南京金融城二期C3塔樓結(jié)構(gòu)分析與設計

付宗超

（華東建筑設計研究總院，上海 200002）

1 工程概況

南京金融城二期項目位于江蘇省南京市建鄴區(qū)河西新城的中軸線上，嘉陵江東街以南，雨潤大街以北、東至廬山路、西至江東中路。本項目C3塔樓建筑大屋面高為188.6 m，建筑面積約8.43萬m2。地下5層，主要建筑功能為設備用房與車庫；塔樓地上49層，1～4層為商業(yè)，層高為4.5 m，5層以上為公寓，標準層層高為3.6 m。建筑平面在41層及之上收進右側(cè)半個平面，僅留下左側(cè)半個平面延伸到頂部49層。建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural effect drawing

本工程結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級?？拐鹆叶葹?度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45 s，抗震設防類別為標準設防類。風荷載的地面粗糙度為C類，50年一遇基本風壓為 0.4 kN/m2[1]。

2 結(jié)構(gòu)體系

塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其中框架由鋼骨混凝土柱、鋼梁組成，核心筒為鋼筋混凝土核心筒，塔樓結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成如圖2所示。核心筒左側(cè)外圍墻肢厚度由底部900 mm向上減至500 mm，右側(cè)外圍墻肢厚度由底部800 mm向上減至400 mm，內(nèi)部墻肢厚度350 mm；框架柱截面根據(jù)上部樓層高度，左側(cè)柱截面由1 400 mm×1 400 mm往上收至1 100 mm×1 100 mm，右側(cè)柱截面由底層的1 300 mm×1 300 mm往上收至1 000 mm×1 000 mm。

圖2 塔樓結(jié)構(gòu)體系示意圖Fig.2 Diagram of tower structural system

結(jié)構(gòu)底部平面尺寸約為45.2 m×40.7 m，結(jié)構(gòu)高寬比約為5.0，未超過規(guī)范規(guī)定最大高寬比7.0的要求。核心筒底部尺寸約為19.0 m×16.5 m，核心筒高寬比約為11.4，未超過規(guī)范不宜大于12的要求。結(jié)構(gòu)在標高159.5 m以下是外邊進行造型處理的接近矩形平面，標高159.5 m～188.6 m變成一個右半邊收掉的平面，結(jié)構(gòu)典形樓層平面圖見圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.3 Structural layout plan

3 結(jié)構(gòu)超限判別及抗震性能目標

按建質(zhì)[2015]67號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術(shù)要點》，C3塔樓結(jié)構(gòu)高度188.6 m＜190 m，高度不超限，但存在以下不規(guī)則項：1a）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；1b）偏心布置，41F以上樓層偏心率大于15%；2）樓板不連續(xù)，2F樓板有效寬度小于50%；3）尺寸突變，41F以上豎向構(gòu)件縮進約50%；4）局部構(gòu)件轉(zhuǎn)換。

根據(jù)塔樓的超限情況，結(jié)合項目抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)特點、建造費用、震后損失和修復難易程度等[2]各項因素后確定塔樓的抗震性能目標見表1。

表1 結(jié)構(gòu)抗震性能目標[3]Table 1 Seismic performance of structure

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 小震彈性反應譜分析

采用YJK和ETABS兩件軟件進行小震下的結(jié)構(gòu)對比分析，計算結(jié)果匯總見表2。由計算結(jié)果可知，兩種軟件的計算結(jié)果比較接近。結(jié)構(gòu)的周期比、位移角、剪重比等指標均能滿足高規(guī)的相應要求。

表2 結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果Table 2 Whole structure dynameic characteristic

4.2 小震彈性時程分析

選用五條天然波和兩條人工波，地震波的加速度時程曲線及其反應譜與安評反應譜的對比如圖4所示，天然波及人工波的加速度時程曲線的有效時長均大于結(jié)構(gòu)基本周期的5倍且不小于15 s，7條地震波作用下的底部剪力平均值不大于振型分解反應譜法得到的相應樓層剪力值，且不小于反應譜所得值的80%，滿足規(guī)范要求。7條波的平均值顯示，兩個方向的最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/650，彈性時程分析的樓層位移角曲線見圖5。

圖4 加速度時程反應譜與設計反應譜比較Fig.4 Comparison between acceleration time history response spectrum and design response spectrum

圖5 彈性時程分析樓層位移角曲線Fig.5 Interlayer displacement angle curve of elastic time history analysis

長周期高柔結(jié)構(gòu)在高階振型的影響下，其頂部樓層的鞭梢效應開始顯現(xiàn)，動力時程分析往往較反應譜法得到的地震層剪力大。根據(jù)以上7條地震波作用下各層剪力的平均值與反應譜法得到的地震層剪力的比較，頂部樓層的時程結(jié)果相對較大，須對反應譜法所得值進行調(diào)整，調(diào)整系數(shù)詳表3。從表中可以看出，由于結(jié)構(gòu)在41F以上X方向存在立面收進，X方向的鞭梢效應相對更加顯著。

表3 地震剪力調(diào)整系數(shù)Table 3 Adjustment factor of seismic shear force

4.3 中震等效彈性反應譜分析

根據(jù)抗震性能目標，中震下底層墻肢抗剪彈性抗彎不屈服，立面收進處抗彎彈性。對結(jié)構(gòu)進行等效彈性的反應譜分析，參數(shù)設置如表4所示。

表4 中震等效彈性分析參數(shù)Table 4 Equivalent elastic analysis parameters of moderate earthquakes

中震下結(jié)構(gòu)最大為位移角為1/286（x向）、1/275（y向），核心筒墻肢在1F及41F（立面收進層）出現(xiàn)拉應力，通過在核心筒角部設置型鋼，控制墻肢等效拉應力小于2ftk（墻體混凝土抗拉強度標準值）。墻肢拉應力與2ftk之比的分布如圖6、圖7所示。

圖6 中震作用下1F墻肢拉應力/2ftkFig.6 Tensile stress of 1F wall under moderate earthquake/2ftk

圖7 中震作用下41F墻肢拉應力/2ftkFig.7 Tensile stress of 41F wall under moderate earthquake/2ftk

4.4 罕遇地震動力彈塑性時程分析

采用基于抗震性能設計（PBSD）為目標的結(jié)構(gòu)非線性分析與性能評估軟件Perform-3D軟件對整體結(jié)構(gòu)進行了大震彈塑性時程分析。共計算7組地震波，并對結(jié)構(gòu)性能進行評價，結(jié)構(gòu)在七組地震波作用下的樓層位移角曲線如圖8所示，主體結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角X向為1/155，Y向為1/151，滿足框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系1/100的規(guī)范限值要求，結(jié)構(gòu)最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設防要求。

圖8 不同波組對應的層間位移角曲線Fig.8 Story drift curves corresponding to different wave groups

結(jié)構(gòu)在典型大震彈塑性時程工況下的頂點位移與大震彈性時程況下的頂點位移曲線對比如圖9所示，從圖中可以看出，大震彈塑性分析頂點位移小于大震彈性分析結(jié)果，經(jīng)過第一個較大位移峰值后，彈塑性分析頂點時程曲線峰值向后推移，說明隨著結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的剛度有所減小、周期有所增加。

圖9 典型地震波工況下塔樓頂點位移時程曲線Fig.9 Top displacement time history curve of tower under typical seismic wave

在罕遇地震作用下，塔樓結(jié)構(gòu)僅少部分外框梁出現(xiàn)輕微的塑性損壞，大部分外框梁和全部外框柱基本處于彈性工作狀態(tài)，塔樓外框架可以起到抗震二道防線的作用；核心筒連梁整體損壞程度比較嚴重，連梁屈服后，形成較好的耗能機制，可以有效地耗散地震輸入的能量，并保護了核心筒墻肢；核心筒墻肢整體損壞程度較輕，豎向和水平鋼筋均未屈服，混凝土受壓應變不超過其受壓峰值應變，滿足預設性能目標的要求；塔樓鋼骨混凝土柱性能滿足和大震輕度損壞；塔樓鋼梁的性能可滿足大震輕度損壞[4]。塔樓核心筒墻肢性能狀態(tài)如圖10所示。

圖10 核心筒剪力墻墻肢性能狀態(tài)Fig.10 Performance state of core tube shear wall

綜上所述，本結(jié)構(gòu)抗震性能良好，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下基本達到抗震性能目標，滿足所設定的抗震性能要求。

5 針對立面收進專項分析

5.1 豎向荷載下的水平位移

由于結(jié)構(gòu)立面收進，收進層以上豎向荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心作用，為減少荷載重心偏置的影響，增加了結(jié)構(gòu)西側(cè)的框架柱及核心筒墻體的截面，使各樓層的豎向構(gòu)件軸壓比盡量均勻。

盡管采取了對豎向構(gòu)件的調(diào)整措施，但在豎向荷載偏心作用下，上部結(jié)構(gòu)的偏心壓力對收進位置以下的平面會產(chǎn)生附加傾覆力矩，為了平衡，收進位置附近樓層的梁板平面內(nèi)會形成拉力或壓力，即對豎向構(gòu)件產(chǎn)生一定的水平剪力，結(jié)構(gòu)在樓層附加水平剪力作用下產(chǎn)生了水平位移，而且越靠近收進部位的樓層其水平位移越大[6]。恒活標準組合工況下，結(jié)構(gòu)收進層（F41層）的X向水平位移最大，最大值約為35 mm。

豎向荷載偏心作用產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)水平變形會影響電梯井、設備管井等豎向井道的使用，應當引起重視。基礎設計時塔樓的群樁的形心應與荷載重心重合，需要在施工過程中采取一定的預調(diào)整措施。

圖11 豎向荷載作用下的結(jié)構(gòu)水平變形Fig.11 Horizontal deformation of structure under vertical load

5.2 立面收進樓層樓板應力分析

YJK的樓板應力分析功能，對樓面收進底部樓層（40F）指定為彈性板6，按中震彈性性能目標驗算樓板應力。在中震作用下，樓板應力分布如圖12所示。在中震標準值作用下，除墻角、柱角等處樓板出現(xiàn)了應力集中，大部分樓板的應力在1.0 MPa以內(nèi)，部分應力集中處樓板應力最大值達到4 MPa，大于樓板的混凝土抗拉強度標準值，需配置附加鋼筋以抵抗相應水平內(nèi)力。40F樓板設計厚度180 mm，除考慮豎向荷載作用下的配筋外，另配置雙層雙向附加鋼筋14@150以抵抗水平內(nèi)力。

圖12 40F（收進起始層）X方向中震樓板應力圖Fig.12 Stress diagram of 40F（retracted floor）floor with moderate earthquake in X direction

5.3 立面收進墻體應力分析

在豎向荷載和雙向地震作用下，大部分墻肢的剪應力水平較低，墻體剪應力并未因出現(xiàn)立面收進層而發(fā)生明顯突變。對于豎向荷載和地震作用引起的剪應力集中（主要出現(xiàn)在梁端和洞口角部），可通過適當增加洞邊邊緣構(gòu)件和梁端暗柱及連梁配筋來對墻體進行加強[7]。通過對墻體的正應力可以看出，在1.0恒載+0.5活+1.0中震工況，除去連梁梁端的應力集中，部分墻肢會出現(xiàn)拉應力，拉應力在立面收進處出現(xiàn)峰值。墻肢拉應力峰值出現(xiàn)在立面收進處的角部，但平均拉應力水平較低。在X方向地震力作用下，立面收進層的墻肢拉應力峰值達到5 MPa，但受拉墻肢的平均拉應力小于2倍的混凝土軸心抗拉強度標準值（混凝土強度等級為C50，2ftk=5.28 MPa）。這和墻肢的軸拉力分析結(jié)果也基本一致。對這些立面收進層及相鄰層出現(xiàn)拉應力的墻肢，通過加強配置豎向鋼筋予以加強。

5.4 針對立面收進的結(jié)構(gòu)加強措施

針對塔樓立面收進層的特點，結(jié)構(gòu)設計時根據(jù)結(jié)構(gòu)整體計算分析的結(jié)果采取了以下加強措施：

圖13 40層（收進起始層）Y方向中震樓板應力圖Fig.13 Stress diagram of 40F（retracted floor）floor with moderate earthquake in Y direction

圖14 收進上下樓層處墻肢的剪應力分布Fig.14 Shear stress distribution of wall limb at the upper and lower floors of retraction

（1）收進后的剪力墻布置成閉合的筒體。

（2）結(jié)構(gòu)上部樓層的地震剪力按彈性時程的增大系數(shù)，充分計算結(jié)構(gòu)頂部的鞭梢效應。

（3）對收進起始樓層樓板進行應力分析，收進層樓板厚度適當加大，采用雙層雙向配筋。

（4）對收進層及相鄰上下多層進行剪力墻應力分析，加強墻肢和連梁的配筋。對于尺寸突變的41層下部兩層和上部兩層的核心筒剪力墻采用約束邊緣構(gòu)件。收進處柱子截面不減小往上延伸兩層，柱配筋增加至2.5%，柱箍筋直徑提高一檔配置；收進處以上兩層墻肢根據(jù)計算增設型鋼，控制中震彈性工況下的截面名義拉應力不大于ftk，同時豎向鋼筋配筋率增大至1.5%，并延伸至收進處下二層墻體。

6 結(jié)論

（1）C3塔樓采用了成熟的型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，平面基本規(guī)則、豎向剛度無較大突變。按照相關規(guī)范和超限高層結(jié)構(gòu)審查技術(shù)要點，采取了針對性的抗震構(gòu)造措施；整體結(jié)構(gòu)及構(gòu)件設計采用了性能化設計方法，主要抗側(cè)力構(gòu)件滿足設定的性能化目標；周邊框架柱和軸壓比不滿足規(guī)范要求的墻肢中設置了鋼骨，控制截面尺寸，提高了構(gòu)件延性。

（2）對結(jié)構(gòu)進行了大震彈塑性時程分析，分析結(jié)果表明，大震下核心筒連梁首先進入塑性耗能，保護了核心筒墻肢，核心筒墻肢及外框架整體損壞程度較輕。主體結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角滿足框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系1/100的規(guī)范限值要求，滿足“大震不倒”的設防要求。

（3）塔樓建筑在較高的部位存在不對稱的立面收進，針對頂部的立面偏心收進，采取了控制每層墻、柱軸壓比差合理選擇截面，將收進層的下部兩層和上部兩層的豎向構(gòu)件設置為關鍵構(gòu)件，提高其抗震性能目標，并進行收進層的樓板應力分析、剪力墻應力分析，根據(jù)分析的結(jié)果采取相應的加強措施，保證結(jié)構(gòu)的整體安全性，能滿足預期的建筑使用功能要求。

（4）在豎向荷載作用下，塔樓不對稱立面收進會導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移，這對于超高層建筑中的電梯井、設備管井等豎向井道的使用會產(chǎn)生一定的影響，需要在施工過程中采取相應的預調(diào)整措施。