南京研創(chuàng)園某超限高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉瀏

（南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，南京 210019）

1 項(xiàng)目簡要

本工程項(xiàng)目位于南京市江北新區(qū)研創(chuàng)園內(nèi)，地面以下3 層，地上35 層，主要屋面高度149.950 m，使用功能為辦公。根據(jù)《超限高層專項(xiàng)審查要點(diǎn)》（建質(zhì)〔2015〕67 號）的規(guī)定：本工程屬于B 級高度超限高層建筑，需進(jìn)行抗震設(shè)防專項(xiàng)審查。除了高度超限以外，本工程有2 項(xiàng)一般不規(guī)則：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；（2）局部不規(guī)則，局部布置穿層柱、斜柱；無嚴(yán)重不規(guī)則情況，見圖1。

本工程的結(jié)構(gòu)體系為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)的立面有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是右上角部向上逐層收進(jìn)，由底部樓層的大懸挑樓板，逐層收進(jìn)后，平面開始內(nèi)收，從15 層至21 層，右上角布置斜柱，再往上樓層布置懸挑樓板，并繼續(xù)內(nèi)收，直至屋面。

2 結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析

針對結(jié)構(gòu)超限，本工程主要采取了以下幾項(xiàng)分析措施來保證結(jié)構(gòu)的安全性：（1）多遇地震作用下采用2 種不同計(jì)算軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；（2）多遇地震作用下彈性時(shí)程分析；（3）罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析；（4）對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件和特殊構(gòu)件進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)。

2.1 多遇地震作用下2 種不同計(jì)算軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析

本工程采用SATWE 和Midas Building 2 種結(jié)構(gòu)計(jì)算程序分別建模計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行對比。SATWE 計(jì)算結(jié)構(gòu)總質(zhì)量81056.531 t，Midas Building 計(jì)算結(jié)構(gòu)總質(zhì)量80841.487 t，樓層質(zhì)量較為接近，總質(zhì)量差值約0.27%。取前6 個(gè)振型進(jìn)行比較，計(jì)算信息見表1。

表1 6 個(gè)振型計(jì)算信息

2 種軟件的計(jì)算結(jié)果相近，結(jié)果相差在5%以內(nèi)；建筑的前6 個(gè)振型表達(dá)了結(jié)構(gòu)的基本特性，本工程前6 階振型和周期基本一致，其余振型2 軟件計(jì)算結(jié)果也很相似；本工程周期比滿足高層規(guī)范要求，同時(shí)第二周期與第一周期的比值接近1.0，平面抗側(cè)力構(gòu)件布置較合理，結(jié)構(gòu)具有良好的抗扭剛度。2種軟件計(jì)算多遇地震反應(yīng)譜分析結(jié)果差異很小，說明結(jié)構(gòu)力學(xué)模型正確可靠。

2.2 多遇地震作用下彈性時(shí)程分析

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016 年版)（以下簡稱《抗震規(guī)范》）規(guī)定，本工程用SATWE 進(jìn)行了彈性動(dòng)力時(shí)程分析，采用SATWE 自帶的2 條人工波和5 條天然波。計(jì)算結(jié)果顯示，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，小于135%；7 條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%，小于120%。滿足《抗震規(guī)范》規(guī)定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取用波平均計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法的包絡(luò)值，保證各構(gòu)件滿足多遇地震彈性要求。

2.3 罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析

根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）規(guī)定，B 級高度高層建筑結(jié)構(gòu)，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動(dòng)力分析方法補(bǔ)充計(jì)算。本工程采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性計(jì)算軟件SAUSAGE 進(jìn)行分析，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)總體變形控制目標(biāo)為：大震不倒（層間位移角限值1/100）。《高規(guī)》結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)的抗震性能分為5 個(gè)水準(zhǔn)，對應(yīng)的構(gòu)件損壞程度則分為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴(yán)重?fù)p壞”5 個(gè)級別。罕遇地震作用下，對結(jié)構(gòu)各類構(gòu)件損壞級別進(jìn)行分析[1]。大震彈塑性分析，基本結(jié)果如下：

1）3 條地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)X向和Y向最大層間位移角分別為1/237 和1/248，均小于1/100，滿足規(guī)范大震彈塑性層間位移角要求。

2）罕遇地震時(shí)程分析基底剪力與振型反應(yīng)譜法所求基底剪力之比在合理比值范圍內(nèi)（罕遇地震動(dòng)力彈塑性與小震彈性時(shí)程分析的基底剪力之比約為2.88～4.08 倍）。

3）在罕遇地震作用下，整體結(jié)構(gòu)處于輕微～中度損傷，有一定的變形和承載力富余。

4）結(jié)構(gòu)中大部分框架梁處于輕微到輕度損壞，少部分框架梁達(dá)到中度以上損壞?？蚣芰菏軌簱p傷最大值出現(xiàn)在頂部3層，說明頂部樓層由于鞭梢效應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷較大。

5）結(jié)構(gòu)中大部分框架柱處于輕度以下?lián)p壞，僅頂部3 層少量框架柱出現(xiàn)中度損壞。出現(xiàn)在頂部3 層，說明頂部樓層由于鞭梢效應(yīng)結(jié)構(gòu)損傷較大。

6）剪力墻連梁大部分出現(xiàn)中度以上損傷，較好的起到了保險(xiǎn)絲的作用。剪力墻大部分處于輕度以下?lián)p傷。底層少量剪力墻出現(xiàn)中度以上損傷，由于底部剪力墻為關(guān)鍵構(gòu)件，因而對于底部剪力墻要進(jìn)行適度加強(qiáng)，如剪力墻端部設(shè)置型鋼柱等。

2.4 對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件和特殊構(gòu)件進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)

根據(jù)《高規(guī)》性能設(shè)計(jì)要求，本工程采用D+級抗震性能目標(biāo)，在多遇地震、設(shè)防烈度地震、預(yù)估的罕遇地震作用下，應(yīng)分別達(dá)到不低于1 級、4 級、5 級抗震性能水準(zhǔn)。

底部加強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)的剪力墻和框架柱按照中震下抗剪彈性、抗彎不屈服，大震下抗剪不屈服進(jìn)行驗(yàn)算[2]；抗剪水平筋或箍筋按中震彈性和大震不屈服的大值進(jìn)行配筋；抗彎鋼筋按小震彈性和中震不屈服的大值進(jìn)行配筋；按特一級構(gòu)造。底部加強(qiáng)區(qū)以上的其他樓層，在中震下小偏心受拉的剪力墻和框架柱按特一級構(gòu)造。

對斜柱、與斜柱傾斜方向連接的框架梁、相鄰下一層的框架柱以及框架梁考慮中震下抗剪、抗彎彈性、大震下抗剪不屈服的性能目標(biāo)，斜柱及與之連接的下一層框架柱抗震構(gòu)造提高至特一級；穿層柱按中震下抗剪、抗彎彈性、大震下抗剪不屈服的性能目標(biāo)，穿層柱設(shè)計(jì)剪力和彎矩取值不小于該層其他柱的剪力和彎矩設(shè)計(jì)值；長懸挑梁計(jì)入豎向地震作用，挑梁根柱按中震下抗剪、抗彎彈性、大震下抗剪不屈服的性能目標(biāo)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的疑問

3.1 剪重比計(jì)算結(jié)果不滿足規(guī)范要求時(shí)解決辦法

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整剪重比主要方法有2 種。（1）程序調(diào)整：勾選按《抗震規(guī)范》調(diào)整各樓層地震內(nèi)力，程序自動(dòng)將樓層最小地震剪力系數(shù)直接乘以該層及以上重力荷載代表值之和，用以調(diào)整該樓層地震剪力；在全樓地震作用放大系數(shù)中輸入大于1 的系數(shù)，增大地震作用。（2）結(jié)構(gòu)調(diào)整：加大豎向構(gòu)件，加強(qiáng)墻、柱等豎向構(gòu)件的剛度。

本工程在初步計(jì)算時(shí)，通過增大底部幾層的剪力墻的墻厚以及框架柱，框架梁的截面來增加結(jié)構(gòu)的剛度，但發(fā)現(xiàn)，僅增大結(jié)構(gòu)下部少數(shù)樓層的側(cè)移剛度時(shí)，結(jié)構(gòu)的基本周期變化不大，水平地震作用增幅有限。同時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的增大，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量有增加，結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加的比率大于水平地震作用的增大比率，反而導(dǎo)致“剪重比”減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)大多數(shù)樓層直至全高加大抗側(cè)剛度時(shí)，結(jié)構(gòu)基本周期的減小愈發(fā)顯著，結(jié)構(gòu)水平地震作用的增大比率大于結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增大比率，結(jié)構(gòu)的“剪重比”也隨之增大。

但是，從常理來看，結(jié)構(gòu)從底部到上部，剪力墻、框架柱等構(gòu)件截面尺寸應(yīng)該是逐步減小的，如果采用上述從下到上均加大構(gòu)件尺寸的調(diào)整剪重比的方法，是不合理的，也是不經(jīng)濟(jì)的。

因此，需要轉(zhuǎn)變角度，以上調(diào)整剪重比的方法都是從“增”的角度來思考，即通過增大結(jié)構(gòu)剛度來增大結(jié)構(gòu)的抗剪力，從而增大剪重比，也就是說側(cè)重于增加剪重比的分子，那么如果側(cè)重于減小剪重比的分母，是否也能達(dá)到增大剪重比的值呢？從數(shù)學(xué)理論來說，是完全可行的。

如何減小分母，就是要減小結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，可以把對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度影響較小的構(gòu)件盡量減小，如次梁、懸挑板、封邊梁、平面中間部位的框架梁，以及對結(jié)構(gòu)整體荷載進(jìn)行精算，每層減少一點(diǎn)質(zhì)量，對于幾十層的高層建筑來說，累積起來是相當(dāng)可觀的。用這種方法，通過細(xì)致的調(diào)整，最終剪重比的計(jì)算結(jié)果是滿足規(guī)范的要求的。

3.2 剪力墻門洞位置墻體按梁布置和按墻體門洞布置的差異

本工程在初步計(jì)算時(shí)，在剪力墻開洞部位采取了按梁布置的方案，后來通過對比按剪力墻開洞布置的計(jì)算結(jié)果，顯示有2 方面的影響：（1）按梁布置結(jié)構(gòu)整體剛度的偏小，即使根據(jù)跨高比控制，按殼單元計(jì)算，也偏??；（2）洞口處用梁布置的SATWE 計(jì)算與Midas Building 計(jì)算對比，周期差值較大，超過了5%。

3.3 結(jié)構(gòu)布置的合理優(yōu)化

通常結(jié)構(gòu)方案是按照建筑方案的條件來確定的，但是在結(jié)構(gòu)方案確定過程中，如果完全按照建筑條件圖的布置來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，會有一些不合理的地方，比如，核心筒位置的剪力墻布置，對結(jié)構(gòu)的整體剛度影響較大，應(yīng)和建筑專業(yè)充分討論，在滿足建筑專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和使用功能的條件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，以利于整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

以上是本工程的結(jié)構(gòu)超限設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。通過本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對設(shè)計(jì)過程中遇到的問題及解決辦法進(jìn)行解析和總結(jié)，希望對以后遇到類似的項(xiàng)目設(shè)計(jì)或者遇到同類問題的結(jié)構(gòu)工程師能夠提供參考。