世茂G11项目位于南京市建邺区集庆门大街南侧、江东中路东侧、云锦路西侧,总建筑面积约58.7万m²,是涵盖商业、酒店、办公和公寓的大型综合体,效果图如图1所示。本文主要介绍公寓塔楼的结构设计,办公塔楼结构设计参见文献[1]。公寓塔楼的设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,重点设防类。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Ⅲ类,场地特征周期为0.45s。50年重现期的基本风压为0.40kN/m²,由于结构高度超过200m,荷载采用风洞试验和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)包络设计。

　　 项目场地属长江漫滩地貌单元,区域地质构造较稳定,附近无活动性断裂,场地内土体分布较为稳定。地表下约有60m厚粉土层和砂土层(②层),经局部中细砂层(③层)后,其下有强风化粉砂质泥岩(④_-1层)和中等风化粉砂质泥岩(④_-2层)。根据地质报告提供的地质条件和上部结构布置及荷载分布情况,基础采用整体性好、调整变形能力强的桩筏基础。

　　 公寓塔楼基础底板厚3.6m,混凝土强度等级C40,桩径1.2m,桩长约46m,单桩承载力特征值18 650kN,桩身混凝土强度C50,桩端进入持力层(④_-2层中等风化粉砂质泥岩层)4m,塔楼下合计149根桩。基桩采用桩端后注浆工艺,桩端后注浆仅为保证成桩质量的措施,不计入基桩承载力。

　　 公寓塔楼体型规则,平面为长方形,楼层平面外包尺寸49.5m×34.3m,内筒尺寸33.4m×10.9m,建筑高宽比7.2,内筒高宽比23。低区(10～25层)及中区(26～55层)层高为3.3m,高区(56～68层)层高为3.6m,标准层结构平面布置图如图2所示。

　　 结构体系采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。为尽可能提高建筑平面利用率以及优化10层以下商业楼层的建筑平面功能布局,针对剪力墙筒外结构布置方式,在方案阶段考虑了3种不同方案,如图3所示,剪力墙筒体布置均一致。

　　 结构Y向尺寸较短、刚度较弱,Y向刚重比为首要控制指标,其他整体指标都满足规范^[2]要求,Y向刚重比如表1所示。

　　 从表1可以看出方案A刚重比较规范^[2]限值(1.4)相差较大,方案可行性差。方案B及方案C整体指标均符合规范^[2]要求。对方案B及方案C进行进一步的优化。

　　 方案B为了降低对10层以下商业楼层的影响,结构需要在10层对密肢墙进行转换,如图4所示,可集中在10层进行一次性转换,或者在10,25,40,55层分4次分别进行转换,但均对楼层使用净高影响较大。

　　 方案C可设置伸臂桁架^[3]的楼层为10,25,40,55层,核心筒单侧可设置4道或2道伸臂,如图5所示。不同伸臂桁架设置方式下,结构整体刚重比计算结果如表2所示。可以看出表中按4/0/2/2及2/2/2/2方式设置伸臂桁架,在水平荷载作用下结构刚重比小于1.4的规范^[2]限值,不满足要求;其余伸臂桁架布置方案,结构刚重比大于1.4,满足规范^[2]要求。

　　 考虑到方案C结构型钢用量大、施工难度高、施工周期长,且由于加强层的存在使结构侧向刚度出现较大突变,故不采用带伸臂桁架加强层的结构形式(方案C)。

　　 对方案B做进一步研究。为取消转换,并降低对商业楼层、机电楼层净高及工程造价的影响,对方案B密肢墙方案进行优化,将其简化为双柱或单柱,如图6所示。单柱方案可实现无转换,对首层建筑大堂无影响,为最优方案。

　　 根据最终结构方案计算结果,结构Y向刚重比为1.433>1.4,满足规范^[2]要求。

　　 针对上述结构体系选型过程,Y向剪力墙筒体高宽比较大、刚度不足。为保证结构体系能有效承受水平荷载作用,实现多道防线设计理念,利用集中布置在中央的剪力墙筒体,与外部框架部分组成框架-剪力墙结构,具有较好的整体性及有效的抗侧刚度。

　　 剪力墙核心筒外墙和内墙厚度见表3。剪力墙的混凝土强度等级:42层及以下为C60,43～53层为C50,53层以上为C40。为了满足局部墙体轴压比要求、提高延性以及抵抗中震作用下墙肢拉力,地下4层～6层局部位置设置钢骨,底部加强部位及以下楼层(地下4层～6层)含钢率为2%～3%。

　　 框架柱共18根,其中包括外框架与剪力墙间的2根内柱。外框柱截面尺寸随高度增加而递减,X向角柱截面尺寸见表4。外框柱的混凝土强度等级:55层及以下为C60,56层及以上C50。为了提高外框柱的延性,49层以上外框柱设置构造钢骨,含钢率2.0%～3.0%,计算中不考虑钢骨的作用。

　　 公寓塔楼主屋面结构高度248m,超过规范^[2]第3.3.1条规定的7度抗震设防烈度框架-剪力墙结构高度限值140m,为高度超限,应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。最大扭转位移比1.32,大于规范^[4]的规定(1.2),为扭转不规则。

　　 底部加强区及剪力墙收进处是结构性能设计的控制关键点,根据超限专家的建议需对结构底部加强区及剪力墙收进处加强处理。底部加强区及剪力墙收进处的外框柱及剪力墙均按照中震抗弯弹性、中震抗剪弹性控制。底部加强区剪力墙竖向分布筋及水平分布筋配筋率不小于0.6%,核心筒收进处剪力墙水平分布筋配筋率不小于0.5%。

　　 公寓塔楼的结构抗震性能目标设定为C级,并结合超限专家的意见提高特定部位的抗震性能目标,结构各部位的抗震性能目标见表5。

　　 小震弹性反应谱分析,采用YJK V1.8.2.0和ETABS V2013软件。根据计算结果,塔楼的水平荷载效应由地震作用控制,两种软件计算的主要结构动力学特性和控制指标吻合较好,结构在竖向荷载、风荷载和地震作用下的承载力和刚度等各项指标均满足规范^[2,4]要求,计算结果可靠,可以作为工程设计的依据。

　　 本工程所有楼层满足规范^[4]第5.2.5条规定的最小剪重比85%及80%的要求,另根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)相关规定,X向基本周期大于5s,剪重比限值取规范限值的0.85倍,即1.2%×0.85=1.02%;Y向基本周期大于6s,剪重比限值取规范限值的0.8倍,即1.2%×0.8=0.96%。

　　 计算X向、Y向刚重比分别为2.284,1.433,整体计算中需考虑二阶效应对结构内力和位移的不利影响。

　　 除高区个别楼层外,框架部分剪力分担比均大于10%,满足《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)对于外框架剪力分担比的要求,说明框架部分达到足够的刚度,可作为结构的二道防线。

　　 根据本工程的性能设计要求,对主体结构进行了等效中震弹性及中震不屈服计算。

　　 经计算分析,中震作用下,底部加强区及高区收进处剪力墙的抗剪抗弯钢筋均为构造钢筋;底部加强区及高区墙体收进处外框柱的抗剪抗弯钢筋均为构造钢筋,可以满足中震弹性的性能要求。

　　 对剪力墙筒体进行了中震不屈服验算,计算时分别按照0°,90°地震作用方向进行结构双向地震作用下的中震不屈服拉应力验算。计算分析表明,结构底部1～3层部分墙体出现拉应力,4层仅筒体角部墙体出现拉应力,但截面的拉应力均未超过混凝土抗拉强度标准值f_tk=2.85N/mm²;结构底部1～3层其他墙体及4层以上墙体未出现拉应力,在中震作用下剪力墙性能较好。

　　 罕遇地震下的弹塑性动力时程分析采用PKPM-SAUSAGE 2017。进行动力时程分析时,选用二组天然波(L080,L262)和一组人工波(L750)的加速度时程曲线。

　　 三组地震波分别取X,Y向为主方向时的结构位移结果,最大层间位移角曲线如图7所示,X向为主输入方向时,楼顶最大层间位移1 109mm(人工波L750),最大层间位移角1/102(天然波L080,66层);Y向为主输入方向时,楼顶最大层间位移1 261mm(天然波L262),最大层间位移角1/100(天然波L262),结构在罕遇地震作用下最大层间位移角满足规范1/100的限值要求。

　　 为达到防倒塌的抗震设计目标,应确保关键位置构件变形及弹塑性损伤在可接受范围内,图8为大震下剪力墙筒体的弹塑性损伤情况。

　　 在弹塑性时程分析中,构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子及钢材(钢筋)的塑性应变程度作为评定标准,主要结构构件的破坏损伤情况如下:1)底部加强区剪力墙轻度损伤,个别墙肢考虑内置型钢;2)高区剪力墙收进处剪力墙轻度损伤,收进处局部区域出现中度以上受压损伤,但不影响剪力墙的竖向承载能力;3)连梁混凝土破坏较重,形成了铰机制,发挥了材料的屈服耗能作用;4)低、中区楼层外框柱、外框梁仅个别构件出现轻微的塑性应变,柱脚没有出现塑性应变,框架柱、框架梁基本均处在弹性状态。高区楼层收进部位部分梁及柱钢筋出现一定程度屈服,框架柱应进行配筋加强。

　　 整个计算过程中结构始终保持稳定,能够满足“大震不倒”的要求。结构的弹塑性反应和破坏机制符合结构抗震工程的概念设计要求,可达到预定的抗震性能目标。

　　 (1)本工程属于高度超限的高层建筑,结合建筑设计要求,采用了混凝土框架-剪力墙结构体系,具有良好的抗震性能及有效的耗能机制。

　　 (2)采用多种计算程序进行了弹性和弹塑性计算分析对比,计算结果吻合。

　　 (3)结构在小震、中震和大震作用下都能达到设定的性能目标要求,同时设计采取了一系列的加强措施,保证结构安全。