江西商联中心超限高层基于性能的抗震设计

邓声祥 江西省建筑设计研究总院，南昌 330046

1 工程概况

江西商联中心位于南昌市红谷滩新区凤凰洲，场地东侧为赣江北大道、北侧为长江路、西侧为红谷北大道、南侧为锦江路，场地紧邻赣江，总建筑面积为260184.11m2。本工程由2座塔式超高层建筑及裙楼组成，如下图所示，B1塔为237.9m高办公楼，建筑面积148585m2；B2塔241.7m高商务办公楼，建筑面积111599.11m2。地下室3层。塔楼主要功能为超5A甲级写字楼、高端酒店式公寓、超五星酒店和顶级会所，裙楼为高端商业购物中心，建成后将成为南昌城市的新地标。

江西商联中心鸟瞰图

2 结构概念设计

2.1 设计参数

塔楼设计使用年限为50年，建筑安全等级底部加强区一级，地面粗糙度为B类；地下三层部分区域按甲类防空地下室设计，抗力等级为核6级，常6级，防化丙级，战时功能为二等人员掩蔽及物资库；高度类别为超B级高度，基本风压值0.45kN/m2（10年一遇），地面粗糙类别为B类，基本雪压值0.45kN/m2，风载体型系数取1.4；本地区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑物地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35S，结构的阻尼比为0.035。中震及罕遇地震的阻尼比取为0.05。

2.2 塔楼结构体系

经过方案计算比选，最终确定采用框架-核心筒体系作为塔超高层写字楼及酒店结构体系，即采用钢管混凝土柱+钢筋混凝土梁（酒店框架梁采用钢骨混凝土梁）+钢筋混凝土核心筒（局部墙加构造钢骨）结构体系。

2.3 结构布置

结构布置，应采用概念清晰、传力路径明确的结构布置，避免造成结构扭转、平面和立面里出外进、竖向传力构件不连续、刚度突变等不规则。注意把握抗震墙布置、结构的协同工作、上部结构和基础协调变形、各结构构件具有合理的承载力和延性等问题。

（1）竖向核心筒、框架柱单元布置

混凝土核心筒是整个结构体系中主要的抗侧力构件，承担着整座大厦的水平荷载的大部分。所以，应使核心筒各个方向具有较大的刚度和一定延性，让核心筒在整座大厦在抵抗抗推、抗剪、抗扭效应中真正起到“核心”作用。

1）塔楼层平面采用核心式建筑布置方案，将水平竖向交通系统、消防排烟送风系统、供电供水系统全部集中设置在核心筒内，在建筑周边散落间距为9米的稀疏框架柱。为减小公摊增加得房率，框架柱和核心筒间距达到12～15米。为满足立面造型沿高度变化，要求框架柱沿着建筑立面平面同样进行变化，部分框架柱为斜柱。

2）为缩小核心筒面积，达到最大的得房率指标，主要抗侧力墙体沿着核心筒筒体周边布置，并根据受力要求沿高度方向减薄墙体，使得中高区楼层得房率提高，也使得中高区地震反应效应减小。同时，主要抗侧力墙体沿着核心筒筒体周边布置也增加了筒体抗推、抗扭刚度，达到节约材料目的。

3）同理可得，尽量控制核心筒筒体内墙体厚度最小化，达到缩小核心筒面积。

（2）水平框架梁单元布置

1）标准层进行楼面梁布置，恰当安排各层梁板的走向，以便让尽可能多的楼面重力直接传递到核心筒，加大其筒壁的竖向压应力，以提高核心筒的受剪承载力和抵抗倾覆力矩的能力。

2）地下室顶板作为结构的嵌固部位，必须满足受力和规范要求的强柱根原则，保证嵌固端梁承载力和刚度大于框架柱。为此，结合建筑图，在首层设置截面较大的框架梁。

3）薄弱层进行楼面梁布置时，B1塔楼门厅二层及46、47层酒店大堂通高，二层楼板开洞超过50%且无拉梁，46、47层楼板也有开大洞现象。二层为整栋建筑的底部加强区，保证该部位结构构件受力性能稳定和结构整体牢固性对整栋建筑的抗侧体系尤为重要。为了增强对跃层柱的支撑作用，保证跃层柱整体稳定性，本案采用型钢混凝土梁约束钢管混凝土柱并加大钢骨梁截面，使其在大震下刚度不退化、保持弹性。

4）避难层进行楼面梁布置，B1塔沿高度方向存在三个层高为4.5米的避难层，层高相对上下相邻层层高有突变，也即刚度存在突变；该层也作为设备转换层，楼面荷载相对上下相邻层较大，也即存在质量突变；鉴于此，适当加大避难层框架梁截面尺寸，加强避难层水平构件刚度，增强外框架柱和核心筒的连接，使结构刚度沿高度方向更加平滑。

（3）剪力墙开洞布置

框架-核心筒结构体系，需要重点强调核心筒的整体牢固性，让核心筒在承受各方向作用效应下，其承载力和延性一枝独秀，起到真正核心的作用。加强核心筒的整体牢固性也是区别框架剪力墙体系的关键。

本项目B1塔楼核心筒特点：核心筒平面大致呈等边切角三角形，空间整体性较好。核心筒平面被低中区电梯前室、高区电梯前室剖分为三部分，电梯前室走向均为X方向，核心筒Y向剪力墙开洞较多，Y向筒体刚度较差；核心筒X向剪力墙未被建筑打断开洞，X向刚度较好。

建筑专业公司和业主要求将建筑物各部位楼层使用净高做到极致，对结构梁高提了很多限制条件。由于核心筒Y向筒体削弱较为严重，需加强Y向筒体刚度和承载力，在满足建筑要求的前提下尽可能加强Y向筒体。由于X向墙体建筑专业公司几乎未开洞，剪力墙呈整片设置，导致X向筒体刚度较大，导致X向墙体耗能能力和延性较差，为保证大震下核心筒墙体的安全性，需要在核心筒X向墙体设置性能优良的耗能构件，无疑采用在剪力墙开结构洞的方式是比较理想的选择。连梁的刚度退化既耗散了地震能量，也增加了结构阻尼，达到良好的力学效果和经济效应。

3 抗震性能设计

3.1 SATWE软件多遇地震作用下及风荷载作用下主要计算结果

工程为超限高层结构，因此采用了SATWE和MIDAS软件进行整体计算分析，以保证分析的可靠性。表1给出了多遇地震作用下结构的反应谱法计算结果，两种程序分析得出的结构反应特征、变化规律基本吻合，说明选用的程序对结构的空间分析能正确反映结构的内力和变形情况。

3.2 主楼Midas building弹性时程分析

用MIDAS Building进行结构的弹性动力时程分析，选用了一个人工波，即：5063-1波，两条天然地震波，即：933BIGEAR.SBR_FN_波，2085NENANA.1734_FP_波；每条地震波均分别进行X向与Y向的加载计算。

主楼MIDAS Building弹性时程分析结果如表2所示。

由以上表的结果可见，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%，均满足规范的要求。根据《高规》取三条时程曲线计算时，结构地震作用效应取时程法与振型分解反应谱法的大值。

表1 塔楼结构主要计算结果

表2 弹性时程分析结果

3.3 动力弹塑性时程分析

按抗震性能设计目标，工程进行了第三水准的大震弹塑性分析，以找出罕遇地震作用下的薄弱部位，对其采取加强措施，确定结构大震不倒的安全性，保证预期抗震性能目标的实现。弹塑性动力时程分析采用Midas building来完成，罕遇地震波由江西省地震局提供的两组天然波和一组人工波，共三组地震波组成，即选用了一个人工波，即：502-2波，两条天然地震波，即：737LOMAP.AGW_FP波，316WESTMORL.PTS_FP波；采用Midas building软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。

国家规范《高规》JGJ3-2010第4.3.5条规定多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。

按照《抗规》大震下性能4结构层间位移参考指标——结构不严重破坏，变形不大于0.9倍塑性变形值，即层间位移角不大于（0.9×1/100=1/111）。3条地震波结果表明结构抗震能力在大震下可以满足性能目标4的要求。

罕遇地震弹塑性时程分析结论：该结构在大震下框架柱仅有轻微损伤，剪力墙墙身损坏轻微，连梁充分发挥了耗能作用，结构耗能及抗震耗能机制合理。

1）在考虑重力二阶效应及大变形的条件下，结构在地震作用下的最大顶点位移为0.54m，并最终仍能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求；

2）主体结构在各组地震波作用下的最大弹塑性层间位移角为1/199，结构的层间位移角曲线无明显较大的突变，表明结构无明显的薄弱层，满足规范要求；

3）剪力墙中的连梁充分发挥了耗能作用。剪力墙损伤基本上集中在连梁上。剪力墙边缘构件损伤轻微，充分地保护了剪力墙墙身安全；

4）在核心筒出现塑性刚度下降后，框架的承载力足够，未出现明显损伤，框架可以起到第二道防线的作用。