南宁江南万达广场B地块北邻尧头岭路, 东邻福园街南段, 南邻亭洪路, 西邻星光大道, 住宅组团位于地块东北侧, 地上由7栋32～34层高层住宅楼 (底部1, 2层为商铺, 3层及以上为住宅) 和多栋1层或者2层临街商铺组成, 其中B1#～B3#楼地上32层, 结构高度98.23m;B5#～B7#楼地上33层, 结构高度98.03m;B8#楼地上34层, 结构高度99.45m。各楼地下通过纯地下室连为一体, 均为两层, 功能为设备用房和地下车库。总建筑面积25.39万m², 地上20.55万m², 地下4.84万m²。

7栋住宅楼建筑平面布置相似, 都是不同建筑单元以45°, 135°或90°拼接组合, 组合后平面呈蝶形, 南北向宽约24.5m, 东西向长约60m。每栋住宅楼与周边商铺在地上通过防震缝分开;各楼的地上部分平面不规则且超长, 周期比指标超限严重, 通过在平面中部设防震缝将结构分为两个单元以解决抗扭刚度过弱问题。各楼座平面及防震缝位置示意见图1。

7栋住宅楼均因建筑底部大堂及商业功能需要, 较多墙肢不落地, 根据转换层上下竖向构件的布置情况, 部分位置采用框支框架转换, 部分采用厚板转换, 各楼均为部分框支剪力墙结构, 均采用天然地基、筏板基础。考虑7栋住宅楼中B7#楼转换层位置最高 (转换梁顶标高10.28m, 转换厚板顶标高9.98m) , 标高10.28m以下商业部分为2层, 住宅部分为3层, 且同时存在厚板转换和框支框架转换, 转换形式最为复杂, 以下均以B7#楼为代表进行论述, B7#楼标准层结构平面布置见图2, 防震缝以西简称塔1, 以东简称塔2。

本工程设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级, 地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度峰值为0.05g, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.35s, 抗震设防类别为丙类。基本风压为0.35kN/m² (50年重现期) , 地面粗糙度类别为C类。无雪荷载。

B7#楼地下2层, 地下1层层高5.02m, 地下2层层高3.63m, 由于地下室部分基本无外扩部分且地下1层层高较高, 塔1的Y向和塔2的X向地下1层与首层的剪切刚度比大于1.5但小于《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) 规定限值2的要求。因此验算结构指标时以地下1层顶板为嵌固端, 结构配筋设计时以地下2层顶板和地下1层顶板为嵌固端分别进行计算然后进行包络设计, 以地下2层顶板为嵌固端进行构造加强;结构底部加强区为地下1层～地上5层, 剪力墙约束边缘构件范围为地下2层～地上6层。剪力墙抗震等级:地下2层～地上5层为二级, 6层及以上为三级;框支柱及转换墙肢抗震等级为一级, 转换梁抗震等级为二级。

塔1和塔2平面均呈Y字形, 塔1的左上角 (左上角为相对楼电梯间的方向) 底部2层商业柱网与上部住宅的剪力墙45°相交, 2层商业顶设有厚板转换, 塔1右侧3层通高大堂顶为框支框架转换, 塔1左下角为3层住宅, 结构剖面示意见图3;塔2的Y字每一肢在2层顶均有框支框架转换, 转换梁顶标高10.28m。转换层及以下楼层结构平面布置见图4。

地上结构主要构件尺寸如下:1) 转换层及以下楼层的剪力墙厚度为300～800mm, 转换层以上剪力墙厚度为200～300mm。2) 转换层及以下楼层的框支柱截面一般为1 000mm×1 000mm, 框支梁截面一般为1 000mm×1 500mm。3) 外周连梁高度一般为500mm (转角飘窗处为1 000mm) , 内部连梁高度一般为400mm, 宽度同墙厚。4) 楼盖体系为普通现浇混凝土楼盖, 嵌固端板厚为180mm;转换层上下楼层板厚为150mm;转换层厚板板厚为1 500mm, 其他区域板厚为180mm;标准层板厚为100～130mm。剪力墙混凝土强度等级由C55至C30逐级变化。

结构存在如下超限情况:1) 塔1同时设有厚板转换和框支框架转换;塔2设有框支框架转换, 两塔均存在抗侧力构件不连续。2) 塔1、塔2的结构标准层平面均呈Y字形, 均存在平面凹凸不规则。3) 塔1、塔2的较多楼层X向位移比超过1.2, Y向位移比仅底部2层超过1.2, 两向最大位移比出现在底部裙房且均不超过1.5, 均属于扭转不规则结构。4) 塔1标高10.28m以下, 左上角为2层商业, 左下角为3层住宅, 右侧为3层通高大堂, 从图3可以看到, 标高10.28m以下Y字的各肢层数不同。

综上, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) , 塔1、塔2均属于A级高度复杂高层建筑;塔1有4项不规则项, 塔2有3项不规则项。

抗规与安评报告^[3]中相关地震参数的比较见表1, 小震作用下抗规和安评报告地震反应谱曲线对比见图5。由图5可见, 小震下安评报告的反应谱最大峰值远大于抗规, 长周期段也高于抗规, 因此小震设计采用安评报告反应谱。中震、大震的性能化设计选用抗规反应谱计算。

本项目选定的总体抗震性能目标为C级, 结构构件对应的抗震性能设计目标见表2。为了实现表2的抗震性能目标, 在设计中相应采取以下主要措施和对策:1) 通过有效分析计算确保结构性能满足高规和抗规要求。2) 剪力墙厚度收进与混凝土强度等级降低的楼层交错布置, 避免刚度突变。3) 尽量控制转换层上、下结构侧向刚度比接近1;支承转换厚板的转换墙肢 (图4 (b) ) , 同时按框支柱计算, 并包络设计配筋;转换墙肢及框支柱的抗震等级适当提高 (采用一级) , 控制转换墙肢及框支柱轴压比小于0.4, 并提高其延性。4) 对底部加强区墙肢、转换厚板上下相邻层墙肢的配筋做适当加强, 以满足性能目标要求;对局部夹层位置墙肢的配筋做适当加强。5) 适当增加塔楼周边墙体厚度及连梁高度, 增强结构抗扭刚度。6) Y字形中部连接走道处加厚楼板并加强配筋, 确保水平作用能够有效传递。7) 提高转换层及转换厚板的板厚及配筋, 加强转换层上下楼板的厚度及配筋。

分别采用SATWE, MIDAS两种软件对结构进行小震弹性分析, 由于转换厚板上下竖向结构布置45°相交, 整体分析时在转换厚板上下层轴线位置设置虚梁, 厚板定义为面内无限刚、面外有限刚的弹性板, 转换厚板上下层楼板及框支框架转换梁相关楼板定义为面内有限刚、面外刚度为零的弹性板, 结构整体计算主要结果见表3。

由表3可以看出:1) 两种软件计算结果相近;2) 扭转周期比均小于0.85, 满足规范要求;3) 地震作用下最大层间位移角满足规范不宜大于1/1 000的要求;4) 楼层受剪承载力不小于相邻上一层受剪承载力的80%, 满足规范要求;5) 主体塔楼的刚重比大于2.7, 可不考虑P-Δ效应对水平力作用下结构内力和位移的不利影响;6) 地震作用下的底部剪力大于风荷载作用下的底部剪力;7) 楼层最小剪重比小于安评报告反应谱所对应的限值1.96%, 但基本为限值的85%, 设计时底部剪力均放大到安评报告反应谱要求的最小限值, 上部楼层地震力放大同样的倍数。

对于部分框支剪力墙结构, 在水平荷载作用下, 当转换层上下楼层的结构侧向刚度相差较大时, 会导致转换层上下楼层结构构件内力突变, 部分结构构件提前破坏, 因此合理控制转换层上下楼层结构等效刚度比对保证结构抗震性能非常重要^[4]。

B7#楼塔1既有厚板转换, 又有框支框架转换, 且标高10.28m以下Y字的每一肢层数、层高不同, 为了保证结构安全, 在标高10.28m以下分别按3层和2层建模计算, 转换层上下结构刚度比的计算结果见表4。另外考虑到塔1虽然整体结构框支框架承担的地震倾覆力矩小于结构总地震倾覆力矩的50%, 但左上角支承厚板转换的墙肢距离楼电梯间右侧及左下角落地剪力墙较远, 因此将塔1左上角结构单独建模计算转换层结构上下楼层刚度比, 结果见表5。塔2结构单元Y字的每一肢均存在框支框架转换, 标高10.28m以下每一肢层数、层高相同, 转换层上下结构刚度比的计算结果见表5。

从表4、表5可以看出, 塔1、塔2转换层上下结构刚度比均满足规范要求, 塔2的Y向底部刚度偏弱, 后续分析设计时应注意加强。

根据高规第4.3.5条第4款, 选取3组时程曲线进行计算。振型分解反应谱法与弹性时程分析法的底部剪力对比见表6, 可以看到, 各条时程曲线计算得到的结构底部剪力均大于反应谱法计算结果的65%, 三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于反应谱法计算结果的80%, 满足规范要求。各楼层的地震剪力取时程法计算结果的包络值与反应谱法计算结果的较大值进行设计。

中震下输入的水平地震影响系数较小震下的放大约1.22倍 (即0.12 (中震) /0.098 (小震) ) , 大震下输入的水平地震影响系数较小震下的放大约2.857倍 (即0.28 (大震) /0.098 (小震) ) 。中震弹性验算时荷载分项系数、材料分项系数和承载力抗震调整系数同小震弹性计算, 但不计算风荷载且不考虑与抗震等级有关的内力调整系数;大震不屈服验算采用等效弹性算法, 荷载分项系数和承载力抗震调整系数均为1.0, 材料强度采用标准值, 不计算风荷载且不考虑与抗震等级有关的内力调整系数, 连梁刚度折减系数取0.2。

对塔1、塔2分别选取典型墙肢和框支柱为分析对象, 提取其地震组合内力复核计算, 结果表明:1) 中震弹性分析下, 转换层剪力墙以及框支柱的最大剪力小于其抗剪承载力, 剪压比远小于0.15, 满足中震下剪力墙和框支柱抗剪弹性的要求, 转换墙肢满足中震抗弯弹性的要求, 其余底部加强区墙体满足中震抗弯不屈服的要求, 框支柱配筋率均小于最小配筋率限值, 满足框支柱中震下抗弯弹性的要求;2) 中震不屈服分析下, 剪力墙墙肢均未出现拉力;3) 大震不屈服分析下, 转换层剪力墙及框支柱均满足抗剪不屈服的要求, 转换厚墙满足抗弯不屈服的要求, 个别底部加强区墙体出现抗弯屈服, 框支柱满足抗弯不屈服的要求。选取典型转换梁为分析对象, 提取其中震、大震验算下的转换层转换梁的地震组合剪力和弯矩, 经复核, 中震下转换梁能够满足抗弯、抗剪弹性的要求;大震下转换梁满足抗弯、抗剪不屈服的要求。

塔1左上角的转换厚板跨度5.2m, 板厚1 500mm, 混凝土强度等级采用C55。厚板转换层以上30层, 每层荷载标准值为14.9～16.7kN/m², 传递至转换层的总荷载标准值约为470kN/m²。转换厚板下墙肢对厚板冲切验算结果:中间墙肢, 冲切荷载/冲切抗力=0.84<1;边墙肢, 冲切荷载/冲切抗力=0.24<1。转换厚板上部墙体对厚板的冲切验算结果:转换层上部剪力墙传至厚板转换层上最大荷载为1 005kN/m², 冲切荷载/冲切抗力=0.4<1。

采用YJK1.6程序针对转换厚板区域进行小震及中震下的楼板应力分析, 小震作用下楼板面内主应力见图6, 中震作用下楼板面内主应力见图7。

从图6可以看出, 小震作用下, 转换厚板的局部拉应力增大, 应力范围为0～2MPa, 当楼板单方向总配筋率在恒载+活载作用下计算所需配筋基础上增加0.72%时, 可抵抗2MPa拉应力, 基本满足小震弹性下转换厚板的抗拉需求。

从图7可以看出, 中震作用下, 转换厚板的局部拉应力增大, 应力范围为1.5～2.5MPa, 当楼板单方向总配筋率在恒载+活载作用下计算所需配筋基础上增加1.1%时, 可抵抗2.7MPa拉应力, 基本满足中震弹性下转换厚板的抗拉需求。转换厚板 (板厚1 500mm) 设计时主要配筋:X向上下层配筋率均为0.68%, Y向上下层配筋率均为0.54%, 均满足中震弹性的性能目标。

采用EPDA&PUSH软件对结构进行动力弹塑性时程分析。表7为各地震波作用主方向结构最大层间位移角及相应楼层统计。从表7可以看出, 各组地震波 (大震) 作用下, 塔1最大层间位移角为1/266, 塔2最大层间位移角为1/348, 均小于规范的限值1/120。

结构构件性能评估如下:1) 塔1底部加强区左上角600mm厚的转换墙体在大震下个别区域出现轻微混凝土损伤, 施工图设计中将该转换墙体厚度由600mm增加到800mm;2) 塔1转换层厚板内部分暗梁出现塑性铰, 施工图设计中对厚板内暗梁加强配筋;3) 塔1右侧底部大堂处框支柱及框支梁未出现塑性铰, 塔2底部框支柱及框支梁均未出现塑性铰;4) 塔1、塔2在人工波下, 转换层以上墙体局部损伤较重, 其余墙体局部出现混凝土损伤, 损伤程度总体较轻, 总体而言结构能够满足“大震不倒”的抗震设防要求;5) 大震下塔1、塔2有较多框架梁和连梁出现损伤, 充分发挥了其耗能作用。

南宁江南万达广场B地块住宅组团的7栋高层住宅楼虽然位于6度抗震设防地区, 但小震的地震作用影响系数最大值根据安评报告在7度 (0.10g) 到7度 (0.15g) 之间, 为了满足建筑底部大堂和商业功能需要, 结构部分位置采用框支框架转换, 部分采用厚板转换, 加之同时存在凹凸不规则、扭转不规则等不规则项, 给结构设计带来了一定难度。针对本工程结构的超限情况, 设计中采取多项抗震措施加以应对, 并通过小震弹性计算、静力弹性时程分析、罕遇地震动力弹塑性分析、关键构件分析和厚板分析等, 证明主体结构能够满足规范要求, 并达到预期的抗震性能目标。该工程已于2015年7月通过超限高层建筑专项审查, 2018年2月竣工投入使用, 为业主创造了良好的社会、经济效益。