凯达尔枢纽国际广场属于以公共交通导向发展工程，裙楼有地铁13号线的两个主要出入口，为了引导周边人群可以醒目乘坐地铁并且增加裙楼的商业价值，裙楼建筑师设置了3个“亮点”，首先是倾斜椭圆形的“车站核”；第二个是城市走廊；第3个是裙楼5层以上采用逐层退台，并且引入园林绿化，达到建筑效果。本文介绍了这些“亮点”的结构处理手法。建筑效果及计算模型三维视图如图1、图2所示。

图1 凯达尔建筑效果

图2 凯达尔裙楼不同角度计算模型

工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；50年重现值基本风压为0.50 kN/m2,场区地面粗糙度为C类；风压体型系数取1.4。裙楼均采用风洞试验风荷载结果。

结构抗震设防类别：裙楼为重点设防类；建筑场地类别为Ⅱ类；根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》及GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》查得广州市增城区抗震设防烈度为6度，设计基本地震峰值加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，阻尼比为0.05。多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震计算采用规范的地震动参数。竖向地震影响系数最大值取对应的水平地震影响系数最大值的65%进行竖向地震计算。

根据建筑特点和功能需要，工程采用了不同材料组成的结构体系，裙楼采用框架剪力墙结构体系，局部裙楼存在“车站核”，“车站核”采用钢结构，城市走廊上空雨棚采用“钢结构”，裙楼与东塔楼通过滑动支座连接，已经考虑了连接的相互影响，裙楼采用框架剪力墙结构体系，属A级高度高层建筑。

裙楼共14层，高72.35 m，多数楼层层高6 m，一些楼层因功能要求层高为5,4.5,5.4,8.95 m等。建筑平面近似矩形，采用框架-剪力墙结构，结构高宽比为3.4，标准层结构平面如图3所示。

图3 裙楼标准层结构平面

主要结构构件尺寸及材料如下。

1)钢结构柱截面规格：φ1 000×40，□600×400×20，方管柱□800×400×35，HM400×400。

2)矩形混凝土柱：1 800 mm×2 600 mm,1 100 mm×1 100 mm，1 000 mm×1 000 mm,900 mm×900 mm，圆形柱φ1 200，φ1 000。

3)矩形混凝土梁：500 mm×1 100 mm，300 mm×600 mm，300 mm×800 mm，300 mm×700 mm。

4)钢结构梁：HM294×200,H600×250×16×30,H1 000×400×25×50,H1 200×400×20×35。

5)剪力墙厚度：400，300 mm。

6)钢筋混凝土梁截面：550 mm×850 mm,400 mm×800 mm,400 mm×700 mm等。

7)材料强度等级：竖向构件混凝土C50～C35，水平构件混凝土C30。

裙楼在规定水平地震作用下考虑偶然偏心的最大层间位移比为1.45；由于建筑“车站核”的存在，第2～9层均存在有效楼板宽度，分别为8.6，8.6, 3.5, 3.5, 2.7, 11.9, 6.5, 7.3 m,小于该层楼板典型宽度的50%，属于楼板不连续；由于建筑存在退台处理，第7～9层竖向构件收进比率分别为25.3%、35%、32%、48.7%、50%，属于竖向构件位置缩进高于结构高度20%且收进大于25%，为尺寸突变；2层存在剪力墙、柱转换(剪力墙比率6.2%)，第8、11层存在柱转换。所以，裙楼存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、竖向构件不连续等4项不规则的 A级高度高层建筑。

4.3.1针对超限采取的策略

1)针对结构超限类型，选择JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》性能目标C进行性能设计。

2)根据各水准性能分析结果，剪力墙竖向分布钢筋的配筋率为0.6%，经对比分析，关键构件、普通构件、耗能构件，均能满足性能目标，实际施工图设计时取包络设计。

3)针对竖向构件体型收进处的楼板、楼板不连续所在楼层楼板等关键部位，采用YJK软件对设防烈度地震下受力进行了分析，通过适当的配筋可以满足设防烈度地震不屈服的性能目标，可以保证结构的整体性，实际施工图设计时，根据设防烈度地震应力分析去加强楼板配筋。

4.3.2结构抗震等级及性能目标

结构抗震等级的划分：二级。选用C级结构抗震性能目标，具体结构性能目标见表1。

表1 结构构件抗震性能要求

注：关键构件包含底部加强部位剪力墙、底部加强部位框架柱转换梁、车站核结构、城市走廊雨棚结构。

4.4.1多遇地震作用下弹性计算

1)振型分解反应谱法：分别采用YJK 1.7.0和ETABS 2013两种软件，计算振型均为60，对结构反应进行了分析计算。结构的振动模态都是平、平、扭，第1周期分别为2.223, 2.057, 1.310 s；基底剪力为5 099～7 536 kN；最大层间位移角为1/1 249～1/2 308，需要说明的是位移比的数据，由于软件计算出来的位移角是用楼层的最小位移或最大位移与整层楼的平均位移相比，由于本项目的特殊性，导致软件计算出来的结果偏大。现按规范条文说明中的规则对位移比较大的标准层的四边进行围区统计重新复核，规定水平地震作用下考虑偶然偏心最大扭转位移比为1.31～1.49。具体详见表2。

表2 塔楼结构主要整体指标

2)弹性时程分析法，选用两组实际记录波Westmorland_NO_314,Tg(0.33)和Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3283，以及一组人工模拟波YJK对结构进行了弹性时程分析，主方向地震波加速度峰值取18 cm/s2。计算结果满足高规中4.3.5-1条要求。

3)地震剪力的调整：结构地震作用效应取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

4.4.2设防烈度地震作用下计算分析

高规3.11.3-1式计算的剪力墙水平分布筋、普通柱、框支柱、转换梁的箍筋小于常规多遇地震作用下的弹性配筋，说明所有关键构件在设防烈度地震作用下处于受剪弹性状态。

高规3.11.3-2式计算的剪力墙的暗柱、底部加强区柱、穿层柱及普通柱、框支柱、转换梁的纵筋小于常规多遇地震作用下的弹性配筋，说明所有关键构件在设防烈度地震作用下处于受弯不屈服状态。除几处核心筒连梁纵筋超筋外，其余框架梁及连梁纵筋均未超筋，说明耗能构件大部分未进入抗弯屈服状态。

高规3.11.3-2式计算的框架梁和连梁等耗能构件箍筋，均小于多遇地震作用下的弹性配筋，不需调整箍筋配置。

高规3.11.3-2式计算的楼板、“车站核”楼板，除个别应力集中外，楼板剪应力小于1.41 MPa,基本上满足斜截面抗剪承载力不屈服，不需调整箍筋配置。

在设防烈度地震作用下,底部竖向构件未出现拉应力。两方向的最大层间位移角分别为1/667和1/566，属于轻微损坏。设防烈度地震与多遇地震基底剪力比分别为1.9和1.75。

上述计算结果表明：本结构满足关键构件抗剪弹性、抗弯不屈服，耗能构件抗剪不屈服，抗弯有限屈服，楼板、“车站核”楼板的设防烈度下性能目标C的要求。

4.4.3罕遇地震作用下计算分析

采用YJK-EP程序进行结构动力弹塑性时程分析。选用人工波1(地面人工波时程(50年第1组)，天然波1(Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3264)、天然波2(Chalfant Valley-02_NO_549)，地震波主方向峰值125 cm/s2，次方向峰值106.25 cm/s2，各条波持续时间截取为45 s。

1)结构基底剪力。各方向罕遇地震弹塑性时程最大基底剪力为CQC法的3.45～9.46倍(地震波主方向)，各条波的基底剪力见表3。

表3 各波罕遇地震下基底剪力

2)结构的总体变形。罕遇地震弹塑性最大层间位移角在1/55～1/240之间，满足框架剪力墙1/100限值要求及框架结构的1/50限值要求，最大层间位移角见表4。

表4 罕遇地震下最大层间位移角

3)构件的损伤情况。在罕遇地震波输入过程中，结构的破坏形态可描述为：首先结构连梁、 9层以上框架结构、局部较离散分布的剪力墙进入塑性，然后连梁损伤迅速发展并扩散至全楼范围，剪力墙受拉损伤同时扩展并集中于底部加强区及其以上2～3层，并沿结构全高发展，但是剪力墙受压损伤发展不大。在地震的后半时间里结构塑性基本无更大发展，塑性分布呈稳定状态，说明结构在各构件(主要是与剪力墙相连的框架梁)，以及上部框架结构刚度退化及塑性耗能后，形成稳定的塑性分布机制。

4)结构的薄弱层及薄弱部位。在罕遇地震作用下，结构剪力墙的底部加强区的平面角局部墙肢出现轻微及中度压伤，以及转换层底部墙肢出现轻微及中度压伤。框架柱局部个别出现重度受压损伤，说明结构体系在罕遇地震下能很好地承担竖向重力荷载。剪力墙竖向分布筋配筋率提高至0.6%。

5)罕遇地震作用下结构弹塑性动力时程分析。分析表明：罕遇地震与多遇地震作用下的基底剪力之比为3.45～9.46，说明所选用地震波比预计地震反应要大；罕遇地震弹塑性最大层间位移角在1/55～1/240之间，满足框架剪力墙1/100限值要求及框架结构的1/50限值要求，属中度损坏；结构竖立不倒，主要抗侧力构件没有发生严重破坏，多数连梁屈服耗能，局部剪力墙出现混凝土受压损伤，但未出现局部倒塌和危及结构整体安全的损伤，抗震性能达到“大震不倒”的性能目标。

“车站核”平面呈椭圆形环带状，外包尺寸，椭圆长轴半径为26.5 m,短轴半径为18 m,条带宽约6 m,高度为43.8 m,外形详见图4。斜柱始于B2层，结束在7层，相邻两斜柱人字形拉结，“车站核”柱与水平面夹角角度约60°～84°，斜柱在楼层标高通过环形的钢梁进行连接，形成结构，并且逐层向外倾斜，凸出建筑的尺度为18 m，出挑比率占长轴直径的34%。“车站核”逐层与裙楼主结构进行拉结。结构在满足建筑造型的基础上，参照相关文献，进行了以下分析。

图4 “车站核”外形

1)“车站核”的斜柱与框架梁的传递竖向力的分析:用SAP 2000计算“恒”+“活”下车站核结构内力，分析环梁传力时楼板仅作为附加恒载输入，“车站核”无楼板。现截取B1～7层最外侧一榀斜柱F、G及其环梁作具体分析。在“恒”+“活”作用下轴力计算结果见表5，表中轴力以受拉为正，受压为负。从表5看出，斜柱除了顶层存在很小的拉力，其他楼层为压力，斜柱呈现为传递轴压力。第5～7层及2层环梁受轴向拉力，其余楼层环梁同时存在拉压力；说明仅需要局部楼层的环梁就可以拉住斜柱，提供结构刚度，其他楼层环梁满足变形协调。斜柱F、G 分别以夹角68°、66.3°向外倾斜，导致上部楼层外侧钢环梁受到轴向拉力，环梁起到约束斜柱的作用。具体的斜柱F、G及其环梁轴力传力路径见图5。通过数据分析，“车站核”的竖向力传递仅需要局部楼层提供拉力，以及斜柱传递压力，就可以将竖向力继续往下传递至基础。

表5 斜柱F、G及其环梁轴力kN

图5 斜柱F、G及其环梁轴力传力路径

2)采用ABAQUS对车站核节点进行有限元分析：单元采用S4R(四结点曲壳单元)可用于薄、厚壳结构建模；单元长度0.05 m；钢材Q345B，弹性模量E=2.06×1011Pa,泊松比ν=0.3,密度ρ=7 850 kg/m3。模型荷载除考虑自重外，模型边界及加载条件、构件尺寸同实际的结构计算模型。对起步典型节点、建筑L2典型节点进行有限元数值模拟，如图6所示。计算结果表明：起步典型节点 Mises应力最大值为233.3 MPa，小于限值250 MPa, 节点满足传力要求。典型节点Mises应力最大值为205.2 MPa，小于限值265 MPa, 节点满足传力要求。

a—起步典型节点;b—建筑L2典型节点。图6 典型节点有限元结果 102MPa

3)“车站核”整体屈曲分析：掌握了“车站核”的受力特点；采用SAP 2000软件的屈曲分析功能，取“车站核”相关结构范围为计算模型，分析模型中相关范围各层楼板指定为弹性板，见图7，对各柱在轴向进行单元剖分，加载方式为：恒载+0.5活载。通过屈曲分析，从而判断穿层柱、“车站核”的稳定性。

图7 SAP 2000模型

“车站核”整体屈曲变形计算结果见图8，各斜柱屈曲形态主要沿椭圆向心或背心方向，整体屈曲因子为37.96，大于2.0的安全储备，表明“车站核”的整体稳定性满足要求。

图8 “车站核”屈曲计算结果

4) “车站核”节点有限元分析：节点可以满足传力要求；通过“车站核”整体屈曲分析，说明“车站核”的整体稳定性满足规范要求；通过对“车站核”的传力分析，“车站核”楼板仅作为荷载输入模型，高区钢梁及中部钢梁存在轴向拉力；若“车站核”楼板作为弹性板输入模型，发现所有楼层的楼板与斜柱相连均存在拉应力；因此施工图设计时，按“车站核”楼板仅作为荷载输入模型和按“车站核”楼板作为弹性板输入模型对梁进行包络设计。

城市走廊屋顶雨棚悬挑最大跨度为24 m，雨棚立柱采用方钢管混凝土柱，通过梁与桁架下型钢混凝土柱拉结形成框架结构，城市走廊顶部雨棚的立柱及支撑构件定义为关键构件进行性能化设计，模型如图9所示。

图9 城市走廊屋顶雨棚

雨棚加载荷载如表6所示；并考虑水平地震及竖向地震，水平地震作用系数为0.04，竖向地震作用系数取0.026(0.04×65%)，阻尼比取0.02(50 m以下钢结构阻尼比取0.02)，计算结果见表7。钢结构应力比最大为0.80，小于0.90，结构由挠度控制;“恒”+“活”下悬挑梁挠度为115 mm，经过加工厂预起拱40 mm，最终变形量为75 mm，挠度/跨度为1/306，小于1/250(三角撑到悬挑边缘的最大距离为11.5 m)；“恒”D+风吸工况下挠度为-5 mm(向上变形，已经包括预起拱40 mm)。计算结果满足规范要求，结构是安全可靠的。

表6 荷载取值kN/m2

表7 计算结果

1)计算结果表明：多遇地震下结构的层间位移角、周期及周期比、剪重比、轴压比、外框柱承担的地震剪力比等结构控制性指标均满足相关规范要求，所有结构构件处于弹性状态，实现了完好、无损坏的性能目标；设防烈度地震下，所有竖向构件的截面承载力处于受剪弹性、受弯不屈服、耗能构件抗剪不屈服、抗弯有限屈服状态，属轻度损伤；罕遇地震下，剪力墙底部加强部位的墙、柱以及穿层柱的截面承载力处于受剪、受弯不屈服状态，其余部分竖向构件及耗能构件均进入屈服状态，属中度损伤，满足了所设定的C级性能目标。

2)针对“车站核”结构进行了传力分析，施工图设计时按“车站核”楼板仅作为荷载输入模型和按“车站核”楼板作为弹性板输入模型进行包络设计；对钢节点进行有限元分析。分析结果表明，节点满足传力要求；通过“车站核”整体屈曲分析，说明“车站核”的整体稳定性满足要求。

3)城市走廊屋顶雨棚通过挠度控制，在一定应力水准下，满足要求。

4)裙楼综合体的结构设计焦点问题集中在于建筑造型的亮点实现，因此结构计算分析，应注重结构概念，有效拆分为子结构，通过子结构与主体结构的可靠连接，达到最终的结构安全。

来源：庞伟聪, 韩建强, 张龙生, 等. 凯达尔枢纽国际广场裙楼结构设计[J]. 钢结构, 2019, 34(5): 61-66.

doi: 10.13206/j.gjg201905010