大跨高位转换钢结构LOFT办公楼的抗震设计

李家佳 刘文捷 周建 夏长春 左江

0 引言

伴随城市地下交通设施的快速发展，地铁上盖项目将频繁出现。而跨越既有地铁隧道上的项目，其造价高、建设难度大和大跨复杂转换结构对建筑功能空间及立面效果的影响，是结构设计过程中无法回避的难题。

1 项目概况

南京NO.2012G84-E 地块位于江苏省南京市江宁区，铁路南京南站以南，站中六路、站前一路、站中七路与站前二路合围区域，由E1#、E2#两栋办公楼组成，E2#楼为本次分析的对象。

E2#楼总高度H=79.55m，地下2层，地下为车库和设备用房；地上15 层，首层层高6.8m，2～ 6 层层高3.3m，7～ 8 层两层（3.3m+6.6m=9.9m）布置结构转换桁架，9～ 15 层层高均为6.6m，建筑功能为LOFT 办公。

既有的南京地铁1 号线区间隧道从西北往东南呈近45°方向下穿本楼栋。据南京市轨道交通相关保护要求，本案地下室外缘与地铁隧道净距按12 米控制。E2#楼的地下室及地上1～ 6层被地铁隧道分为南、北两部分，利用7、8 两层作为结构转换层，布置转换钢桁架；桁架高9.9m（上下弦杆轴线距），跨度达51m～ 56m，其承担上部9～ 15 层LOFT 楼面荷载（相当于14层普通楼面荷载），形成大跨度高位转换复杂结构。E2#楼平面关系及剖面关系示意图见图1。

图1 G84-E2 楼与地铁隧道平面和剖面关系

本案具有“转换楼层高、转换跨度大、结构荷载重、两塔刚度差异较大、平面不规则”等特点，给结构设计及施工带来了众多难点问题。

2 结构体系及基础设计

2.1 上部结构

由于本案的结构具有如下特点和难点——转换跨度大、结构荷载重；两塔刚度弱且不均衡；平面形态不规则——同时为兼顾建筑功能需求，1～ 8 层采用“钢框架-中心支撑”结构体系，其中7～ 8 层设置9.9m 高钢桁架作为结构转换构件，9 层以上采用“钢框架”结构体系。

1～ 8 层（转换层以下）结构，由于地铁保护要求，相对薄弱，故所有框架柱均采用矩形钢管混凝土柱，最大柱截面1.5m×1.5m；为增强底部刚度，在平面的角部设置柱间支撑，为改善抗震耗能能力采用了屈曲约束支撑（BRB）。

7～ 8 层为转化桁架层，纵向共设置了4 榀主桁架，实现了51m～ 56m 的跨越。上、下弦杆采用箱形截面，最大断面分别为1.4m×0.8m、1.5m×0.8m；端部直腹杆也采用箱形截面，最大断面为0.8m×0.8m；其余斜腹杆均采用焊接H 型钢。转换结构横向设置了次桁架，为增强桁架上下弦面内刚度，均设置了水平支撑，上弦的楼面板加厚至200mm。

9 层～屋面部分采用“箱形柱+工字形钢梁”的纯钢框架结构体系，为了克服由于大跨转换层下沉变形在纯框架梁柱节点产生的巨大次生内力，在施工阶段部分梁柱按铰接连接，待全楼及填充墙施工完毕后，再焊接翼缘板。

2.2 基础设计

由于本案为高层建筑，天然地基承载力不足以承受主体结构上部荷载，因此采用钻孔灌注桩。针对普通柱跨柱和转换桁架支座巨柱，钻孔灌注桩桩径分别采用800mm 和1 500mm，以5～ 2 层中风化泥质砂岩为桩端持力层，有效桩长约20m，进入持力层深度约9m；桩身混凝土强度等级C45，1 500mm 和800mm 钻孔桩单桩竖向抗压承载力特征值分别为18 000kN 和6 000kN。

主楼下方地下二层，层高自下而上依次为5.4m、4.6m，经验算，可以满足上部结构嵌固部位的要求；埋深大于10m，满足《高层民用钢结构技术规程》中抗倾覆要求。

由于Fenton法降解反应需要控制pH值，且过程中会产生含铁污泥，后续处理存在较大难度，目前主要被应用于废水处理中。如今自然水体中的有机物污染日益严重，而且近年来，随着技术不断发展，出现了催化型Fenton技术，从根本上解决了传统Fenton的弊端：拓宽了体系pH值的适用范围（在5~9之间）；该技术能固化催化剂，减少催化剂溶出，更便于分离回收，不会产生明显的污泥（牛建瑞等，2016）。而Fenton法对有机物的去除效果突出，将是未来水处理的研究主题之一。

3 结构超限情况分析及抗震性能目标

3.1 设计参数

本案抗震设防类别丙类，结构设计使用年限50 年，结构安全等级二级；基本风压0.4kN/m（n=50），承载力计算时1.1倍，地面粗糙度C 类；基本雪压0.65 kN/m（n=50）；抗震设防烈度7 度，基本地震加速度0.1g，地震分组第一组，场地类别II 类，特征周期0.35s；抗震等级：1～ 8 层转换桁架及其相连的钢管混凝土柱均为二级，1～ 8 层的其它框架及柱间支撑、9～ 15 层框架均为三级。

3.2 超限情况分析

（1）扭转规则性：竖向构件的层间最大水平位移与平均层间位移之比值为1.23，存在扭转不规则。

（2）平面规则性：L 形平面突出部位与最大宽度之比为0.46，大于0.35，存在凹凸不规则；建筑物1 层至6 层楼板有效宽度均小于该层楼板典型宽度的50%，存在楼板不连续。

（3）竖向规则性：①侧向刚度不规则：由于转换层刚度极大，故第4 层、5 层、6 层Y 向存在侧向刚度不规则。②楼层承载力突变：由于转换层刚度极大，第5 层、6 层Y 向抗剪承载力小于其上一层受剪承载力的80%，存在楼层抗剪承载力突变。

3.3 抗震性能化目标

由于存在以上多项不规则，综合考虑建筑的功能和规模，设定结构抗震性能目标为C 级，各构件性能目标如表1。

表1 构件抗震设计性能目标

4 结构分析

4.1 多遇地震弹性分析

采用SATWE 和MIDAS 两种软件比较分析，最大层间位移比1.23，存在少许扭转不规则；风荷载作用下最大位移角1/798（X 向）、1/1404（Y 向），满足1/400 的限值要求；多余地震作用下最大楼层层间位移角为1/620（X 向）、1/628（Y向），满足1/300 的限值要求；Y 向第4 层、5 层、6 层抗侧刚度比分别为0.98、0.6、0.58，不满足规范要求，故需对第4 层、5 层、6 层的地震内力放大；转换层第5 层、6 层Y 向与相邻上层的抗剪承载力比分别为0.72、0.73，存在抗剪承载力突变，对竖向构件及柱间支撑提高抗震等级，保证大震下的截面控制条件。

4.2 设防地震性能化分析

4.3 罕遇地震弹塑性分析

采用SAUSAGE 软件进行弹塑性时程分析，结果显示：在罕遇地震作用下结构仍保持直立，最大弹塑性层间位移角X 向为1/87、Y 向1/87，均小于1/75，整体变形指标满足抗震性能水准4 要求；关键构件（转换桁架、1～ 8 层与转换桁架相连的矩形钢管混凝土柱及9、10 层框架柱）均未出现塑性铰；仅部分转换层以上的框架梁出现塑性铰。可见，本结构性能良好，实现了“大震不倒”的目标。

5 结束语

本项目为大跨度高位转换复杂钢结构，存在扭转、平面、竖向等多项不规则，属于复杂超限高层钢结构。在设计中，选用轻质、高强结构材料（Q420 钢），采用合理的结构形式（钢管混凝土+BRB 柱间支撑框架，转换钢桁架，钢框架3 者的组合），获得了较好的抗震性能。通过小震、中震、大震等系列分析，证实本结构各项指标满足现行规范和规程要求，能够实现预期的性能化目标，结构方案是安全可行的。

作为地铁上跨典型案例，南京G84-E 地块为特殊高位连体转换结构，具有转换跨度大、荷载重、平面不规则及竖向薄弱部位突出等特点。对本案进行系统梳理，在其结构选型过程中，综合考虑建筑品质、成本造价、结构安全及施工难度等因素，明确项目设计方向，不仅对本项目的顺利实施意义重大，而且对今后类似工程的项目立项、方案分析，也具有一定参考意义。