1 工程概况

　　 银泰时代中心超高层塔楼项目位于杭州市临平新城，总建筑面积约10万m²,建筑高度为197.5m, 地下3层，地上47层(含6层裙房),1～21层为五星级酒店，21层以上为5A级写字楼。建筑效果如图1所示。

　　 图1 建筑效果图 

　　 塔楼原采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构，于2013年通过超限审查 ^[1]并完成施工图设计，后施工至4层楼面后工程暂停。2017年年初工程准备续建，应建设方要求调整结构设计方案：结构形式由现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构改为钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒混合结构。因调整幅度大，且当地抗震设防烈度由原来的6度提高至7度，本工程于2017年4月重新进行了超限审查 ^[2]及施工图设计。本文主要对方案调整前后的两种结构形式进行对比和分析，并对现方案进行大震弹塑性分析，以考察设计的合理性。

2 主楼结构续建设计

　　 本工程原抗震设防烈度为6度，续建时已提高为7度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，抗震设防类别为标准设防类(丙类),基本风压取值0.50kN/m²。

2.1 设计难点

　　 塔楼结构设计方案修改过程中，主要难点在于现方案相对原方案变化较大，且结构已按原方案施工至4层，所以续建时修改方案需结合原方案并在其基础上进行考虑。

2.2 设计思路

　　 塔楼地上原设计结构形式为现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构，主要抗侧力体系为核心筒、外框架协同作用 ^[3]。楼面和屋面采用现浇钢筋混凝土楼板，首层楼板板厚200mm, 地上一般楼层板厚120mm; 混凝土主梁截面尺寸有600×850,500×800,400×800,300×800;核心筒剪力墙厚度由600～250mm分段过渡；13层楼面以下采用型钢混凝土框架柱，截面尺寸为1 400×1 100,13层以上采用混凝土柱，截面尺寸为1 300×900。原设计标准层结构平面布置图如图2所示。

　　 图2 原设计标准层结构平面布置图  

　　 图3 修改设计后标准层结构平面布置图  

　　 结合建设方要求，考虑施工进度及成本等因素，续建时修改主楼结构形式为钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒混合结构。考虑本楼已施工至4层楼面，底层柱及核心筒尺寸已确定这一情况，为保证原裙房结构及主楼结构满足原建筑功能要求，决定7层及以下结构形式保持不变，仍采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构，7层以上采用钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒混合结构。修改设计后的标准层结构平面布置图如图3所示。

　　 单纯从结构形式考虑，前后两种方案均为框架-核心筒结构，不同点在于原方案为现浇钢筋混凝土框架及现浇混凝土梁板体系，现方案为钢框架及钢梁+钢筋桁架楼承板体系。因此，在方案修改过程中，对核心筒保持其尺寸，剪力墙厚度也不变，仅在核心筒四角暗柱处增设型钢插入7层以下混凝土角柱中，保证核心筒这一主要抗侧力构件的上下连续及统一，如图4所示。此型钢柱将一直贯通伸至塔楼核心筒顶，以确保核心筒的延性。

　　 图4 核心筒四角增设型钢 

　　 而对于外框柱，为提高底部框架柱的抗震承载力和抗震延性，将原型钢混凝土柱伸至7层裙房顶，在7层以上才转换为钢管混凝土柱，参考图集16G519节点将钢管混凝土柱钢管插入7层以下型钢混凝土柱中 ^[4],保证外框柱这一竖向构件的连续性，并提高7层薄弱层外框柱的延性，如图5所示。7层至屋顶钢管混凝土柱截面尺寸由800×800过渡变化至600×600。

　　 图5 外框柱连接节点 

　　 外围框架平面钢梁与外框柱刚接，其余楼面主钢梁与外框柱刚接，与钢筋混凝土筒体以铰接为主，当与核心筒四角连接时采用刚接，如图3所示；主钢梁截面为H700×350×20×22,H650×300×20×25。

　　 楼面采用钢筋桁架楼承板形式，标准层板厚120mm, 避难层及屋面板厚130mm。

2.3 设计计算结果

　　 本工程前后两个方案结构高度均超过《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[5](简称《高规》)规定的相应结构适用高度，均属于超限超高层建筑，因此参考类似项目 ^[6]均进行了详细的超限超高层建筑结构设计可行性研究，对比这两个方案在多遇地震和风荷载作用下的主要计算结果如表1所示。

　　 多遇地震和风荷载作用下主要计算结果 表1

　　 考虑设防烈度的提高，通过对比两种方案相应的计算结果，可以作出以下分析：1)现方案相对原方案总质量减小约13%,在减少部分材料用量的同时，使底部已施工的型钢混凝土柱在设防烈度提高的情况下，轴压比仍不超过《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[7](简称《抗规》)限值；2)现方案相对原方案周期加长，地震作用下基底剪力及剪重比增大，现方案相对原方案刚度有所降低；3)现方案相对原方案最大层间位移角增大，但仍满足《高规》中层间位移角限值要求。

3 大震弹塑性时程分析

　　 针对超限情况，采用PKPM SAUSAGE软件对本工程现方案进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，计算结构在罕遇地震作用下的动力响应，研究体型超限对其抗震性能的影响，判断结构薄弱部位。

　　 通过多遇地震弹性时程分析，从PKPM软件地震波库中筛选出适合本工程计算使用的、满足规范要求的2条天然波(TH2,TH4)和1条人工波(RH1)。三向同时输入，主方向地震作用最大加速度取220cm/s²,主方向、次方向和竖向最大加速度比值取为1∶0.85∶0.65,地震波时间步长取为0.02s。塔楼在各条地震波作用下分别以X向或Y向为主方向计算结果见表2、表3。

　　 基底剪力 表2

　　 最大层间位移角 表3

　　 由计算结果可知，罕遇地震作用下结构两个主方向的基底剪力约为多遇地震作用下的3.1～5.0倍，比两种地震作用下考虑的最大加速度比值(220/35=6.29倍)小，这是由于考虑了结构构件的弹塑性行为 ^[8],说明计算模型符合实际情况。同时3条地震波在不同方向上计算的整体结构层间位移角均未出现在某一楼层突变和塑性变形集中的情况，且层间位移角最大值约为弹性层间位移角限值1/800的4倍，小于《高规》规定的框架-核心筒结构弹塑性层间位移角限值1/100,说明结构整体刚度能够满足预期的性能目标要求。

　　 进一步分析塔楼各种结构损伤情况，在罕遇地震的各条地震波作用下：核心筒墙肢在绝大部分区域受压损伤系数小于0.1,处于轻度损伤水平，核心筒四角型钢暗柱处于弹性工作状态，核心筒连梁出现了损伤，形成耗能机制，保护了核心筒墙肢，核心筒剪力墙构件总体评价的性能等级达到了“中度损坏”;10层以上钢管混凝土框架柱单元基本无损坏，10层以下框架柱损伤程度较大的部位一般在柱根位置，7层型钢混凝土柱转化为钢管混凝土柱处，柱根有轻度损坏，设计时可考虑适当加强6,7层框架柱，有损伤框架柱构件的性能等级都能够控制在“轻微损坏”以下，底层柱能控制在“无损坏”;框架梁的性能等级大多数处于“中度损坏”以下，一般楼层楼板损伤较少。

　　 通过以上分析得出，罕遇地震作用下，结构塑性变形发展的顺序是：楼面梁→剪力墙连梁→剪力墙→框架柱。大震下各构件的损伤情况也能符合预先设定的抗震性能目标。

4 主要抗震加强措施

　　 针对高度超限情况，通过方案比较、整体弹性分析及弹塑性时程分析，结合相关工程经验 ^[9],具体采用以下抗震加强措施：

　　 (1)主楼按大于130m高的钢-混凝土混合结构高层建筑有关要求进行设计，钢管混凝土框架和钢筋混凝土核心筒抗震等级均为一级。

　　 (2)按图5所示节点做好型钢混凝土柱与钢管混凝土柱的过渡处理。

　　 (3)按《抗规》要求复核已施工楼层的设计，对不满足要求的部分进行必要加固处理。

　　 (4)严格控制结构扭转效应，考虑偶然偏心时扭转位移比均按不大于1.4控制。

　　 (5)调整薄弱层及其上3层的侧向刚度，使二者尽量接近。

　　 (6)确保周边框架的二道防线作用。周边框架作为框架-核心筒结构的第二道抗震防线，须承担不小于规范规定的地震剪力(不少于10%),截面设计时若地震剪力不满足要求则应进行调整。在7层设置过渡层，且外框柱抗弯刚度变化不超过30%。

　　 (7)对主楼底部加强区及结构过渡区的竖向抗侧力构件进行中震弹性验算，复核原设计以确保中震作用下，结构承载力满足弹性设计要求。

　　 (8)核心筒剪力墙加强配筋(底部加强区分布钢筋的最小配筋率不小于0.35%),确保墙肢受力均匀，同时复核底部加强区核心筒约束边缘构件的配箍率。

　　 (9)采用多个符合结构实际受力状态的空间力学模型进行分析和比较。本项目采用结构软件(PKPM-SATWE,MIDAS Building等)对计算结果进行分析比较，重点部位构造加强。

　　 (10)对结构进行小震弹性时程分析，结构设计以振型分解反应谱法为主，以时程分析法作为补充，计算结果取两者包络值。在利用振型分解反应谱法进行配筋计算时，楼层地震力适当放大。

　　 (11)对结构进行罕遇地震弹塑性动力时程分析，复核弹塑性层间位移角限值，保证结构整体刚度；查找结构薄弱部位，加强薄弱部位构造。

5 已建部分主要加固方法

　　 由于该塔楼续建前后抗震设防烈度提高了一度，且建设方根据装修方案重新划分建筑空间并变更部分房间用途，如增加室内游泳池、室内旋转楼梯等，导致已施工的1～4层结构需要加固。

　　 根据新修改建筑方案按7度设防进行建模计算，然后与已施工结构的原方案计算结果及其实际尺寸、配筋进行比较，发现主要结构计算指标均满足《高规》要求。原型钢柱及核心筒等竖向构件有较大安全余量，满足现尺寸、配筋要求，只有部分主次梁等受弯构件尺寸、配筋不足，不满足强度要求，故主要对1～4层混凝土梁进行加固。

　　 结合现场实际条件及施工进度要求，该项目主要采用了粘贴钢板加固法 ^[10],加固后合理使用年限为50年。加固主要节点如图6所示。通过梁面粘钢，补强混凝土梁上部钢筋不足；通过梁底及梁侧粘钢，补强混凝土梁下部钢筋及箍筋不足。

　　 图6 粘贴钢板加固法主要节点  

6 结论

　　 (1)采用钢框架-混凝土核心筒混合结构相对采用钢筋混凝土框架-核心筒结构材料总用量减少、抗侧刚度降低，且刚度富余减小。结合工期、绿色施工等因素，混合结构方案更为合理。

　　 (2)对已施工至一定楼层高层建筑修改结构方案的情况，宜结合原方案进行考虑。本项目采用裙房顶以下按原方案，裙房顶以上采用修改方案的方式，重点考虑结构形式改变处竖向结构的转换节点，保证了竖向结构的连续统一，最大程度减小了修改后方案对已施工结构的影响。

　　 (3)针对现方案混合结构超限情况，有针对性地采取多项抗震加强措施，并进行抗震性能化补充验算(如大震弹塑性时程分析)。结果表明，加强措施有效，结构的安全性得到了保证，该结构可以实现预期的抗震性能目标。