项目位于深圳市龙华新区, 建设场地位于腾龙路以西、中梅路以南、规划红棉路以东、规划民旺路以北。项目地面以上由1栋超高层办公楼和1栋超高层公寓及多层商业裙楼组成, 设三层地下室, 通过设置防震缝, 将项目在地面以上分为2个独立的超高层塔楼及商业裙楼, 建筑效果见图1。其中5-A栋为“玖钻”办公楼, 本文主要介绍该栋楼的结构设计情况。

　　 5-A栋办公楼地上46层, 顶部两层幕墙构架, 建筑高度为199.950m, 建筑面积为77 000m², 标准层层高低区为4.2m, 中区为4.5m, 高区为3.7m, 采用框架-核心筒结构。办公楼经常使用人数4 578, 人数统计见表1。

　　 根据《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB 50223—2008) ^[1], 结构单元内使用人数不超过 8 000, 应按丙类设计。本塔楼抗震设防分类标准为丙类, 属于超B级高度建筑。裙楼商业建筑面积为26 480m², 根据《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB 50223—2008) ^[1], 商业建筑面积超过17 000m², 应按乙类设计, 本项目裙楼抗震设防分类标准为乙类。

　　 按照《建筑结构荷载规范》 (DBJ 15-101—2014) ^[2], 本工程基本风压为0.70kN/m², 地面粗糙度为C类。抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类。结构设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级。

　　 抗侧力体系由周围框架和中间核心筒剪力墙组成, 见图2。低区框架由20根混凝土柱和楼面框架梁组成, 高区框架由16根混凝土柱和楼面框架梁组成。核心筒X向尺寸为19.6m, Y向尺寸在底层为22.4m, 往上逐渐递减为15.25m。本塔楼高宽比X向为4.82, Y向为4.57, 其中核心筒高宽比X向为10.20, Y向为8.92。结构平面布置图见图3。

　　 钢筋混凝土核心筒具有较大的抗侧刚度, 为结构体系中主要的抗侧结构, 承担地震作用和风荷载作用产生的大部分水平荷载, 为结构抗震的第一道防线;外框架主要承担竖向荷载, 包括结构自重和由水平荷载产生的倾覆力矩引起的轴力, 并须具备承担一定水平剪力的能力, 作为结构抗震的第二道防线。

　　 本工程地上46层, 层数多, 竖向荷载大。为充分利用材料的强度, 增加建筑的有效使用面积, 混凝土强度等级、柱截面和核心筒剪力墙截面随高度不断地收进, 具体截面及混凝土强度等级见表2, 3。

　　 塔楼外框柱间跨度为8.0m, 主梁高为800mm;外框柱与核心筒之间跨度为10～16m, 梁高为650～800mm。板短跨方向跨度约为4m, 楼板厚度为120mm;核心筒内部由于楼梯间、电梯间以及设备管井的存在, 存在开洞, 对楼面有一定的削弱, 因此将核心筒内部楼板厚度加至150mm, 并加强其配筋。

　　 本工程分别采用SATWE, MIDAS程序对结构进行计算, 得出结构前6阶周期见表4。由表4可见, 两程序各阶周期基本接近, 第1, 2振型为结构两主轴方向平动, 第3振型为扭转。第1扭转周期与第1平动周期的比值为:SATWE:3.634 5/5.309 3=0.69<0.85;MIDAS:3.549 8/5.367 6=0.66<0.85, 周期比结果接近, 误差较小, 且都满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[3] (简称国高规) 要求。

　　 采用SATWE, MIDAS程序计算各地震作用和风荷载作用下的基底剪力、剪重比、基底倾覆力矩, 结果对比见表5。对比规范谱地震作用和风荷载作用数据可知, 该结构两个方向均为风荷载工况控制。

　　 结构整体稳定性的判断指标为刚重比, 根据国高规第5.4.1条和第5.4.4条规定, 对于框架-核心筒结构, 当刚重比≥2.7时, 弹性计算分析时可不考虑重力二阶效应;当1.4≤刚重比<2.7时, 结构满足整体稳定性的规定, 但需考虑重力二阶效应, 计算结果见表6。由表6可知, 结构刚重比均大于1.4, 小于2.7, 能够通过结构整体稳定验算, 但需考虑重力二阶效应的影响。

　　 本工程建筑高度为199.950m, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (DBJ 15-92—2013) ^[4] (简称广高规) 的规定, 采用插值法计算得到结构最大弹性层间位移角限值为1/565。各工况下最大层间位移角见表7, 各楼层弹性层间位移角曲线见图4, 5。

　　 从图4, 5及表7可见, 在地震作用和风荷载作用下, X, Y向的最大弹性层间位移角均能满足规范限值1/565的要求。X, Y向均由风荷载控制, 两程序计算结果最大层间位移角值基本接近, 其变化趋势相近。

　　 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[5] (简称抗规) 第5.2.5条对剪重比的要求, 对结构的剪重比进行验算, SATWE和MIDAS程序计算结果 (图6) 表明少部分楼层在结构底层的剪重比不满足抗规限值1.2%要求, 应按全楼调整后的地震剪力进行相关设计, X向调整系数为1.15, Y向调整系数为1.16。

　　 根据国高规第3.5.2条, 高层建筑相邻楼层需进行楼层侧向刚度比的验算, 对于框架-核心筒结构, 本层楼层与其相邻上一层的侧向刚度比不宜小于0.9;当本层层高大于相邻上一层层高的1.5倍时, 本层楼层与其相邻上一层的侧向刚度比不宜大于1.1, 对结构底部嵌固层, 该比值不宜小于1.5。本工程各楼层本层刚度与相邻上一层侧向刚度比见图7。

　　 由图7可见, MIDAS与SATWE程序得出的结构侧向刚度比计算结果基本吻合, 除33层 (X, Y向侧向刚度比最小值分别为0.95, 1.04) 外, 其他层X, Y向本层侧向刚度与相邻上一层侧向刚度比均大于0.9, 且1层侧向刚度与2层侧向刚度比大于1.5, 满足规范要求。对于结构33层, 由于本层层高与相邻上一层层高之比为6 300mm/3 700mm≈1.70, 大于1.5, 侧向刚度比小于1.1, 依据国高规第3.5.8条, 将结构33层地震作用剪力标准值乘以增大系数1.25进行结构设计, 并将核心筒收进部位上下层 (共两层) 的剪力墙按照约束边缘构件配筋设计。

　　 框架作为框架-核心筒结构的二道防线, 需具有良好的延性和耗能能力, 框架部分分担的地震剪力和倾覆力矩占比见表8。

　　 按国高规第9.1.11条规定, 当框架部分分配的地震剪力标准值小于结构底部总地震剪力标准值的20%, 但其最大值不小于结构底部总地震剪力标准值的10%时, 应按结构底部总地震剪力标准值的20%和框架部分楼层地震剪力标准值中最大值的1.5倍二者的较小值进行调整, 本项目根据计算取结构底部总地震剪力标准值的20%进行调整。

　　 框架和核心筒各自分配的剪力和倾覆力矩比例见图8, 9。

　　 根据本工程的特点、结构功能和构件重要性及抗规中的“两阶段三水准”原则, 并综合考虑“强柱弱梁、强剪弱弯”的基本概念, 本工程整体结构的抗震性能目标定为C级, 各构件的抗震性能目标见表9。

　　 抗规采用二阶段设计来实现三个水准的抗震设防目标:第一阶段设计是承载力验算, 第二阶段设计是弹塑性变形验算, 对于国高规第3.7.4条规定的复杂结构需要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施, 实现第三水准的设防要求。

　　 本工程为Ⅲ类场地7度抗震设防的丙类建筑且房屋高度超过150m, 应进行罕遇地震下的薄弱层弹塑性变形验算。

　　 采用PERFORM-3D程序对本工程进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析, 首先对模型进行模态分析, 并与SATWE程序的常规计算总重力荷载代表值、周期进行对比。一方面可以验证模型的总质量和刚度的准确性, 另一方面也可以对结构的基本动力特性做出初步判断。PERFORM-3D和SATWE程序计算分析结果对比见表10, 11。从表10, 11可以看出, 两程序的计算结果基本一致, 满足工程精度要求, 说明用于动力弹塑性计算分析的模型是合理、准确、可靠的。

　　 采用的三条地震波天然波1、天然波2、人工波1 分别为工况1～3, 结构在罕遇地震作用下的X向的最大楼层位移曲线、最大层间位移角曲线、最大楼层剪力曲线见图10～12。罕遇地震与多遇地震作用下X向基底剪力和楼层层间位移角见表12, 13。

　　 由图10～12及表12, 13可以看出, X向的最大层间位移角均小于抗规中关于弹塑性层间位移角限值1/100的要求, 罕遇地震下基底剪力和最大层间位移角分别是多遇地震下基底剪力和最大层间位移角的3.5～5.5倍, 符合规范要求。可以判断结构最终能保持基本直立, 满足罕遇地震水准“4”的性能目标。

　　 鉴于三条地震波作用下, 结构在天然波1作用下的弹塑性损伤较为明显, 本文将主要讨论天然波1 (工况1) 作用下结构及构件的性能。从结构整体到各类构件, 判断结构的整体性能并找出结构的薄弱部位。在罕遇地震作用下整体结构的塑性发展过程见图13。由图13可以看出, 连梁和框架梁会先后出现弯曲塑性铰, 梁端塑性铰在各个楼层分布较为均匀, 大部分框架梁满足小于临界倒塌的性能水准, 连梁整体出现中度损伤, 部分出现比较严重损伤。

　　 根据罕遇地震下结构的动力弹塑性时程分析结果, 得出以下结论:1) 在罕遇地震作用下, 结构最大层间位移角小于1/100, 满足规范要求;2) 在罕遇地震作用下结构的最大基底剪力相当于多遇地震下基底剪力结果的3.5～5.5倍;3) 连梁和框架梁会先后出现弯曲塑性铰, 梁端塑性铰在各个楼层分布较为均匀, 大部分框架梁满足小于临界倒塌的性能水准, 连梁整体中度损伤, 部分比较严重损伤。

　　 结构在罕遇地震作用下能够满足水准4的性能目标。

　　 (1) 框架-核心筒结构体系中, 钢筋混凝土核心筒具有较大的抗侧刚度, 承担大部分的水平荷载和倾覆力矩;外框柱具有较好的延性和耗能能力, 可作为结构抗震的二道防线。

　　 (2) 本工程核心筒收进部位会引起结构刚度突变, 属于结构的薄弱环节, 在设计阶段应引起重视, 并应根据分析结果对其采取加强措施。

　　 (3) 层间位移角变化率比较真实地反映了弯曲型变形结构的竖向刚度变化。

　　 (4) 根据抗规的“两阶段三水准”设计原则, 设计中采用多种程序对结构在多遇地震下的响应进行计算分析, 并对关键构件的抗震性能进行了验算。罕遇地震下结构的动力弹塑性时程分析结果表明, 结构满足水准4的性能目标。