南京江北某超高層結(jié)構設計

吳 陽

（南京綠弘房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，南京210000）

1 工程概況

某超高層項目位于南京江北新區(qū)，是一幢集甲級寫字樓，五星級酒店的大型超高層塔樓，總建筑面積約29.6萬m2，塔樓建筑高度600 m，結(jié)構高度539.8 m，地上116層，地下4層，辦公部分層高4.4 m，酒店層高3.9 m。塔樓的設計靈感來自于南京古城門的拱形結(jié)構，在空中大堂中結(jié)合拱的形式，實現(xiàn)了對外的無遮擋寬闊視野。本工程塔樓平面布置基本為方形，在四個角部分別設置兩個L型巨柱。建筑底部平面尺寸約為57 m×57 m（圖1），為滿足酒店及結(jié)構抗風等要求，向上逐步收窄，上部平面尺寸約為45 m×45 m。

2 主要設計參數(shù)

塔樓結(jié)構結(jié)構設計使用年限50年（耐久性100年），Ⅲ類場地，設計地震分組第一組，根據(jù)地勘察報告，場地特征周期為0.475 s，抗震設防烈度7度（0.1 g），水平地震影響系數(shù)最大值0.08，抗震設防類別為乙類。彈性指標計算時，地震作用下結(jié)構阻尼比0.04，風荷載下結(jié)構阻尼比0.03。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》（JGJ 3—2010）（簡稱《高規(guī)》）第4.2.2條規(guī)定，本工程屬于超B級高度建筑。

圖1 塔樓底部區(qū)域結(jié)構平面圖Fig.1 Tower plan view at low zone

圖2 建筑效果圖與結(jié)構分解圖Fig.2 Architecture rendering and structural system

塔樓型鋼混凝土巨柱在底部截面寬度2 950 mm，單根巨柱面積約20.6 m2，采用C70混凝土，在上部隨著重力荷載的減小，截面寬度逐漸過渡為650 mm，C60標號混凝土；核心筒在底部外墻截面為1 500 mm厚，內(nèi)墻500 mm厚，配置鋼板并采用C60混凝土，向上截面尺寸逐步過渡為500 mm，C50標號混凝土；普通樓面層樓板厚度為120 mm，混凝土標號為C35；伸臂桁架及重力轉(zhuǎn)換組合拱桁架采用Q390GJ鋼，其余部分型鋼根據(jù)具體位置不同采用Q345GJ或Q345鋼。

3 結(jié)構體系簡介

塔樓核心筒內(nèi)采用鋼筋混凝土梁板系統(tǒng)，核心筒與外框之間的樓面體系采用型鋼-壓型鋼板組合樓面。為最大化巨柱系統(tǒng)的材料效率，沿塔樓高度一定間距將重力荷載通過三個空中大堂層的組合拱傳遞至角部的八根L型巨柱。拱的形式可以簡單高效地轉(zhuǎn)換重力荷載，并在空中大堂層形成無柱空間。

圖3 塔樓組合拱桁架重力轉(zhuǎn)換體系示意Fig.3 Arch truss transfer system

對于抗側(cè)力體系，由于該項目位于中等地震及中等風荷載區(qū)域，因此塔樓需兼顧考慮水平作用下結(jié)構整體的剛度及延性。塔樓通過核心筒、角部巨柱及在加強層連接彼此的伸臂桁架（圖4、圖5），提供足夠的抗側(cè)及抗扭剛度。混凝土核心筒連梁及角部巨柱之間的深框架連系梁在地震作用下通過變形耗散地震能量。塔樓外框體系中次框架部分由鋼柱和鋼梁組成，用于補充主抗側(cè)系統(tǒng)的剛度并提供額外的延性。

4 基礎設計

塔樓采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁及厚筏板基礎。方案階段通過初步計算，在考慮上部結(jié)構剛度、樁土共同作用及群樁效應等因素，并結(jié)合相關類似地質(zhì)條件下的實測沉降結(jié)果，得到筏板中心沉降約為60 mm，角部最小沉降約為43 mm。結(jié)合《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94—2008）樁基沉降的計算結(jié)果，反推計算確定單樁豎向剛度約為360 kN∕mm。根據(jù)以上的計算結(jié)果，確定了樁基的設計。樁基礎以④3層中風化泥質(zhì)砂巖作為持力層，端阻力特征值1 400 kPa，單樁抗壓豎向承載力特征值為25 000 kN，樁徑1 200 mm，有效樁長52.9 m，采用C50水下混凝土。

圖4 加強層布置示意圖Fig.4 Outrigger truss story

圖5 K型伸臂桁架Fig.5 K shape outrigger truss

5 結(jié)構超限情況

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》，塔樓存在如表1所示超限內(nèi)容。

表1 塔樓超限情況匯總Table 1 Tower overlimit summary

由以上超限判別表可以看出，塔樓的超限類別主要是由于結(jié)構高度達到了539.8 m并設置了加強層，塔樓整體平面布置對稱，豎向收分恰當，平面及豎向剛度分布均勻。

6 結(jié)構分析與計算

6.1 結(jié)構彈性分析

塔樓結(jié)構的主要分析軟件為ETABS 17，根據(jù)計算，塔樓滿足《建筑抗震設計規(guī)范》及《高規(guī)》中關于首層嵌固的剛度比要求，因此塔樓的剛度模型不包含地下室，強度驗算模型中包含有兩跨地下室。分析模型采用剛性樓板假定，根據(jù)《高規(guī)》5.4節(jié)，計算得到結(jié)構X，Y兩個方向上的剛重比均為1.46，根據(jù)《高規(guī)》5.4.1條，剛重比小于2.7大于1.4，因此計算模型中需考慮重力二階效應。

結(jié)構在小震下X，Y兩個方向上最小底部剪力系數(shù)分別為1.01%和0.99%，小于規(guī)范限值1.2%，但滿足《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》中“基本周期大于6S的結(jié)構，計算的底部剪力系數(shù)比規(guī)定值低20%以內(nèi)”（即0.96%）的要求，需對小震的地震力進行放大。

塔樓結(jié)構主要彈性指標見表2。

根據(jù)《高規(guī)》及《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的要求，外框的剪力分配，除底部個別樓層、加強層及其相鄰上下層外，多數(shù)不低于基底剪力的8%且最大值不宜低于10%，最小值不宜低于5%。本工程中外框剪力除了在頂部約15層及加強層處小于5%之外，其余大多數(shù)樓層均能滿足底部大于底部總剪力8%的要求（圖6）。

對于底部的組合拱形桁架，剪力在巨柱、拱及核心筒三者之間的分配比例如表3和表4所示。

表2 塔樓彈性計算指標Table 2 Elastic calculation summary

圖6 結(jié)構外框樓層剪力分布Fig.6 Frame shear distribution

表3 X方向底部剪力分配比例Table 3 Shear distribution in X direction

表4 Y方向底部剪力分配比例Table 4 Shear distribution inY direction

拱的結(jié)構形式在承擔重力荷載時表現(xiàn)出了良好的性能，在抗側(cè)剛度上，從表3和表4可以看出，拱桁架的剪力分配占比與巨柱接近，也提供了較好的抗側(cè)剛度。

此外，由于結(jié)構平面對稱、規(guī)整，立面收分平緩，構件尺寸收進尺度適宜，因此在扭轉(zhuǎn)及豎向剛度上都表現(xiàn)較好。

根據(jù)以上分析的結(jié)果，結(jié)構表現(xiàn)出了較好的整體剛度，這是得益于底部樓層受建筑要求，控制在一個防火分區(qū)3 000 m2內(nèi)，而核心筒由于豎向交通及機電設備等要求，面積占比較大。此外，由巨柱、組合拱及次框架結(jié)構所組合的外框體系，整體性較好，也滿足了外框的剪力分配要求。

注射碘酊治療組:1周后,囊腫注射部位的粘膜表面發(fā)白,無觸痛,3周后,注射部位與周圍粘膜無差異,囊腫已完全消失,表面粘膜未見異常,半年內(nèi)進行隨訪,見6例囊腫復發(fā)。

6.2 結(jié)構彈塑性分析

為了考察結(jié)構在強震活動下的非線性響應，本節(jié)將對結(jié)構在罕遇地震條件下進行結(jié)構彈塑性能分析，通過這類分析，以期得到主要構件的塑性損傷及整體變形情況，確定結(jié)構是否可以滿足：“大震不倒”的設防水準要求，相關關鍵構件是否可滿足預定性能目標；對罕遇地震作用下的層間位移角等綜合指標進行分析，評判結(jié)構的力學性能；最后通過以上的分析，有針對性地對相關薄弱部位和構件提出相應的調(diào)整建議，改善結(jié)構設計。

此處使用AQAQUS∕STANDARD 及 ABAQUS∕EXPLICIT作為求解器，進行彈塑性計算。所建立的彈塑性模型如圖7所示。

圖7 結(jié)構彈塑性分析模型Fig.7 Elasto-plastic analysis model

為確保計算的正確性，對彈性及彈塑性模型的基本結(jié)構信息進行對比，結(jié)構的前三個周期如表5所示。

表5 前三階周期比較Table 5 Period comparison of first three mode s

由表5可見，兩版模型在前三個周期基本一致，誤差在5%之內(nèi)，可以認為兩套模型一致性良好。

選取5組天然地震波及2組人工地震波，對比分析在ETABS中彈性模型時程波底部剪力與反應譜CQC工況下罕遇地震工況底部剪力，如表6所示，可見，滿足規(guī)范中多條時程曲線計算所得結(jié)構底部剪力平均值不小于振型分解反應譜法計算結(jié)果80%的要求。

表6 時程波底部剪力與CQC比較Table 6 Shear comparison of TH and CQC

各組地震波作用下ABAQUS模型結(jié)構基底剪力最大值見表7，7組地震波在X、Y兩個方向上的平均基底剪力為307 298 kN和267 820 kN，對應的底部剪力系數(shù)分別為5.32%和4.64%。考慮彈塑性剛度退化后，各組波的基底剪力均有一定程度降低。

表7 罕遇地震作用下基底剪力分析Table 7 Base shear analysis of rare sesimic

提取塔樓每個樓層巨柱折角處及上部鋼柱處的位移角，取包絡值作為此層的層間位移角，如圖8所示。

圖8 大震彈塑性層間位移角Fig.8 Rare seismic story drift

由以上結(jié)構彈塑性整體分析可以看出，結(jié)構整體力學性能良好，指標可以滿足規(guī)范中的相關規(guī)定。接下來選取層間位移角較平均的L7532波組，對部分構件的性能進行分析。根據(jù)此波的計算結(jié)果，加強層處的環(huán)狀桁架、伸臂桁架及組合拱桁架均未進入塑性，整體性能良好；核心筒墻體損傷主要集中在伸臂桁架支撐處及中上部樓層；核心筒連梁的混凝土發(fā)生受壓損傷，其中上部連梁混凝土損傷明顯，連梁中鋼筋和鋼骨進入塑性，鋼骨最大應變?yōu)?2.47×10-3，出現(xiàn)在頂部核心筒收進處，如圖9所示。

圖9 L7532波組作用下核心筒受壓損傷情況Fig.9 Core wall damage of L7532

圖10 L7532波組作用下核心筒連梁損傷情況Fig.10 Link beam damage of L7532

考察核心筒混凝土墻的損傷情況（圖10、圖11），在第66層第二個空中大堂處，由于核心筒Y向最外側(cè)兩道外墻收進，因此墻體損傷在此處較為明顯，但均主要集中在與伸臂相連的部位，其中上部墻體發(fā)生受壓損傷，部分鋼筋進入塑性，最大塑性應變?yōu)?.2×10-2，整體受損范圍較小，其余絕大部分墻體鋼筋塑性應變小于1倍屈服應變，總體屬于輕度以下?lián)p傷。

圖11 66層墻體損傷情況Fig.11 The 66thfloor core wall damage

圖12 96層墻體損傷情況Fig.12 The 96thcore wall damage

巨柱的罕遇地震彈塑性分析結(jié)果如圖13、14所示，巨柱混凝土在上部及與伸臂桁架相連的區(qū)域發(fā)生受壓損傷，頂部鋼骨進入塑性，最大塑性應變?yōu)?.437×10-4，其余部分未進入塑性，整體性能良好。

巨柱之間的連系梁發(fā)生受壓損傷，上部的鋼筋進入塑性，最大塑性應變?yōu)?.29×10-4，起到了一定耗能效果。

圖13 巨柱損傷情況Fig.13 Mega column damage

圖14 巨柱連系梁損傷情況Fig.14 Beam between mega column damage

由于結(jié)構高寬比較大，考察了大震作用下巨柱底部的軸力情況。選取地震作用較大的L2625波下的基底反力，巨柱編號及柱底豎向反力如圖15、表8所示，柱底均未出現(xiàn)受拉。

圖15 巨柱編號Fig.15 Number of mega column

表8 柱底豎向反力Table 8 Base reaction of mega column mN

7 結(jié) 論

南京江北某超高層項目建筑高度600 m，結(jié)構高度539.8 m，結(jié)構體系為帶伸臂加強層的巨型框架核心筒結(jié)構，采用組合拱桁架作為外框重力轉(zhuǎn)換體系，并在相鄰下部設備層增加常規(guī)腰桁架以增加安全冗余度。本文論述了結(jié)構的相關主要特點，對結(jié)構彈性及彈塑性結(jié)論做出了總結(jié)，得到如下結(jié)論：

（1）本項目受建筑條件制約，核心筒面積占比較大，結(jié)構整體剛度較好；外框系統(tǒng)中巨柱、組合拱桁架、腰桁架及次框架體系的良好組合，提供了較好的外框剛度，通過剪力調(diào)整，進一步增加安全儲備，滿足多道抗震防線的設計思想。

（2）根據(jù)大震彈塑性分析的結(jié)果，在7組地震波作用下，結(jié)構滿足大震不倒的設防目標，層間位移角滿足≤1∕100的要求。

（3）在罕遇地震作用下，結(jié)構核心筒連梁較多損傷，耗散了地震能量。上部兩個空中大堂層既是核心筒收進的部位，又是伸臂桁架設置的部位，受力復雜，部分墻肢損傷較大，應予以適當加強；巨柱整體表現(xiàn)良好，底部未出現(xiàn)拉力；組合拱桁架、伸臂桁架及腰桁架均未進入塑性，表現(xiàn)良好。