南京湖南路B 地塊B-1#塔樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

葉建農(nóng) 張堃 周建 夏長春

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，越來越多的超高超限高層建筑應(yīng)運而生。對于B 級高度的高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，國家抗震規(guī)范有著明確的要求。每一座150m 左右高度的B 級高度的超高超限塔樓，由于各自的柱網(wǎng)尺寸、層高分布、建筑平面布置的不同，其結(jié)構(gòu)存在著不盡相同的抗震性能與薄弱環(huán)節(jié)。本文以實際具體工程為例，對結(jié)構(gòu)從整體抗震性能到局部薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了多軟件、多方法的計算與分析，并提出針對性的加強措施，可以為同類型結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計提供參考。

1 工程概況

本項目位于南京湖南路商業(yè)圈核心地段，商業(yè)價值巨大。本項分為ABCEFG 六個地塊，總建筑面積526 000m，主要建筑功能為商業(yè)、辦公及配套設(shè)施。

項目中的B 地塊，由地上B-1#、B-2#塔樓、B-3#裙樓和地下連成整體4 層地下室組成。地上各棟塔樓之間均設(shè)置抗震縫形成3 個結(jié)構(gòu)單元。圖1 為建筑效果圖，圖2 為B-1#、B-2#塔樓與B-3#裙樓的二層平面圖。B-1#樓地上33 層，總高為145.85m；B-2#樓地上23 層，總高為93.10m，底部為6 層商業(yè)，以上層為辦公；B-3#樓為6 層商業(yè)裙房，總高33.10m。

圖1 建筑效果圖

圖2 B-1#塔樓、B-2#塔樓與B-3#裙樓二層平面圖

B-1#塔樓1～6 層層高為6m 與5.4m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.15m，避難層層高4.8m。

本文主要介紹B-1#樓的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計。

2.結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)布置概述

B-1#塔樓高度H=145.85m。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)平面布置呈正方形，L 與B 均為47.4m；塔樓高寬比為3.08。其核心筒平面長、寬分別為22.30m 及24.15m，高寬比為145.85/22.3=6.54。塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3。

圖3 B1-#塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

2.1 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置

塔樓核心筒外墻厚沿高度從800mm 遞減至400mm；連梁截面高度：首層為1 100mm、2～6 層為750mm、避難層（兼設(shè)備層）為900mm、標(biāo)準(zhǔn)層為700mm。

周邊框架柱與框架梁封閉貫通布置。23 層以下采用組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件框架柱，截面邊長由低層到高1400mm 逐步收至1200mm，內(nèi)置正方十字形型鋼鋼骨；23 層以上均為普通鋼筋混凝土柱，截面邊長由1 200mm 逐漸縮小至1 000mm；23 層以下圓柱的截面直徑由Φ1 500mm 逐步減小至Φ1 200mm，內(nèi)置45°斜放十字形型鋼，23 層以上均采用普通鋼筋混凝土柱，直徑由Φ1 200mm 逐步減小至Φ1 000mm，框架柱上下軸心位置均一致。

標(biāo)準(zhǔn)層橫向框架梁截面700mm×700mm、外圍框架梁高X、Y 向均為700mm×700mm，角部斜向框架梁為700m×950。

框架柱及核心筒的混凝土強度等級由底至頂從C60 梯減為C35；框架梁及板的混凝土強度等級從C35 減為C30；鋼骨混凝土框架柱型鋼強度等級為Q355B。

2.2 樓蓋結(jié)構(gòu)布置

核心筒內(nèi)外均采用現(xiàn)澆混凝土梁板結(jié)構(gòu)樓蓋體系。次梁跨度6～12m，次梁高度600～700mm；樓蓋典型樓板厚110mm，加強部位板厚150～180mm。

2.3 基礎(chǔ)及塔樓嵌固端設(shè)計

基礎(chǔ)形式為鉆孔混凝土灌注樁+筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置深度為21.50m，與主樓高度比為1/6.78，基礎(chǔ)底面未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）的結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定要求。

地下室頂板結(jié)構(gòu)布置及配筋采取規(guī)范構(gòu)造要求，層剛度比驗算結(jié)果滿足“地下一層與首層側(cè)向剛度比不小于2”的《高規(guī)》與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）的要求，同時考慮地震水平力可靠傳遞，對塔樓首層樓板與地庫頂板連接高差處周邊設(shè)置加腋等措施，實現(xiàn)地下室頂板作為塔樓結(jié)構(gòu)的嵌固端。

3.結(jié)構(gòu)超限判別與抗震性能目標(biāo)

3.1 設(shè)計參數(shù)

塔樓建筑設(shè)計使用年限為50 年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級：核心筒與框架為一級，次梁與樓板為二級，建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類。塔樓抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的核心筒抗震等級為特一級，框架抗震等級為一級。

工程抗震設(shè)防烈度為7 度。地震動參數(shù)：設(shè)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期T為0.45s。

風(fēng)荷載作用的基本風(fēng)壓：位移和變形計算時取50 年一遇為0.40 kN/m，構(gòu)件承載力設(shè)計時按0.40 kN/m的1.1 倍取值，舒適度計算時按10 年一遇取值為0.25 kN/m。地面粗糙度為C類。承載力計算時，風(fēng)荷載體形系數(shù)考慮高樓間相互干擾增大系數(shù)1.10。

3.2 結(jié)構(gòu)超限判別

根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》（簡稱《要點》）及《江蘇省房屋建筑工程抗震設(shè)防審查細(xì)則》（簡稱《細(xì)則》），塔樓含有以下超限項：（1）屬于超A 級高度B 級高度的高層建筑；（2）規(guī)定水平力偶然偏心影響的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2（最大比值達(dá)到1.32，發(fā)生在1 層Y 向負(fù)偏心），扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；（3）一層大堂上空及六層影院樓板開洞面積大于30%，最大達(dá)42%，存在樓板不連續(xù)；（4）局部一層越二層存在穿層柱。以上均為一般超限項，不存在嚴(yán)重超限項。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

塔樓結(jié)構(gòu)高度145.85m 略超A 級高度限值130m，且結(jié)構(gòu)不規(guī)則項以及超規(guī)范適用指標(biāo)數(shù)值和程度超量較少，參照《高規(guī)》第3.11 節(jié)及其條文說明，塔樓結(jié)構(gòu)整體抗震性能目標(biāo)設(shè)定為D 級。具體構(gòu)件性能的實現(xiàn)要求如表1 所示。

表1 構(gòu)件抗震性能設(shè)計目標(biāo)

3.4 針對性抗震加強措施

根據(jù)本項目結(jié)構(gòu)特點以及超限情況，設(shè)計采取以下針對性加強措施：

（1）本塔樓樓板邊界挑出外框架3.5m，框架柱、梁截面與剛度較大。二道防線計算結(jié)果顯示塔樓框架部分分配的地震剪力多數(shù)樓層大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的20%。對此本工程超限專項審查專家給出意見：“考慮到規(guī)范對框筒結(jié)構(gòu)二道防線調(diào)整的要求，確保二道防線的能力，框架剪力調(diào)整：底部加強區(qū)以及以上一層取0.25V和1.5V的較小值，其他部位取0.20V和1.5V的較小值”。施工圖設(shè)計按審查意見進(jìn)行框架剪力調(diào)整。

（2）二層樓板大堂上空區(qū)缺失、六層樓板影院上空開大洞等樓板平面剛度削弱情況，補充中震作用下的樓板承受拉、壓應(yīng)力驗算；對樓板主拉應(yīng)力集中部位進(jìn)行板厚及配筋的加強，確保水平力順利傳遞。樓板應(yīng)力分析結(jié)果詳見第5 章“中震作用下樓板應(yīng)力專項分析”。

（3）結(jié)構(gòu)底部一層大堂5 根穿層柱抗側(cè)剛度較弱可能導(dǎo)致周圍普通框柱先于穿層柱出現(xiàn)塑性鉸破壞，水平地震力將逐漸傳至穿層柱。應(yīng)對加強措施：①穿層柱性能目標(biāo)：抗彎及抗剪按中震彈性設(shè)計；②考慮穿層柱變形協(xié)調(diào)作用：柱復(fù)合箍筋全跨加密，加強柱兩端周圍梁板的配筋，樓板厚度不小于150mm，雙層雙向配筋，單層單方向配筋率不少于0.25%。③剪力調(diào)整：穿層柱地震作用下剪力按周邊柱中最大者進(jìn)行放大，確保其抗剪承載力不低于周邊非穿層柱。計算結(jié)果詳見第6 節(jié)“穿層柱承載力專項分析”。

（4）六層存在樓板開洞形成外圍框架中柱單向兩層通高狀態(tài)，設(shè)計采取對其柱截面和內(nèi)插型鋼均同塔樓底部大堂區(qū)形成的穿層柱，約束條件相對更好。根據(jù)對底部穿層柱驗算結(jié)果，六層單向穿層柱承載力及穩(wěn)定滿足設(shè)計要求。

4 計算分析

4.1 多遇地震作用的彈性分析

4.1.1 反應(yīng)譜分析

對整體結(jié)構(gòu)采用SATWE（v3.2 版）以及ETABS（v 16 版）兩種軟件進(jìn)行考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法即CQC 法的計算與對比。結(jié)構(gòu)自振周期、最大層間位移角、扭轉(zhuǎn)位移比、底部剪力、剪重比等主要指標(biāo)結(jié)果如表2。

表2 小震反應(yīng)譜計算主要指標(biāo)

多遇地震的反應(yīng)譜計算分析總結(jié)：

（1）結(jié)構(gòu)周期T1 為X 向平動，T2 為Y 向平動，T3 為扭轉(zhuǎn)周期。周期比T3/T1 為0.83，小于限值0.85，滿足規(guī)范要求。

（2）考慮±5%偶然偏心影響的規(guī)定水平地震力作用下的最大層間位移比為1.32（第1 層），小于限值1.40，大于1.20，滿足規(guī)范要求，且存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

（3）塔樓在地震作用下樓層最大層間位移角1/1039，小于限值1/800，滿足規(guī)范要求。

（4）塔樓結(jié)構(gòu)豎向體型規(guī)則，豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)?？紤]層高修正的塔樓側(cè)向剛度沿豎向分布均勻，無剛度突變。全樓樓層抗剪承載力比最小值0.90（第1 層），大于0.75，滿足規(guī)范對B 級高層要求。

（5）根據(jù)《高規(guī)》第4.3.12 條，塔樓X、Y 向樓層最小地震剪力系數(shù)通過線性插值為：=0.0148，=0.0153。計算結(jié)果顯示底部4 層兩方向結(jié)構(gòu)剪重比略小于規(guī)范要求，但均大于限值的85%。依據(jù)《細(xì)則》第2.7 條第6 款的規(guī)定：“基本周期小于5s 的結(jié)構(gòu)，計算的底部剪力系數(shù)不低于規(guī)定值的85%時，底部剪力系數(shù)即可采用規(guī)范規(guī)定的最小值進(jìn)行設(shè)計”，故可不調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，即采用剪力調(diào)整方法滿足最小剪力要求。X 向全樓層地震剪力調(diào)整系數(shù)1.09，Y 向全樓層地震剪力調(diào)整系數(shù)1.13。

（6）從表2 可以看出，SATWE 和ETABS 兩軟件計算結(jié)果相近，差別在5%以內(nèi)，計算結(jié)論準(zhǔn)確、可靠。

4.1.2 多遇地震作用下彈性時程分析

塔樓采用SATWE 軟件進(jìn)行了彈性時程分析作為多遇地震的補充計算，與反應(yīng)譜法進(jìn)行對比。分析匹配選出7 條地震波（5 條天然波+2 條人工波）。圖4 為7 條地震波反應(yīng)譜平均值與規(guī)范反應(yīng)譜的比較，在結(jié)構(gòu)T1，T2，T3 周期點上的值差別在20%以內(nèi)，滿足規(guī)范對所選波的要求。

圖4 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜對比圖

表3 為彈性時程分析法與反應(yīng)譜法計算出的底部剪力的對比。計算結(jié)果表明每條時程波算得的結(jié)構(gòu)底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，7 條時程曲線算得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值也大于反應(yīng)譜法算得的底部剪力的80%，滿足規(guī)范要求。

表3 底部剪力結(jié)果時程分析法與規(guī)范反應(yīng)譜法對比

圖5 為樓層地震剪力對比圖。圖中顯示，高位樓層地震波產(chǎn)生的樓層剪力略大于反應(yīng)譜法的計算結(jié)果，需要按比例放大樓層剪力進(jìn)行構(gòu)件承載力驗算，各層調(diào)整系數(shù)如表4。小震構(gòu)件承載力設(shè)計時，將此表的調(diào)整系數(shù)填入SATWE 參數(shù)補充定義中“地震作用調(diào)整”的“分層指定放大系數(shù)”表中進(jìn)行計算，取得彈性時程波和反應(yīng)譜計算的包絡(luò)結(jié)果。

表4 反應(yīng)譜計算樓層地震力調(diào)整系數(shù)表

圖5 X，Y 向地震剪力隨樓層分布圖

4.2 設(shè)防地震和預(yù)估罕遇地震作用下反應(yīng)譜分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)要求，塔樓分別進(jìn)行了中震彈性、中震不屈服以及大震不屈服計算。計算結(jié)果分析如下：

（1）1～4 層（底部加強區(qū)）核心筒剪力墻斜截面以及框架柱的正截面與斜截面均滿足中震彈性要求。

（2）1～6 層正截面、4 層以上斜截面的核心筒剪力墻，以及4 層以上框架柱的正截面與斜截面均滿足中震不屈服要求。

（3）1、2 層核心筒四角剪力墻個別墻肢出現(xiàn)小偏心受拉工況，如圖5 所示。取中震作用下X、Y 向地震、X、Y 向正負(fù)偏心地震、XY 雙向地震的各工況中最大軸拉力算得平均名義拉應(yīng)力σ，對于σ 大于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值f的墻肢均設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，且設(shè)置型鋼后，所有偏心受拉墻肢平均明義拉應(yīng)力均小于2f。名義拉應(yīng)力計算見表5。

圖6 中震下一層核心筒軸拉比（設(shè)置型鋼前）

表5 中震下核心筒墻肢名義拉應(yīng)力計算

（4）在預(yù)估罕遇地震作用下塔樓抗側(cè)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件剪壓比均滿足規(guī)范的截面限值條件。

4.3 罕遇地震作用下彈塑性時程分析

塔樓采用PERFORM-3D 三維結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估軟件進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。計算結(jié)果顯示：

結(jié)構(gòu)X、Y 方向最大基底剪約為多遇地震CQC 基底剪力的3.01 倍和2.80 倍。

最大彈塑性層間位移角為1/107，小于大震下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/100 的規(guī)范要求。

核心筒連梁90%以上產(chǎn)生塑性變形，有效地起到了“保險絲”的作用；有20%以上的梁出現(xiàn)了塑性變形，實現(xiàn)了預(yù)期的強柱弱梁的損傷機制。

核心筒墻、框架型鋼柱總體處于受壓狀態(tài)，且最大壓應(yīng)變均未逾越0.6 倍的極限壓應(yīng)變，混凝土不會發(fā)生壓潰等破壞。

罕遇地震下性能化分析驗證了塔樓結(jié)構(gòu)在預(yù)估大震作用下能夠有效地形成合理的損傷機制，并且滿足預(yù)期設(shè)定的抗震性能目標(biāo)。

5 中震作用下樓板應(yīng)力專項分析

樓板在承受和傳遞豎向力、水平力的同時還承擔(dān)著協(xié)調(diào)墻柱、梁板各構(gòu)件之間的變形。當(dāng)樓板開大洞不連續(xù)時，板中應(yīng)力（正截面拉壓應(yīng)力、面內(nèi)剪應(yīng)力）處于較復(fù)雜的分布狀態(tài)，樓板平面內(nèi)軸力不可忽視，對于板洞邊等樓板薄弱部位，需要采取加強措施。采用PMSAP 有限元分析軟件進(jìn)行整體分析，樓板設(shè)為彈性樓板6，考慮樓板的面內(nèi)與面外實際剛度，網(wǎng)格剖分采用四邊形單元。圖7～9 為二層、六層、八層中震組合工況下的樓板主應(yīng)力S1 分布。分析結(jié)果顯示：

圖7 （1.0 恒0.5 活1.0X 震）荷載組合下二層板面內(nèi)主應(yīng)力S1 分布圖（單位kN/m2）

圖8 （1.0 恒0.5 活-1.0 X 震）荷載組合下六層板面內(nèi)主應(yīng)力S1 分布圖（單位kN/m2）

圖9 （1.0 恒0.5 活-1.0 Y 震）荷載組合下八層板面

中震作用下，核心筒內(nèi)外樓板絕大部分區(qū)域主拉應(yīng)力幅值在2000kN/m以下，小于C30 樓板軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值f=2010 kN/m，樓板處于彈性狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

核心筒外側(cè)周邊與剪力墻、連梁相鄰的樓板（距核心筒外墻1.5m 范圍內(nèi)樓板）、以及樓板開大洞洞角區(qū)域，存在較大拉應(yīng)力區(qū)，局部區(qū)域混凝土主拉應(yīng)力已超過樓板軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值f=2010 kN/m。經(jīng)考察主拉應(yīng)力S1 均在3000kN/m以下。應(yīng)對加強措施：對塔樓底部1～12 層核心筒周邊以外1.5m 范圍板厚由原來110～150mm 加厚為180mm，且雙層雙向配筋，配筋滿足SATWE 與PMSAP 的包絡(luò)。該區(qū)加厚之后樓板處于彈性狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。圖10 為加厚樓板節(jié)點。

圖10 核心筒外側(cè)周邊樓板加厚區(qū)示意

6 穿層柱承載力專項分析

首層5 個穿層柱KZ1～KZ5 布置見圖11。對該5 柱按照周邊非穿層柱中最大的地震作用下剪力放大，統(tǒng)計出X，Y 向剪力放大系數(shù)見表6。剪力放大后，穿層柱抗剪承載力配筋見表7。

圖11 一層越二層穿層柱編號

表6 穿層柱剪力放大系數(shù)

表7 穿層柱剪力放大后抗剪承載力計算配筋

表7 表明，穿層柱在剪力放大后小震、中震下的抗剪承載力配筋基本一致，均為構(gòu)造配筋。配置復(fù)合箍筋HRB300級φ14@100（6）肢，即由小震的抗震等級控制穿層柱箍筋配筋。

根據(jù)KZ1～KZ5 的混凝土強度C60 以及所配置箍筋、縱筋以及柱內(nèi)型鋼，采用Xtract 軟件，得到方柱和圓柱的正截面承載能力P-M 曲線，如圖12、13 所示?？疾旄鞔又母鹘M合工況下內(nèi)力，均落在曲線內(nèi)部，表明穿層柱截面與配筋滿足設(shè)計要求。

圖12-1 方柱P-Mx 曲線

圖12-2 方柱P-My 曲線

圖13-1 圓柱P-Mx 曲線

圖13-2 圓柱P-My 曲線

7 結(jié)語

針對B-1#塔樓B 級高度、平面及扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、局部樓板不連續(xù)、局部含有穿層柱的超限高層建筑結(jié)構(gòu)，采用了基于性能的抗震設(shè)計方法進(jìn)行計算與分析，并對薄弱部位的結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取了針對性的加強措施。計算結(jié)果中各項指標(biāo)基本滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)。本結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計安全可行。