南京湖南路B 地块B-1#塔楼结构抗震设计

2022-03-30叶建农张堃周建夏长春

中国建筑金属结构 2022年2期

叶建农张堃周建夏长春

0 引言

随着城市建设的迅猛发展，越来越多的超高超限高层建筑应运而生。对于B 级高度的高层结构抗震设计，国家抗震规范有着明确的要求。每一座150m 左右高度的B 级高度的超高超限塔楼，由于各自的柱网尺寸、层高分布、建筑平面布置的不同，其结构存在着不尽相同的抗震性能与薄弱环节。本文以实际具体工程为例，对结构从整体抗震性能到局部薄弱环节进行了多软件、多方法的计算与分析，并提出针对性的加强措施，可以为同类型结构的抗震性能化设计提供参考。

1 工程概况

本项目位于南京湖南路商业圈核心地段，商业价值巨大。本项分为ABCEFG 六个地块，总建筑面积526 000m，主要建筑功能为商业、办公及配套设施。

项目中的B 地块，由地上B-1#、B-2#塔楼、B-3#裙楼和地下连成整体4 层地下室组成。地上各栋塔楼之间均设置抗震缝形成3 个结构单元。图1 为建筑效果图，图2 为B-1#、B-2#塔楼与B-3#裙楼的二层平面图。B-1#楼地上33 层，总高为145.85m；B-2#楼地上23 层，总高为93.10m，底部为6 层商业，以上层为办公；B-3#楼为6 层商业裙房，总高33.10m。

图1 建筑效果图

图2 B-1#塔楼、B-2#塔楼与B-3#裙楼二层平面图

B-1#塔楼1～6 层层高为6m 与5.4m，标准层层高4.15m，避难层层高4.8m。

本文主要介绍B-1#楼的结构抗震设计。

2.结构体系与结构布置概述

B-1#塔楼高度H=145.85m。结构抗侧力体系采用钢筋混凝土框架-核心筒结构。结构平面布置呈正方形，L 与B 均为47.4m；塔楼高宽比为3.08。其核心筒平面长、宽分别为22.30m 及24.15m，高宽比为145.85/22.3=6.54。塔楼标准层结构平面布置如图3。

图3 B1-#塔楼标准层结构平面布置

2.1 抗侧力结构布置

塔楼核心筒外墙厚沿高度从800mm 递减至400mm；连梁截面高度：首层为1 100mm、2～6 层为750mm、避难层（兼设备层）为900mm、标准层为700mm。

周边框架柱与框架梁封闭贯通布置。23 层以下采用组合结构构件框架柱，截面边长由低层到高1400mm 逐步收至1200mm，内置正方十字形型钢钢骨；23 层以上均为普通钢筋混凝土柱，截面边长由1 200mm 逐渐缩小至1 000mm；23 层以下圆柱的截面直径由Φ1 500mm 逐步减小至Φ1 200mm，内置45°斜放十字形型钢，23 层以上均采用普通钢筋混凝土柱，直径由Φ1 200mm 逐步减小至Φ1 000mm，框架柱上下轴心位置均一致。

标准层横向框架梁截面700mm×700mm、外围框架梁高X、Y 向均为700mm×700mm，角部斜向框架梁为700m×950。

框架柱及核心筒的混凝土强度等级由底至顶从C60 梯减为C35；框架梁及板的混凝土强度等级从C35 减为C30；钢骨混凝土框架柱型钢强度等级为Q355B。

2.2 楼盖结构布置

核心筒内外均采用现浇混凝土梁板结构楼盖体系。次梁跨度6～12m，次梁高度600～700mm；楼盖典型楼板厚110mm，加强部位板厚150～180mm。

2.3 基础及塔楼嵌固端设计

基础形式为钻孔混凝土灌注桩+筏板基础，基础埋置深度为21.50m，与主楼高度比为1/6.78，基础底面未出现拉应力区，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）的结构整体抗倾覆稳定要求。

地下室顶板结构布置及配筋采取规范构造要求，层刚度比验算结果满足“地下一层与首层侧向刚度比不小于2”的《高规》与《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）的要求，同时考虑地震水平力可靠传递，对塔楼首层楼板与地库顶板连接高差处周边设置加腋等措施，实现地下室顶板作为塔楼结构的嵌固端。

3.结构超限判别与抗震性能目标

3.1 设计参数

塔楼建筑设计使用年限为50 年，建筑结构安全等级：核心筒与框架为一级，次梁与楼板为二级，建筑抗震设防类别为重点设防类。塔楼抗侧力结构的核心筒抗震等级为特一级，框架抗震等级为一级。

工程抗震设防烈度为7 度。地震动参数：设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期T为0.45s。

风荷载作用的基本风压：位移和变形计算时取50 年一遇为0.40 kN/m，构件承载力设计时按0.40 kN/m的1.1 倍取值，舒适度计算时按10 年一遇取值为0.25 kN/m。地面粗糙度为C类。承载力计算时，风荷载体形系数考虑高楼间相互干扰增大系数1.10。

3.2 结构超限判别

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（简称《要点》）及《江苏省房屋建筑工程抗震设防审查细则》（简称《细则》），塔楼含有以下超限项：（1）属于超A 级高度B 级高度的高层建筑；（2）规定水平力偶然偏心影响的扭转位移比大于1.2（最大比值达到1.32，发生在1 层Y 向负偏心），扭转不规则；（3）一层大堂上空及六层影院楼板开洞面积大于30%，最大达42%，存在楼板不连续；（4）局部一层越二层存在穿层柱。以上均为一般超限项，不存在严重超限项。

3.3 结构抗震性能目标

塔楼结构高度145.85m 略超A 级高度限值130m，且结构不规则项以及超规范适用指标数值和程度超量较少，参照《高规》第3.11 节及其条文说明，塔楼结构整体抗震性能目标设定为D 级。具体构件性能的实现要求如表1 所示。

表1 构件抗震性能设计目标

3.4 针对性抗震加强措施

根据本项目结构特点以及超限情况，设计采取以下针对性加强措施：

（1）本塔楼楼板边界挑出外框架3.5m，框架柱、梁截面与刚度较大。二道防线计算结果显示塔楼框架部分分配的地震剪力多数楼层大于结构底部总地震剪力的20%。对此本工程超限专项审查专家给出意见：“考虑到规范对框筒结构二道防线调整的要求，确保二道防线的能力，框架剪力调整：底部加强区以及以上一层取0.25V和1.5V的较小值，其他部位取0.20V和1.5V的较小值”。施工图设计按审查意见进行框架剪力调整。

（2）二层楼板大堂上空区缺失、六层楼板影院上空开大洞等楼板平面刚度削弱情况，补充中震作用下的楼板承受拉、压应力验算；对楼板主拉应力集中部位进行板厚及配筋的加强，确保水平力顺利传递。楼板应力分析结果详见第5 章“中震作用下楼板应力专项分析”。

（3）结构底部一层大堂5 根穿层柱抗侧刚度较弱可能导致周围普通框柱先于穿层柱出现塑性铰破坏，水平地震力将逐渐传至穿层柱。应对加强措施：①穿层柱性能目标：抗弯及抗剪按中震弹性设计；②考虑穿层柱变形协调作用：柱复合箍筋全跨加密，加强柱两端周围梁板的配筋，楼板厚度不小于150mm，双层双向配筋，单层单方向配筋率不少于0.25%。③剪力调整：穿层柱地震作用下剪力按周边柱中最大者进行放大，确保其抗剪承载力不低于周边非穿层柱。计算结果详见第6 节“穿层柱承载力专项分析”。

（4）六层存在楼板开洞形成外围框架中柱单向两层通高状态，设计采取对其柱截面和内插型钢均同塔楼底部大堂区形成的穿层柱，约束条件相对更好。根据对底部穿层柱验算结果，六层单向穿层柱承载力及稳定满足设计要求。

4 计算分析

4.1 多遇地震作用的弹性分析

4.1.1 反应谱分析

对整体结构采用SATWE（v3.2 版）以及ETABS（v 16 版）两种软件进行考虑扭转耦联的振型分解反应谱法即CQC 法的计算与对比。结构自振周期、最大层间位移角、扭转位移比、底部剪力、剪重比等主要指标结果如表2。

表2 小震反应谱计算主要指标

多遇地震的反应谱计算分析总结：

（1）结构周期T1 为X 向平动，T2 为Y 向平动，T3 为扭转周期。周期比T3/T1 为0.83，小于限值0.85，满足规范要求。

（2）考虑±5%偶然偏心影响的规定水平地震力作用下的最大层间位移比为1.32（第1 层），小于限值1.40，大于1.20，满足规范要求，且存在扭转不规则。

（3）塔楼在地震作用下楼层最大层间位移角1/1039，小于限值1/800，满足规范要求。

（4）塔楼结构竖向体型规则，竖向抗侧力构件连续。考虑层高修正的塔楼侧向刚度沿竖向分布均匀，无刚度突变。全楼楼层抗剪承载力比最小值0.90（第1 层），大于0.75，满足规范对B 级高层要求。

（5）根据《高规》第4.3.12 条，塔楼X、Y 向楼层最小地震剪力系数通过线性插值为：=0.0148，=0.0153。计算结果显示底部4 层两方向结构剪重比略小于规范要求，但均大于限值的85%。依据《细则》第2.7 条第6 款的规定：“基本周期小于5s 的结构，计算的底部剪力系数不低于规定值的85%时，底部剪力系数即可采用规范规定的最小值进行设计”，故可不调整结构布置，即采用剪力调整方法满足最小剪力要求。X 向全楼层地震剪力调整系数1.09，Y 向全楼层地震剪力调整系数1.13。

（6）从表2 可以看出，SATWE 和ETABS 两软件计算结果相近，差别在5%以内，计算结论准确、可靠。

4.1.2 多遇地震作用下弹性时程分析

塔楼采用SATWE 软件进行了弹性时程分析作为多遇地震的补充计算，与反应谱法进行对比。分析匹配选出7 条地震波（5 条天然波+2 条人工波）。图4 为7 条地震波反应谱平均值与规范反应谱的比较，在结构T1，T2，T3 周期点上的值差别在20%以内，满足规范对所选波的要求。

图4 地震波反应谱与规范反应谱对比图

表3 为弹性时程分析法与反应谱法计算出的底部剪力的对比。计算结果表明每条时程波算得的结构底部剪力均大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，7 条时程曲线算得的结构底部剪力的平均值也大于反应谱法算得的底部剪力的80%，满足规范要求。

表3 底部剪力结果时程分析法与规范反应谱法对比

图5 为楼层地震剪力对比图。图中显示，高位楼层地震波产生的楼层剪力略大于反应谱法的计算结果，需要按比例放大楼层剪力进行构件承载力验算，各层调整系数如表4。小震构件承载力设计时，将此表的调整系数填入SATWE 参数补充定义中“地震作用调整”的“分层指定放大系数”表中进行计算，取得弹性时程波和反应谱计算的包络结果。

表4 反应谱计算楼层地震力调整系数表

图5 X，Y 向地震剪力随楼层分布图

4.2 设防地震和预估罕遇地震作用下反应谱分析

根据结构抗震性能目标要求，塔楼分别进行了中震弹性、中震不屈服以及大震不屈服计算。计算结果分析如下：

（1）1～4 层（底部加强区）核心筒剪力墙斜截面以及框架柱的正截面与斜截面均满足中震弹性要求。

（2）1～6 层正截面、4 层以上斜截面的核心筒剪力墙，以及4 层以上框架柱的正截面与斜截面均满足中震不屈服要求。

（3）1、2 层核心筒四角剪力墙个别墙肢出现小偏心受拉工况，如图5 所示。取中震作用下X、Y 向地震、X、Y 向正负偏心地震、XY 双向地震的各工况中最大轴拉力算得平均名义拉应力σ，对于σ 大于混凝土抗拉强度标准值f的墙肢均设置型钢承担拉力，且设置型钢后，所有偏心受拉墙肢平均明义拉应力均小于2f。名义拉应力计算见表5。

图6 中震下一层核心筒轴拉比（设置型钢前）

表5 中震下核心筒墙肢名义拉应力计算

（4）在预估罕遇地震作用下塔楼抗侧力结构构件剪压比均满足规范的截面限值条件。

4.3 罕遇地震作用下弹塑性时程分析

塔楼采用PERFORM-3D 三维结构非线性分析与性能评估软件进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。计算结果显示：

结构X、Y 方向最大基底剪约为多遇地震CQC 基底剪力的3.01 倍和2.80 倍。

最大弹塑性层间位移角为1/107，小于大震下结构弹塑性层间位移角限值1/100 的规范要求。

核心筒连梁90%以上产生塑性变形，有效地起到了“保险丝”的作用；有20%以上的梁出现了塑性变形，实现了预期的强柱弱梁的损伤机制。

核心筒墙、框架型钢柱总体处于受压状态，且最大压应变均未逾越0.6 倍的极限压应变，混凝土不会发生压溃等破坏。

罕遇地震下性能化分析验证了塔楼结构在预估大震作用下能够有效地形成合理的损伤机制，并且满足预期设定的抗震性能目标。

5 中震作用下楼板应力专项分析

楼板在承受和传递竖向力、水平力的同时还承担着协调墙柱、梁板各构件之间的变形。当楼板开大洞不连续时，板中应力（正截面拉压应力、面内剪应力）处于较复杂的分布状态，楼板平面内轴力不可忽视，对于板洞边等楼板薄弱部位，需要采取加强措施。采用PMSAP 有限元分析软件进行整体分析，楼板设为弹性楼板6，考虑楼板的面内与面外实际刚度，网格剖分采用四边形单元。图7～9 为二层、六层、八层中震组合工况下的楼板主应力S1 分布。分析结果显示：

图7 （1.0 恒0.5 活1.0X 震）荷载组合下二层板面内主应力S1 分布图（单位kN/m2）

图8 （1.0 恒0.5 活-1.0 X 震）荷载组合下六层板面内主应力S1 分布图（单位kN/m2）

图9 （1.0 恒0.5 活-1.0 Y 震）荷载组合下八层板面

中震作用下，核心筒内外楼板绝大部分区域主拉应力幅值在2000kN/m以下，小于C30 楼板轴心抗拉强度标准值f=2010 kN/m，楼板处于弹性状态，满足设计要求。

核心筒外侧周边与剪力墙、连梁相邻的楼板（距核心筒外墙1.5m 范围内楼板）、以及楼板开大洞洞角区域，存在较大拉应力区，局部区域混凝土主拉应力已超过楼板轴心抗拉强度标准值f=2010 kN/m。经考察主拉应力S1 均在3000kN/m以下。应对加强措施：对塔楼底部1～12 层核心筒周边以外1.5m 范围板厚由原来110～150mm 加厚为180mm，且双层双向配筋，配筋满足SATWE 与PMSAP 的包络。该区加厚之后楼板处于弹性状态，满足设计要求。图10 为加厚楼板节点。