱截面尺寸的要求，主楼的框架柱采用钢管混凝土柱，最大截面为ϕ1 100×30,根据需要渐变至ϕ1 000×25和ϕ900×25。核心筒外墙厚度由下至上由700mm逐步减小至400mm,底部楼层剪力墙内设置型钢。

因业主要求办公区标准层净高不小于3.5m,为满足净高要求，同时考虑密肋楼盖体系具有传力均匀、施工便利特点，本工程8层及以上标准层在外框柱与核心筒外墙之间采用450mm高密肋楼盖结构体系，在该体系中外框柱与核心筒之间设置主肋梁，主肋梁宽度900mm,高度同密肋楼盖高度。外框柱之间仍设置框架梁。典型结构平面布置见图4,密肋楼盖的剖面如图5所示。

为了更好地满足核心筒外建筑净高、设备管线穿越需求，参照以往工程案例[2],在密肋楼盖楼层核心筒外墙连梁处采用双连梁思路，设置上下两道连梁，上连梁高度500mm,保证其能支撑密肋楼盖，上下连梁之间预留300～500mm高度的洞口，下连梁高度根据连梁下方门洞净高要求确定为600～700mm。设置双连梁(图6)更好地匹配了密肋楼盖，抬高了设备管线的标高，核心筒外办公区域管线布置更加合理，保证了建筑净高。

图5密肋楼盖剖面

图6双连梁

3、考虑桩土共同作用的基础设计

目前国内已有的关于桩土共同作用的研究[3]表明，筏板或承台能够分担上部荷载，《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[4](简称《桩基规范》)第5.2.3～5.2.5条给出了考虑承台效应的复合基桩设计方法。在材料、人工等刚性成本节节攀升的背景下，经济性、精细化设计是大势所趋，采用桩土共同作用进行基础设计对于降低工程造价有着非常积极的作用。本工程桩基为摩擦型桩，筏板下土层承载力较高，土层厚，为了利用地基土的承载力，增加经济性，考虑桩土共同作用进行基础设计。

拟建场地地貌单元属黄河冲洪积平原，地形基本平坦。根据钻探结果，场地土分为16个地质单元层，以粉质黏土和砂层为主，基底落于⑦层细砂层，压缩模量为18.5MPa,状态饱和密实，土层承载力特征值为200kPa。根据基底反力需采用桩基础，桩基设计为摩擦型桩基，选用的桩基参数如表2所示，主楼区域桩基布置如图7所示。

表2钻孔灌注桩参数

图7主楼区域桩基布置图

采用《桩基规范》和文献[5]提供的方法对本工程主楼核心筒区域筏板及外框柱下筏板的桩土共同作用进行计算，尝试得到桩、筏板各自分担的荷载比例，并以此进行基础设计。

(1)《桩基规范》方法

《桩基规范》中考虑了承台效应系数的桩基竖向承载力特征值R可以按以下公式进行计算。R=Ra+ηcfakAc(1)

式中：Ra为基桩单桩承载力特征值；ηc为承台效应系数；fak为承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值；Ac为计算基桩所对应的承台底净面积，计算时将核心筒和外框柱下的局部筏板按承台进行考虑。

由于地下室埋深较深，将考虑采用深度修正后的土层承载力特征值(389kPa)带入式(1)进行计算。主楼核心筒下方筏板的承台效应系数计算取值为0.14,按式(1)计算得到核心筒内复合基桩竖向承载力特征值R=8 500+0.14×389×11.8 =9 142kN,筏板分担荷载比例n近似值：n=(9 142-8 500)/9 142=7%;主楼外框柱下筏板的承台效应系数计算取值为0.16,复合基桩竖向承载力特征值R=4 300+0.16×389×10.8=4 972kN,则筏板分担荷载比例n近似值为：n=(4 972-4 300)/4 972=13.5%。

(2)参考文献方法

文献[5]提供的桩基、筏板荷载分担比例计算方法如下：Κp2+Κp[Κr(-2αcp)-Κcp]+αcp2cp=0(2)αp=Κr(1-αcp)Κp+Κr(1-αc)

式中：Kp为群桩刚度；Kr为筏板刚度；αcp为桩-筏相互作用系数；Kcp为单桩竖向位移系数的倒数；αp为筏板分担荷载比例。

本工程沙土泊松比ν取0.3,粉质黏土泊松比ν取0.38,桩端以下持力层土体的杨氏模量为19.3MPa,沿桩身的平均土层杨氏模量为10.1MPa,筏板的等效宽度为28.6m,单桩竖向位移系数由试桩报告取为1.42×10-9m/N,计算得出，群桩刚度Kp为15.98×108N/m,筏板刚度Kr为4.45×108N/m,最终计算得出筏板分担荷载比例为12.8%。

综合以上分析计算结果，筏板分担上部结构竖向荷载的比例约取两种计算方法的平均值，即10%。在桩基竖向承载力设计时，采用以下两种情况进行包络设计：1)所有竖向荷载由桩基承担，但可考虑水浮力的有利作用；2)桩基承担竖向荷载的90%。

4、结构超限判定及性能目标

本工程存在以下平面不规则项：1)考虑偶然偏心的扭转位移比1.28>1.2;2)裙房收进处相邻层质心相差约18.6%>15%;3)因首层门厅开洞要求，2层楼板开洞44%>30%;6层楼板有效宽度占该层楼面宽度的比值为36%<50%。本工程存在以下竖向不规则项：裙房收进位置高度与房屋高度的比值为23%>20%,且收进32%>25%。根据《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)[6],综合判定本项目平面不规则2项，竖向不规则1项，共3项不规则项。综上所述，本工程属于特别不规则的高层建筑结构。

本工程抗震性能目标取为C级，关键构件为底部加强区核心筒剪力墙、底部加强区钢管混凝土柱及主楼四个角部有内框梁搁置的外框梁；普通构件为除关键构件外的剪力墙和框架柱；耗能构件为连梁和关键构件外的框架梁。

5、结构计算分析

5.1多遇地震下静力弹性分析

本工程采用YJK软件进行多遇地震下结构的整体计算及设计，采用ETABS2019软件进行整体计算的对比，多遇地震作用下主要计算结果见表3,多遇地震作用下层间位移角曲线见图8。由表3和图8可以看出，两种软件的计算结果基本吻合，周期、位移、剪重比等整体计算指标均能满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)的要求，表明结构体系及布置合理。

表3多遇地震下结构静力弹性计算结果对比

5.2罕遇地震下动力弹塑性分析

根据本工程建筑场地类别和设计地震分组，选取了2条天然波和1条人工波，运用Perform 3D软件进行罕遇地震下的动力弹塑性分析，地震波主方向加速度峰值310gal,持续时间30s。

罕遇地震下基底剪力结果见表4。罕遇地震峰值加速度的输入约为多遇地震下的5.6倍，但表中3条罕遇地震地震波作用下结构的基底剪力为多遇地震基底剪力的3.5～4.9倍，可见罕遇地震作用下，结构出现了一定的损伤，结构阻尼比增大，因此基底剪力减小。

注：比值为罕遇地震下基底剪力与多遇地震下基底剪力的比值。

表4罕遇地震下基底剪力

罕遇地震下结构的层间位移角包络值为X向1/129(14层),Y向1/126(22层),均满足性能水准4的限值1/100的要求。

罕遇地震下剪力墙、框架柱、框架梁、连梁的损伤状态如图9所示。由图9可以看出，连梁和框架梁作为耗能构件损伤程度较大，剪力墙基本保持弹性状态，个别框架柱发生轻微损伤。图10给出了关键构件剪力墙的受剪验算结果，基本达到了抗剪不屈服。

综上所述，罕遇地震下结构各项指标均满足性能水准4的要求，满足预定的性能目标。

5.3穿层柱计算长度复核

由于2层门厅开洞，在结构底部形成了两层通高的穿层柱，为了准确分析穿层柱的稳定性，采用屈曲分析反算柱计算长度系数[7-8]。由欧拉公式推导可得柱子的计算长度系数μ:

图8多遇地震作用下层间位移角曲线图

图9罕遇地震下构件损伤状态

图10剪力墙(关键构件)受剪计算复核

式中：Pcr为压杆屈曲临界力；E为材料弹性模量；I为压杆截面惯性矩；l为压杆长度。

通过求得Pcr即可反算出穿层柱的计算长度系数。采用YJK软件对穿层柱进行屈曲分析，穿层柱高度为9.7m,钢管混凝土柱外径1 100m,壁厚30mm,混凝土强度等级为C60,钢材牌号Q355B。通过特征值屈曲分析并结合式(3)计算得出，计算长度系数为0.438,为安全起见，构件设计时计算长度系数取1.0。

6、关键节点设计和分析

6.1节点设计

本工程钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱的连接节点较为重要。目前，该类节点多采用钢筋混凝土环梁节点或柱壁开小孔的穿筋节点，但两种节点形式均存在一些问题。环梁节点的环梁钢筋绑扎较为复杂且环梁容易影响室内效果；柱壁开小孔的穿筋节点精度要求较高，现场穿筋施工困难。基于以上问题，尧国皇等[9-10]基于厦门海峡交流中心二期二号塔楼项目提出一种钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁的新型节点形式，该节点在钢管柱壁上局部开矩形孔，使钢筋混凝土梁中的纵向钢筋全部直接伸入节点，节点混凝土与梁中混凝土成为整体，方便施工，并针对该节点进行了相关的试验和抗震性能研究。符锴等[11]在某医院建筑设计中采用开大孔钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点，同样保证梁纵向钢筋全部伸入钢管柱内，并对结构构件和节点进行了试验研究、有限元分析和工程经验总结。柱壁开大孔节点形式的优点主要为施工简单，混凝土梁与钢管混凝土柱内混凝土结合好；缺点是对钢管柱壁的削弱较多，为了保证柱截面等强，柱壁局部加厚较多。

本工程在上述经验的基础上对开大孔钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱节点进行了改进。具体设计思路为：1)在梁顶部和底部分别开设300mm×160mm的孔洞用于穿筋，按开孔截面面积不大于柱截面面积的30%对柱壁进行加厚；2)梁宽不超过400mm时所有梁纵向钢筋均能穿入钢管柱，梁宽超过400mm时在孔边设置钢筋搭接板或者机械连接套筒；3)在柱壁上靠近梁底部处设置钢牛腿用于传递梁剪力，经计算，开孔后的底部楼层所采用的ϕ1 100钢管混凝土柱柱壁局部厚度由30mm增加至55mm。本项目对之前开大孔做法的改进的主要目的是为了控制柱壁开孔的削弱程度，减小套箍效应的削弱，减小节点区柱壁加厚的幅度。图11为本工程钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点做法，图12为现场施工图。根据现场反馈，该节点施工简便，不易出错。

图11钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点做法

图12钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点现场图

6.2节点有限元分析

为保证节点的设计可靠安全，采用软件ABAQUS建立梁柱节点精细化模型，并进行节点内力分析[12-13]。节点计算时内部结构相互作用关系做如下假定：1)钢筋、钢牛腿以及环形横隔板与混凝土之间采用Embedded region连接；2)混凝土与钢管管壁之间采用绑定(Tie)连接等。模型中钢管壁、钢牛腿、环形横隔板采用四节点线性壳单元S4R;钢筋(横向钢筋、纵向钢筋)采用两节点线性桁架单元T3D2;混凝土梁、柱采用实体单元C3D8R。

钢材采用双折线本构模型，混凝土采用塑性损伤模型，其本构关系参考《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[14]附录C.2,泊松比取值0.2,弹性模量取值3.25×104MPa。

选取不利受力情况下的节点进行有限元计算，应力分析结果如图13所示。由图13可以看出，钢管混凝土柱柱壁、环向横隔板、钢牛腿以及钢筋的最大应力为315MPa,应力最大值位于短跨梁端钢筋端部，节点区域钢材保持弹性。由于外荷载均通过梁端和柱顶施加，导致最大应力主要集中在梁端钢筋处；钢牛腿区域应力主要集中上翼缘根部区域；钢管混凝土柱柱壁在开孔区域存在局部应力集中，但最大应力计算值小于材料设计容许值，说明该节点设计合理可靠。

图13节点钢材应力分析结果/MPa

7、密肋楼盖分析

近年来，空心楼盖或密肋楼盖在高层框架-核心筒结构中的应用越来越多，林元庆等[15]在144m高的郑州升龙广场项目中采用空心楼盖，建立了空心楼盖的精细化有限元模型，通过分析发现，在竖向荷载作用下，楼盖应力在核心筒周边呈带状分布，在柱头区域呈岛状分布；在地震作用下，应力在框架与核心筒间楼盖呈单向板梁拉压分布。林昭王等[16]在189m高的佛山城发中心项目中采用无暗梁的双向密肋楼盖，并总结对比了双向密肋楼盖与普通梁板楼盖在框架-核心筒结构体系中所起的作用。

本工程标准层双向密肋楼盖的三维模型如图14所示。采用YJK软件按照有限元方法对楼盖进行分析和设计，在竖向荷载下楼盖的变形图及应力云图分别如图15和16所示。从图15可以看出，密肋楼盖跨中变形最大，约为4.9mm,在外框梁和核心筒处变形较小。从图16可以看出，楼盖在核心筒处产生的板顶拉应力最为明显，在外框柱周边形成小范围的拉应力岛状分布。设计时密肋楼盖肋梁在竖向荷载下考虑弯矩调幅，调幅系数为0.85。在水平地震作用下软件不计算肋梁的内力，仅主肋梁参与地震作用计算。

大震弹塑性分析采用Perform 3D软件，建模时主肋梁按照框架梁进行建模输入，其他肋梁和板等效为实心楼板，等效的原则为肋梁与楼板组成的T形截面与实心楼板的矩形截面的抗弯惯性矩相同，同时保证总的质量相等。

图14标准层双向密肋楼盖三维模型

图15标准层双向密肋楼盖在竖向荷载下的变形图/mm

图16标准层双向密肋楼盖在竖向荷载下的应力图/MPa

上述小震和大震下的分析，都没有考虑肋梁参与地震作用。从实际的角度看，与核心筒墙连接的肋梁在地震作用下能够参与地震作用的内力分配，但是需要将肋梁按照实际进行建模，会导致计算模型单元数量过多，因此计算时进行简化不考虑肋梁作用。本工程在施工图设计时将与核心筒外墙相连接的密肋梁端按四级框架梁采取相应的抗震构造措施。

8、结论

(1)通号电化科创大厦项目采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系，密肋楼盖及双连梁的设计思路改善了研发办公标准层的净高；结合地层情况采用的考虑桩土共同作用的基础设计方法，合理优化了基础造价，进行了一定的降本增效。

(2)针对本工程同时存在的扭转不规则、平面偏心布置、楼板不连续和竖向尺寸突变等超限情况，采用YJK、ETABS和Perform 3D等软件进行结构静力弹性分析及大震弹塑性时程分析，结果表明，整体计算满足规范要求，关键构件、普通构件及耗能构件满足罕遇地震下的性能水准，整体结构满足预定的抗震性能目标。

(3)采用了改进的开大孔的钢管混凝土柱与混凝土梁连接节点，节点有限元分析结果表明钢管柱应力满足要求，该节点利于现场施工。

参考文献:

[1]建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[2]余志伟.南昌绿地朝阳中心结构设计若干关键问题[J].建筑结构,2023,53(23):57-62.

[3]宰金珉.桩土明确分担荷载的复合桩基及其设计方法[J].建筑结构学报,1995,16(4):66-74.

[4]建筑桩基技术规范:JGJ 94—2008[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[6]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[A].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015.

[7]林巍,郑晓清,徐铨彪,等.超限高层建筑抗震性能化设计若干问题探讨[J].建筑结构,2023,53(20):72-77,39.

[8]段星宇,唐元旭,苏志德,等.某超限高层塔楼结构设计与重要部位专项分析[J].建筑结构,2023,53(7):41-49.

[9]尧国皇,黄用军,郑小鹰,等.新型钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点试验研究[J].工业建筑,2010,40(7):100-104.

[10]尧国皇,陈宜言,黄用军,等.新型钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁节点抗震性能试验研究[J].工业建筑,2011,41(2):97-101,69.

[11]符锴,温永坚,温四清,等.某医疗建筑开大孔钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁组合结构体系设计[J].建筑结构,2022,52(2):87-91.

[12]庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京:清华大学出版社,2009.

[13]王翔宇.基于ABAQUS的钢筋混凝土梁收敛对策分析[J].林业科技情报,2013,45(4):39-41.

[14]混凝土结构设计规范:GB 50010—2010[S].2015年版.北京:中国建筑工业出版社,2015.

[15]林元庆,徐会业.超高层密肋空腔楼盖及型钢梁柱节点精细化设计与施工[J].土木建筑工程信息技术,2014,6(1):37-43,56.

[16]林昭王,林景华,蔡凤维,等.佛山城发中心结构设计[J].建筑结构,2022,52(21):120-126,79.

文章来源:吴盈,刘明,熊森,等.通号电化科创大厦超限高层结构设计[J].建筑结构,2024,54(17):84-90.