南京苏宁睿城二期C0102地块办公楼位于南京市鼓楼区江东软件城ITO园区,东至燕山路、西至清河路、南至集庆门大街、北至汉中门大街。总建筑面积为286 320m²,其中地下面积为110 070m²,地上面积为176 250m²,由3层地下室、7层裙房和1栋超高层塔楼组成,主要功能为地下车库、餐饮娱乐、商业和SOHO办公。塔楼地上42层,结构高度为184.8m,裙房部分高度为45.6m。塔楼与裙房在地上设置结构缝,将塔楼在地上与其余结构单元分开,形成独立的单塔。由于其他结构单元相对简单,本文以塔楼作为主要分析对象,其建筑效果图及计算模型如图1,2所示。

　　 该工程的结构安全等级为二级,设计使用年限为50年,建筑抗震设防类别为乙类,场地抗震设防烈度为7度(抗震措施按8度设计),设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组,场地土类别为Ⅲ类,设计特征周期为0.45s(罕遇地震时为0.50s),基本风压为0.40kN/m²(50年一遇),地面粗糙度类别为B类。

　　 塔楼地上42层,地上1～3层层高为6.0m,4～6层层高为5.2m,其余标准层层高为4.2m,其中14,22,35层为避难(设备)层。结构平面尺寸为54.0m×32.0m,长宽比约为1.69,高宽比约为5.78,标准层结构平面布置图如图3所示。核心筒尺寸为33.0m×10.0m,核心筒长宽比约为3.3、高宽比约为18.5。塔楼采用框架-核心筒结构体系,核心筒墙厚为400～800mm;框架柱底部区域采用型钢混凝土柱,柱截面为1 500×1 800,个别分叉柱底部截面为1 800×2 200。由于核心筒高宽比较大,为提高结构的抗侧刚度,结合建筑避难层在14层设置了加强层,加强层由四道伸臂和一圈闭合的环带桁架组成,如图4所示,加强层可以增加结构整体性和抗扭刚度、减弱柱间剪力滞后效应、减小楼板翘曲 ^[1,2]。

　　 塔楼外框柱中,在3～15层有5根分叉柱,即从3层楼面开始母柱分成一支直柱及一支斜柱;在平面X向右侧(图3中⑦轴上4根斜柱)的外框柱为斜柱,在14层及以下为向核心筒外斜,在15层及以上为向核心筒内斜,14层顶为斜柱转折楼层,如图2计算模型所示,分叉柱与斜柱三维示意如图5所示。

　　 塔楼采用桩筏基础,筏板厚2 600mm,采用桩径1 000mm的钻孔嵌岩灌注桩,以⑤_-2层中风化泥质粉砂岩为桩端持力层,入岩深度为4m,桩长约为45m,单桩竖向抗压承载力特征值为7 800kN。桩身混凝土强度等级为C35,结合南京当地的施工经验,桩基未采用后注浆技术。裙房采用桩径700mm的钻孔嵌岩灌注桩抗压兼抗拔,以⑤_-2中风化泥质粉砂岩为桩端持力层,入岩深度为0.5m,桩长42m,桩身混凝土强度等级为C35,单桩竖向抗压、抗拔承载力特征值分别为3 170,1 300kN。塔楼与裙房地下室部分连为一体,塔楼周边设置沉降后浇带。

　　 本工程根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 ^[3]进行结构不规则性检查,该结构的主要超限情况为:1)扭转不规则,考虑偶然偏心的扭转位移比为1.39,大于1.2;2)楼板不连续,2层、3层存在大开洞;3)刚度突变,加强层处相邻层刚度变化幅度大于70%;4)构件间断,14层有加强层;5)承载力突变,加强层处相邻受剪承载力变化幅度大于75%;6)其他不规则,地面以上有斜柱,4层及以上有分叉柱,2,3层有穿层柱。因此存在6项不规则,其中3)～5)项因设置加强层竖向不规则所致。该结构高度为184.8m,超过7度区框架-核心筒的B级最大适用高度的幅度为2.7%,属于高度超限。

　　 根据塔楼超限情况,对塔楼结构进行性能化设计,针对不同的结构部位并根据其重要程度,采用了如表1所示的抗震性能目标,并采取相应的设计、计算、构造措施,以保证结构安全可靠。

　　 多遇地震作用下采用SATWE,ETABS软件进行结构整体对比分析,计算结果见表2。由计算结果可知,结构自振周期、地震及风荷载作用下的最大层间位移角、刚重比等参数均满足规范要求,同时两种软件分析结果比较接近,整体结构自振特性良好。

　　 采用SATWE软件并选用与设计反应谱曲线具有统计意义相符的5组天然波和2组人工波进行小震弹性时程分析。计算结果表明:每条地震波计算的基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%,地震波计算的基底剪力平均值大于振型分解反应谱法的80%,满足规范要求;时程分析计算得到层间位移角均满足规范要求;X,Y 向最大楼层位移曲线、最大层间位移角曲线、最大楼层剪力的分析结果与振型分解反应谱法计算结果趋势基本是一致的,没有出现异常情况;结构体系无明显薄弱层。

　　 根据抗震性能目标,分别按中震弹性和中震不屈服对核心筒底部加强区、底部框架柱、加强层伸臂桁架、加强层及其上下层核心筒进行计算复核。根据计算结果,此部分构件基本均为中震控制。中震不屈服计算时,核心筒剪力墙底部出现拉应力,最大拉应力为2.1MPa,小于混凝土抗拉强度标准值2.85MPa。根据试算结果,核心筒内部墙肢布置形式、伸臂桁架刚度对核心筒底部墙肢拉应力影响较大,设计时通过调整核心筒结构布置、伸臂桁架刚度等措施,可有效减小墙肢拉应力。

　　 鉴于本工程的复杂性,为了确保结构弹塑性时程分析结果可靠,采用两种有限元软件分别进行计算分析。表3给出了结构在罕遇地震下动力弹塑性分析的位移响应。从表中可以看出,两种分析软件计算出的罕遇地震下结构位移响应基本一致,且结构X,Y两方向最大层间位移角均小于规范要求的结构弹塑性层间位移角限值1/100。

　　 表4给出了结构在罕遇地震下动力弹塑性分析的基底剪力。从表中可以看出,两种分析软件计算出的罕遇地震下结构基底剪力基本一致,结构在罕遇地震下X,Y两方向基底剪力大多为多遇地震下的4.5倍左右,由于罕遇地震加速度峰值是多遇地震的6.28倍,可知罕遇地震下弹塑性反应与罕遇地震下弹性反应相比,基底剪力有减小的趋势。

　　 对结构进行大震作用下弹塑性时程分析后,结构主要抗侧力构件没有发生严重破坏,多数连梁屈服耗能,少量框架柱和框架梁参与塑性耗能,未出现局部倒塌和危及结构整体安全的损伤,大震下结构性能满足“大震不倒”的要求;剪力墙混凝土最大主压应力为21.4MPa,不超过其抗压强度标准值,表明剪力墙混凝土受压处于弹性;剪力墙混凝土最大主拉应力为3.0MPa,表明混凝土出现受拉损伤;大震下,加强层腰桁架和伸臂桁架保持弹性工作状态。整体来看,结构在大震下的弹塑性反应及破坏机制符合结构抗震工程的概念设计要求,抗震性能达到并优于“大震不倒”的性能目标。

　　 塔楼分叉柱在结构三维模型中的示意如图4所示,在分叉柱及相关水平构件的内力分析中,楼板按零刚度并考虑施工模拟影响 ^[4],采用软件SAP2000分析计算,所有水平力均通过梁承受。

　　 分叉柱节点模型的混凝土采用塑性损伤模型,钢筋和型钢采用双线性动力硬化模型,考虑包辛格效应。对该模型进行了X,Y两个方向的罕遇地震波输入,地震作用下混凝土压应变及钢筋应力如图6,7所示,分析结果汇总见表5。由图表可知,节点截面突变部位和分叉后的混凝土、型钢和钢筋的应力水平比较高,极小部分型钢和钢筋屈服,进入塑性阶段;母柱及过渡区材料的应力水平适中,横隔板受拉不大,且横隔板区域的混凝土应力分布比较均匀。

　　 根据审查专家的要求,型钢混凝土分叉柱的节点承载力不计混凝土,宜全部由型钢承受。进一步分析了纯型钢承担荷载的情况,维持原型钢厚度40mm时应力最大值为345MPa;厚度加大为50mm时应力最大值为297MPa,如图8,9所示。按审查专家建议,纯型钢如果采用原尺寸,其大部分位置的应力水平均超过了材料的允许应力值,当把型钢厚度改为50mm后,纯型钢节点能够满足大震不屈服的要求。

　　 1)对开大洞的楼板、竖向构件转折处的楼板进行应力分析,并采取相应的加强措施,确保小震下楼板主拉应力小于混凝土抗拉强度,并按3倍该主拉应力配置楼板钢筋;2)在地震作用下,穿层柱的剪力取值不小于同层其他柱的剪力取值并考虑计算长度,按性能目标要求进行承载力验算;3)分叉柱、斜柱及外伸臂构件的内力分析中,考虑施工模拟,并按零刚度楼板模型计算;4)对重要构件进行中震不屈服、中震弹性及大震不屈服和稳定性验算,以保证结构重要部位构件的抗震承载力满足抗震性能目标要求;5)采用两种大型有限元软件分别对结构进行罕遇地震下的弹塑性动力时程分析,以考察结构在罕遇地震下的抗震性能,对分析中发现的薄弱部位采取相应的加强措施,确保各类构件满足性能目标,并控制整体结构的塑性变形满足规范要求;6)采用软件SAP2000对伸臂桁架和环带桁架、分叉柱及相关水平构件进行中震或大震作用下的内力分析,确保其达到预期的抗震设计性能目标。

　　 1)结构抗震构造措施按抗震设防烈度7度乙类建筑要求采取抗震构造措施,剪力墙、加强层及其相邻层框架柱按特一级、其他框架柱按一级采取抗震构造措施;适当提高底部加强区范围内墙体的竖向分布筋配筋率;核心筒角部的约束边缘构件延伸至墙体顶部。2)在剪力墙底部加强部位以上设置过渡区,过渡区高度取至墙体轴压比0.3处,在此区段内确保墙、柱的抗剪承载力达到中震不屈服,并适当提高墙体竖向分布筋配筋率。3)采用“有限刚度”加强层,合理布置伸臂桁架和环带桁架,优化桁架杆件截面,尽量降低加强层的刚度,减小刚度突变。加强层伸臂桁架均与核心筒相连,并贯通于整个核心筒。加强层处剪力较大的核心筒Y向剪力墙采用钢板混凝土剪力墙。4)在结构竖向构件转折处楼层及上下相邻楼层,外框柱和核心筒之间设置水平斜撑,水平斜撑与相连的楼面梁形成水平桁架,更有效地传递水平力。在水平斜撑及其上下相关楼面梁设置型钢,承担全部水平力,并满足相应的性能要求。

　　 在该超限结构设计中采用概念设计的方法,选择合理的结构体系,设定合理的抗震加强措施,对结构的关键问题进行细致分析研究,可以保证超限高层的安全可靠、经济合理。

　　 (1)结合建筑避难层位置设置加强层,采用框架-核心筒结构,通过平面的合理布置和竖向构件截面从下往上逐步减小,使得总体结构上下刚度均匀、受力合理。

　　 (2)塔楼斜柱转折处楼层,应考虑施工模拟并按零刚度楼板模型计算,楼层水平力均由梁承受。

　　 (3)应优化核心筒内墙肢布置形式,使得在中震不屈服工况下墙肢拉应力较小。

　　 (4)型钢混凝土分叉柱的节点承载力不计混凝土作用,宜全部由型钢承受。