南京江北某超高层结构设计

吴 阳

（南京绿弘房地产开发有限公司，南京210000）

1 工程概况

某超高层项目位于南京江北新区，是一幢集甲级写字楼，五星级酒店的大型超高层塔楼，总建筑面积约29.6万m2，塔楼建筑高度600 m，结构高度539.8 m，地上116层，地下4层，办公部分层高4.4 m，酒店层高3.9 m。塔楼的设计灵感来自于南京古城门的拱形结构，在空中大堂中结合拱的形式，实现了对外的无遮挡宽阔视野。本工程塔楼平面布置基本为方形，在四个角部分别设置两个L型巨柱。建筑底部平面尺寸约为57 m×57 m（图1），为满足酒店及结构抗风等要求，向上逐步收窄，上部平面尺寸约为45 m×45 m。

2 主要设计参数

塔楼结构结构设计使用年限50年（耐久性100年），Ⅲ类场地，设计地震分组第一组，根据地勘察报告，场地特征周期为0.475 s，抗震设防烈度7度（0.1 g），水平地震影响系数最大值0.08，抗震设防类别为乙类。弹性指标计算时，地震作用下结构阻尼比0.04，风荷载下结构阻尼比0.03。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）（简称《高规》）第4.2.2条规定，本工程属于超B级高度建筑。

图1 塔楼底部区域结构平面图Fig.1 Tower plan view at low zone

图2 建筑效果图与结构分解图Fig.2 Architecture rendering and structural system

塔楼型钢混凝土巨柱在底部截面宽度2 950 mm，单根巨柱面积约20.6 m2，采用C70混凝土，在上部随着重力荷载的减小，截面宽度逐渐过渡为650 mm，C60标号混凝土；核心筒在底部外墙截面为1 500 mm厚，内墙500 mm厚，配置钢板并采用C60混凝土，向上截面尺寸逐步过渡为500 mm，C50标号混凝土；普通楼面层楼板厚度为120 mm，混凝土标号为C35；伸臂桁架及重力转换组合拱桁架采用Q390GJ钢，其余部分型钢根据具体位置不同采用Q345GJ或Q345钢。

3 结构体系简介

塔楼核心筒内采用钢筋混凝土梁板系统，核心筒与外框之间的楼面体系采用型钢-压型钢板组合楼面。为最大化巨柱系统的材料效率，沿塔楼高度一定间距将重力荷载通过三个空中大堂层的组合拱传递至角部的八根L型巨柱。拱的形式可以简单高效地转换重力荷载，并在空中大堂层形成无柱空间。

图3 塔楼组合拱桁架重力转换体系示意Fig.3 Arch truss transfer system

对于抗侧力体系，由于该项目位于中等地震及中等风荷载区域，因此塔楼需兼顾考虑水平作用下结构整体的刚度及延性。塔楼通过核心筒、角部巨柱及在加强层连接彼此的伸臂桁架（图4、图5），提供足够的抗侧及抗扭刚度。混凝土核心筒连梁及角部巨柱之间的深框架连系梁在地震作用下通过变形耗散地震能量。塔楼外框体系中次框架部分由钢柱和钢梁组成，用于补充主抗侧系统的刚度并提供额外的延性。

4 基础设计

塔楼采用钢筋混凝土钻孔灌注桩及厚筏板基础。方案阶段通过初步计算，在考虑上部结构刚度、桩土共同作用及群桩效应等因素，并结合相关类似地质条件下的实测沉降结果，得到筏板中心沉降约为60 mm，角部最小沉降约为43 mm。结合《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）桩基沉降的计算结果，反推计算确定单桩竖向刚度约为360 kN∕mm。根据以上的计算结果，确定了桩基的设计。桩基础以④3层中风化泥质砂岩作为持力层，端阻力特征值1 400 kPa，单桩抗压竖向承载力特征值为25 000 kN，桩径1 200 mm，有效桩长52.9 m，采用C50水下混凝土。

图4 加强层布置示意图Fig.4 Outrigger truss story

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

5 结构超限情况

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，塔楼存在如表1所示超限内容。

表1 塔楼超限情况汇总Table 1 Tower overlimit summary

由以上超限判别表可以看出，塔楼的超限类别主要是由于结构高度达到了539.8 m并设置了加强层，塔楼整体平面布置对称，竖向收分恰当，平面及竖向刚度分布均匀。

6 结构分析与计算

6.1 结构弹性分析

塔楼结构的主要分析软件为ETABS 17，根据计算，塔楼满足《建筑抗震设计规范》及《高规》中关于首层嵌固的刚度比要求，因此塔楼的刚度模型不包含地下室，强度验算模型中包含有两跨地下室。分析模型采用刚性楼板假定，根据《高规》5.4节，计算得到结构X，Y两个方向上的刚重比均为1.46，根据《高规》5.4.1条，刚重比小于2.7大于1.4，因此计算模型中需考虑重力二阶效应。

结构在小震下X，Y两个方向上最小底部剪力系数分别为1.01%和0.99%，小于规范限值1.2%，但满足《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中“基本周期大于6S的结构，计算的底部剪力系数比规定值低20%以内”（即0.96%）的要求，需对小震的地震力进行放大。

塔楼结构主要弹性指标见表2。

根据《高规》及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的要求，外框的剪力分配，除底部个别楼层、加强层及其相邻上下层外，多数不低于基底剪力的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顶部约15层及加强层处小于5%之外，其余大多数楼层均能满足底部大于底部总剪力8%的要求（图6）。

对于底部的组合拱形桁架，剪力在巨柱、拱及核心筒三者之间的分配比例如表3和表4所示。

表2 塔楼弹性计算指标Table 2 Elastic calculation summary

图6 结构外框楼层剪力分布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

拱的结构形式在承担重力荷载时表现出了良好的性能，在抗侧刚度上，从表3和表4可以看出，拱桁架的剪力分配占比与巨柱接近，也提供了较好的抗侧刚度。

此外，由于结构平面对称、规整，立面收分平缓，构件尺寸收进尺度适宜，因此在扭转及竖向刚度上都表现较好。

根据以上分析的结果，结构表现出了较好的整体刚度，这是得益于底部楼层受建筑要求，控制在一个防火分区3 000 m2内，而核心筒由于竖向交通及机电设备等要求，面积占比较大。此外，由巨柱、组合拱及次框架结构所组合的外框体系，整体性较好，也满足了外框的剪力分配要求。

注射碘酊治疗组:1周后,囊肿注射部位的粘膜表面发白,无触痛,3周后,注射部位与周围粘膜无差异,囊肿已完全消失,表面粘膜未见异常,半年内进行随访,见6例囊肿复发。

6.2 结构弹塑性分析

为了考察结构在强震活动下的非线性响应，本节将对结构在罕遇地震条件下进行结构弹塑性能分析，通过这类分析，以期得到主要构件的塑性损伤及整体变形情况，确定结构是否可以满足：“大震不倒”的设防水准要求，相关关键构件是否可满足预定性能目标；对罕遇地震作用下的层间位移角等综合指标进行分析，评判结构的力学性能；最后通过以上的分析，有针对性地对相关薄弱部位和构件提出相应的调整建议，改善结构设计。

此处使用AQAQUS∕STANDARD 及 ABAQUS∕EXPLICIT作为求解器，进行弹塑性计算。所建立的弹塑性模型如图7所示。

图7 结构弹塑性分析模型Fig.7 Elasto-plastic analysis model

为确保计算的正确性，对弹性及弹塑性模型的基本结构信息进行对比，结构的前三个周期如表5所示。

表5 前三阶周期比较Table 5 Period comparison of first three mode s

由表5可见，两版模型在前三个周期基本一致，误差在5%之内，可以认为两套模型一致性良好。

选取5组天然地震波及2组人工地震波，对比分析在ETABS中弹性模型时程波底部剪力与反应谱CQC工况下罕遇地震工况底部剪力，如表6所示，可见，满足规范中多条时程曲线计算所得结构底部剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果80%的要求。

表6 时程波底部剪力与CQC比较Table 6 Shear comparison of TH and CQC

各组地震波作用下ABAQUS模型结构基底剪力最大值见表7，7组地震波在X、Y两个方向上的平均基底剪力为307 298 kN和267 820 kN，对应的底部剪力系数分别为5.32%和4.64%。考虑弹塑性刚度退化后，各组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

提取塔楼每个楼层巨柱折角处及上部钢柱处的位移角，取包络值作为此层的层间位移角，如图8所示。

图8 大震弹塑性层间位移角Fig.8 Rare seismic story drift

由以上结构弹塑性整体分析可以看出，结构整体力学性能良好，指标可以满足规范中的相关规定。接下来选取层间位移角较平均的L7532波组，对部分构件的性能进行分析。根据此波的计算结果，加强层处的环状桁架、伸臂桁架及组合拱桁架均未进入塑性，整体性能良好；核心筒墙体损伤主要集中在伸臂桁架支撑处及中上部楼层；核心筒连梁的混凝土发生受压损伤，其中上部连梁混凝土损伤明显，连梁中钢筋和钢骨进入塑性，钢骨最大应变为-2.47×10-3，出现在顶部核心筒收进处，如图9所示。

图9 L7532波组作用下核心筒受压损伤情况Fig.9 Core wall damage of L7532

图10 L7532波组作用下核心筒连梁损伤情况Fig.10 Link beam damage of L7532

考察核心筒混凝土墙的损伤情况（图10、图11），在第66层第二个空中大堂处，由于核心筒Y向最外侧两道外墙收进，因此墙体损伤在此处较为明显，但均主要集中在与伸臂相连的部位，其中上部墙体发生受压损伤，部分钢筋进入塑性，最大塑性应变为1.2×10-2，整体受损范围较小，其余绝大部分墙体钢筋塑性应变小于1倍屈服应变，总体属于轻度以下损伤。

图11 66层墙体损伤情况Fig.11 The 66thfloor core wall damage

图12 96层墙体损伤情况Fig.12 The 96thcore wall damage

巨柱的罕遇地震弹塑性分析结果如图13、14所示，巨柱混凝土在上部及与伸臂桁架相连的区域发生受压损伤，顶部钢骨进入塑性，最大塑性应变为5.437×10-4，其余部分未进入塑性，整体性能良好。

巨柱之间的连系梁发生受压损伤，上部的钢筋进入塑性，最大塑性应变为3.29×10-4，起到了一定耗能效果。

图13 巨柱损伤情况Fig.13 Mega column damage

图14 巨柱连系梁损伤情况Fig.14 Beam between mega column damage

由于结构高宽比较大，考察了大震作用下巨柱底部的轴力情况。选取地震作用较大的L2625波下的基底反力，巨柱编号及柱底竖向反力如图15、表8所示，柱底均未出现受拉。

图15 巨柱编号Fig.15 Number of mega column

表8 柱底竖向反力Table 8 Base reaction of mega column mN

7 结 论

南京江北某超高层项目建筑高度600 m，结构高度539.8 m，结构体系为带伸臂加强层的巨型框架核心筒结构，采用组合拱桁架作为外框重力转换体系，并在相邻下部设备层增加常规腰桁架以增加安全冗余度。本文论述了结构的相关主要特点，对结构弹性及弹塑性结论做出了总结，得到如下结论：

（1）本项目受建筑条件制约，核心筒面积占比较大，结构整体刚度较好；外框系统中巨柱、组合拱桁架、腰桁架及次框架体系的良好组合，提供了较好的外框刚度，通过剪力调整，进一步增加安全储备，满足多道抗震防线的设计思想。

（2）根据大震弹塑性分析的结果，在7组地震波作用下，结构满足大震不倒的设防目标，层间位移角满足≤1∕100的要求。

（3）在罕遇地震作用下，结构核心筒连梁较多损伤，耗散了地震能量。上部两个空中大堂层既是核心筒收进的部位，又是伸臂桁架设置的部位，受力复杂，部分墙肢损伤较大，应予以适当加强；巨柱整体表现良好，底部未出现拉力；组合拱桁架、伸臂桁架及腰桁架均未进入塑性，表现良好。