宁波新世界广场5号地块项目 (图1) 位于宁波市中心区, 功能为酒店、办公及商业综合塔楼, 裙房部分为商业餐饮, 地下为后勤、停车场及非机动车车库。5号地块项目用地面积10 700m², 总建筑面积159 260m², 其中地上建筑面积120 394m², 地下建筑面积38 866m²。建筑结构高度249.80m, 大屋面结构标高238.750m。地上56层, 地下4层, 首层为商业, 2~4层为酒店宴会区, 5~41层为办公区, 42~56层为酒店区, 其中10, 11, 22, 33, 34, 42, 44层为设备/避难层。首层及2层层高6m, 3层5.55m, 4层以上办公区楼层层高4.15m, 酒店区楼层层高为3.6m。建筑剖面及楼层功能分布见图2。

　　 设计使用年限50年, 塔楼混凝土结构耐久性设计使用年限100年;结构安全等级一级;抗震设防烈度6度, 抗震设防类别为标准设防类 (乙类) ;基础设计等级甲级。

　　 塔楼采用钻孔灌注桩基础, 桩基承载类型为端承摩擦混合型, 桩端后注浆。桩身裂缝控制等级为三级, 裂缝宽度为0.3mm。桩径1 000mm, 桩长72m, 桩端持力层为 (9) 圆砾层, 基桩单桩竖向承载力特征值为10 500k N。塔楼底板厚度3 000~3 500mm, 混凝土强度等级C35。塔楼底板计算最大沉降量65.3mm (图3) 。

　　 图4为塔楼标准层平面图, 其有3个主要特点:一是每侧仅有3根框架柱, 柱距较大, 最大达12m;二是角部悬挑大, 将近10m;三是核心筒尺寸较大, 核心筒内皮尺寸为25.125m×24.850m, 柱定位轴线至核心筒内皮距离9.47m。每侧3根外框柱的布置给结构选型带来一定难度, 若采用巨柱形式则会因建筑高度仅有249.80m而造成刚度过大, 经济性差。若采用一般框架形式, 由于柱距较大则势必导致外框较弱难以达到二道防线的设计要求。经多方案比选最终确定采用钢管混凝土框架柱+钢梁+两道腰桁架+钢筋混凝土核心筒的结构形式。

　　 图3 塔楼底板沉降图/mm

　　 塔楼采用矩形钢管混凝土框架+环带桁架+钢筋混凝土核心筒结构体系 (图5) 。外框结构由矩形钢管混凝土柱、外框钢梁构成。钢管混凝土柱最大截面为□2 200×2 100×45×45 (表1) 。钢梁截面为□400×800×16×30, 钢梁与核心筒铰接, 与外框柱刚接。

　　 在22层和44层设置环带桁架, 其中44层的环带桁架同时作为转换桁架转换酒店客房落下的柱子 (图6) 。桁架弦杆截面为H650×800×16×42, 腹杆截面为H550×550×50×50。对转换桁架上下弦所在楼层的楼盖设置水平支撑 (图6) , 保证桁架的侧向稳定。其中与悬挑桁架相连的支撑梁 (GL11) 与桁架采用刚接处理, 由支撑梁 (GL11) 的受弯来平衡桁架上下弦的扭矩。

　　 核心筒剪力墙采用钢筋混凝土, 仅在四角设置构造钢骨。核心筒外墙厚度由下至上为1 100~400mm, 内墙厚度由下至上为500~300mm。

　　 核心筒内采用现浇钢筋混凝土梁板结构, 板厚120mm。核心筒外采用闭口型压型钢板组合楼板, 板厚120mm。加强层楼板采用现浇钢筋混凝土楼板, 板厚200mm。办公标准层角部楼盖采用悬挑钢梁方案 (图4) 。酒店标准层四角各增加两根钢柱并采用现浇空心楼板, 板厚300mm, 以增加建筑净高 (图7) 。楼板混凝土强度等级均为C30。

　　 风气候分析^[1]得到的基本风压值0.548k N/m²比《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[2] (简称荷载规范) 给出的基本风压值0.50k N/m²大10%左右。设计时采用风气候分析的基本风压、按荷载规范方法得到的风荷载及风洞试验测得的各风向角下的等效静力风荷载的包络值。

　　 建筑周边存在大量不对称的干扰建筑 (图8) , 受建筑群体效应影响, 5号地块塔楼基底剪力的极大值并非发生在主轴方向, 其中X向的基底剪力F_X的极大值发生在60°, 240°风向角附近 (图9) ;Y向的基底剪力F_Y的极大值发生在30°, 210°风向角附近 (图9) 。

　　 图10为《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (简称抗规) 规定的小震下反应谱曲线与安评反应谱曲线^[4]的对比, 可见, 安评反应谱曲线地震影响系数大于规范值较多。安评报告中的小震加速度为32cm/s², 为规范值的1.78倍。根据超限审查技术要点第十二条第 (二) 款规定, 中震和大震的规范参数宜按小震加速度放大倍数 (1.78) 进行调整。图11为中震、大震下调整后的地震影响系数与安评值的比较。最终用于设计的小震、中震及大震下的地震影响系数均按安评反应谱取值, 分别为0.09, 0.228, 0.39。

　　 本工程主要屋面结构高度238.750m, 超出《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[5] (简称高规) 规定的混合结构6度区型钢 (钢管) 混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构最大适用高度220m。同时具有扭转不规则、楼板不连续、刚度突变、尺寸突变、构件间断、承载力突变和局部不规则共7项不规则项, 属于超限高层建筑结构。

　　 针对结构高度超限, 采用矩形钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。在22层、44层设置环带桁架, 增强了结构的整体性及抗侧刚度, 且增加了结构协调变形能力。核心筒剪力墙底部加强区的抗震等级按特一级设计。核心筒底部加强区四角设置构造钢骨。从严控制主要抗侧构件延性指标, 剪力墙轴压比控制在0.50以内, 框架柱轴压比控制在0.65以内。采用抗震性能化设计方法, 对关键构件按设定的设防地震及罕遇地震设防目标进行设计。加大跃层柱上下端的梁截面, 跃层柱所在楼层外框剪力按0.2V₀调整后放大1.5倍进行强度设计。

　　 采用YJK, ETABS软件分对结构别进行了多遇地震下三个方向的弹性反应谱分析;采用弹性时程分析法进行多遇地震补充计算;进行动力弹塑性分析, 评估罕遇地震作用下结构抗震性能。

　　 针对本工程结构超限的情况, 综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、造价等因素, 本工程结构的抗震性能目标定为介于C~D级 (表2) 。各结构构件的具体抗震性能要求见表3。

　　 结构第一振型为Y向平动, 相应周期为5.97s;第二振型为X向平动, 相应周期为5.94s;第三振型为扭转, 相应周期为4.05s。由于外框柱较少, 第一周期相较类似高度的项目明显偏长。第一扭转周期与第一平动周期之比为0.68, 小于高规3.4.5条对B级高度高层建筑0.85的要求。

　　 主体结构在地震作用及风荷载作用下的层间位移角比较接近 (表4) , 且明显小于规范限值1/523的要求。

　　 计算的框架部分楼层剪力, 除个别楼层、加强层及其相邻上下层外, 大部分楼层剪力不低于基底剪力的8%, 最大楼层剪力大于基底剪力的10%, 最小楼层剪力不低于基底剪力的5% (图12) 。底部楼层框架部分承担的倾覆力矩约占结构总倾覆力矩的百分比:X向为15.6%, Y向为15.7% (图13) 。

　　 办公标准层角部长悬挑梁竖向地震作用按时程分析法进行计算。地震加速度最大值按安评加速度峰值的65%采用。时程分析采用7条地震波 (5条天然波、2条人工波) 。图14为典型悬挑框架梁在恒载、活载及不同时程波工况下弯矩计算结果。设计中, 竖向地震作用按放大重力荷载效应的方法来考虑, 放大系数按照分段取包络的原则确定, 分别为7.50% (1~42层) 、31.50% (43, 44层) , 见图15。

　　 转换桁架结构构件按表3设定的抗震性能目标进行了性能化设计。地震作用包括水平地震作用和竖向地震作用。图16为中震作用下 (含竖向地震) 转换桁架构件的应力比分布图, 可见转换桁架构件均能满足设定的性能目标要求。

　　 21层、22层、43层、44层为加强层楼板, 板厚为200mm。该楼板要求截面验算在大震下满足剪压比不屈服的限制条件, 强度设计满足中震下不屈服的性能目标。楼板配筋除按恒载+活载计算受弯钢筋外, 叠加由中震不屈服计算所得的平面内受力钢筋。

　　 图17为双向大震下弹性分析的22层 (加强层) 楼板面内剪应力分布。将剪应力较大区域线性化后, 得到剪应力传递路径, 见图17, 很明显, 剪应力在楼板中基本按照桁架压杆的路径进行传力。楼板大震下的剪压比参考高规对钢筋混凝土剪力墙的剪压比要求, 按下式控制:

　　 各加强层楼板在双向中震不屈服下的强度按楼板面内轴力进行设计。经验算配置14@200双层双向通长钢筋可以满足地震作用下的强度设计性能目标要求。

　　 因本工程外框柱少, 柱截面相对梁截面较大, 标准层柱线刚度比梁线刚度大1 000倍以上。为慎重起见, 采用MIDAS/Gen软件对柱的计算长度系数做了专项研究。在整体计算模型中通过对所考察楼层全部外框柱施加轴向力来考察结构线弹性屈曲临界荷载, 然后根据欧拉公式反算柱的计算长度系数。外框柱一阶屈曲模态主要为沿周向的侧移屈曲 (图18) 。框架柱计算长度系数普遍大于1.5 (跃层、加强层及小层高等非常规楼层除外) 。与按《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) ^[6]给出的无侧移计算长度系数的设计结果相比, 柱的稳定承载力变化范围在5%以内。

　　 为避免剪力墙墙肢由于出现较大拉力造成墙肢被拉坏, 严重影响其受压及受剪性能, 对中震双向地震作用下的墙肢全截面平均拉应力进行验算。52层及以下各墙肢在中震双向地震作用下均未出现拉应力 (图19) , 53~56层个别墙肢虽然有拉应力, 但其全截面平均拉应力小于0.58f_tk, 根据上述计算结果, 墙肢不需设置钢骨。

　　 利用ABAQUS软件对主体结构弹塑性性能进行了模拟分析。分析采用显式积分算法, 阻尼采用振型阻尼, 结构体系的阻尼矩阵由下式给出:

　　 本项目弹塑性分析共进行了7组地震记录 (每组记录包括三个方向分量) , 在X, Y两个主轴方向分别进行三维输入, 共计14个工况。罕遇地震峰值加速度为156cm/s²。

　　 图20为Y向基底剪力时程曲线。弹塑性基底剪力约为弹性大震基底剪力的75% (表5) 。在所选取的7组地震记录输入作用下, 结构最大层间位移角为1/244, 满足“大震不倒”限值1/100的要求。其中楼顶X向最大位移为554mm, 楼层最大层间位移角为1/244 (20层) ;楼顶Y向最大位移为541mm, 楼层最大层间位移角为1/261 (36层) 。

　　 由分析可知, 大部分连梁发生受压损伤破坏, 部分连梁箍筋屈服, 所配钢板屈服, 连梁在罕遇地震作用下形成了铰机制, 符合屈服耗能的抗震工程学概念;结构大部分剪力墙墙肢混凝土受压损伤因子较小 (混凝土压应力未超过抗压强度标准值) ;墙肢竖向分布钢筋及暗柱纵筋整体上处于弹性工作状态;顶部3层由于墙体收进较多, 部分墙肢水平钢筋屈服;部分小墙肢靠近洞口边缘部分水平钢筋屈服;外框柱混凝土受压损伤微小, 最大压应力未达到混凝土抗压强度标准值;外框柱钢管均未屈服;个别外框钢梁屈服。加强层楼板剪应力分布满足大震不屈服的剪压比要求, 楼板钢筋未屈服, 可以保证大震下的可靠传力;加强层腰桁架及转换桁架处于弹性工作状态。可见, 本工程塔楼主体结构能够满足高规规定的弹塑性性能要求。

　　 本文介绍了宁波新世界广场5号地块这一具有稀疏外框柱布置特点的超高层建筑的结构设计, 通过风洞试验及地震安全性评价研究其在风荷载及地震作用下的特点。结构的静、动力分析表明, 主体结构采用钢管混凝土框架柱+钢梁+两道腰桁架+钢筋混凝土核心筒的结构形式是适当的和可行的。角部大悬挑采用时程分析法考虑竖向地震作用以保证设计的安全性。外框柱一阶屈曲模态主要为沿周向的侧移屈曲。框架柱计算长度系数普遍大于1.5 (跃层、加强层及小层高等非常规楼层除外) 。与按规范给出的无侧移计算长度系数的设计结果相比, 柱的稳定承载力变化范围在5%以内。期望本文相关研究能对低烈度区稀疏外框超高层塔楼结构设计提供相关经验。