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、办公和公寓一体的大型综合体。项目包括两栋超高层塔楼(办公塔楼、公寓塔楼^[1])及一栋商业中心,办公塔楼高300m,公寓塔楼高260m,建筑效果图如图1所示。本文主要对办公塔楼的结构设计进行介绍。

　　 办公塔楼主要建筑功能为办公及酒店,建筑面积17万m²。地上65层,地下4层。1～5层为商业区,首层和5层层高6.0m,2～4层层高5.75m;6～54层为办公区,6～9层层高4.75m,在办公区中部(29,30层)设置两层电梯转换层,层高分别为6.0,4.4m,办公区避难层(10,19,38,47层)层高4.5m,避难层28层层高6.2m,其余为办公标准层,层高4.4m;55～63层为酒店区,酒店标准层层高3.6m,酒店区避难层55层层高5.1m,酒店大堂层63层层高5.7m;64～65层为塔冠,设备层64层层高6.0m,65层层高7.35m。地下室自上至下层高分别为6.8,4.0,3.6,4.05m。

　　 本文主要研究办公塔楼的设计方案。办公塔楼的设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度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,办公塔楼结构高度超过200m,采用了风洞试验和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)^[2](简称荷载规范)包络设计的方法。

　　 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②粉土层和砂土层,经局部③中细砂层后,其下有④_-1强风化粉砂质泥岩和④_-2中等风化粉砂质泥岩。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。

　　 办公塔楼基础底板板厚3.6m,混凝土强度等级C40,其下面布置233根钻孔灌注桩,桩径1.2m,桩长约46m,单桩承载力特征值18 650kN,桩身混凝土强度等级C50,桩端进入持力层(④_-2中风化粉砂质泥岩层)4m。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。

　　 办公塔楼体型规则,平面呈正方形,底部楼层平面外包尺寸56.5m×56.5m,核心筒尺寸26.8m×29.7m,办公塔楼建筑高宽比5.07,核心筒高宽比10.7。

　　 方案阶段,办公塔楼论证过混凝土结构及混合结构两种结构体系,混凝土结构由混凝土外框架与混凝土核心筒组成,混合结构由钢结构外框架(钢管混凝土柱+钢梁)与混凝土核心筒组成。

　　 混凝土结构的控制指标是竖向构件轴压比,适当增加竖向构件截面可以较容易解决。混合结构的控制指标是外框架剪力分担比,办公塔楼核心筒尺寸较大,且外框架采用钢结构,容易导致外框架刚度不足,外框架剪力分担比难以控制。

　　 为改善混合结构的外框架剪力分担比,考虑以下4种方法(图2)。方法1:加大外框架环向钢框架梁截面;方法2:外框与内筒之间的钢框梁两端采用刚接;方法3:增加伸臂加强层;方法4:弱化核心筒内墙体。

　　 混合结构基本方案中,外框架钢框梁高800mm;外框架柱采用圆钢管混凝土,钢管混凝土柱底部直径1 600mm,逐渐向上过渡到直径1 200mm。基本方案的外框架剪力分担比如图3所示,外框架剪力分担比最大值不大于10%,中上部楼层(7～24层)在5%～8%之间,下部楼层(1～6层)小于5%,外框刚度较弱,应调整。

　　 混合结构外框架剪力分担比4种改善方法的结果如图4所示。方法1中,环向钢框梁高度增加到1 000mm,底部10层增加到1 200mm,外框架剪力分担比最大值大于10%,除设备层外,25层以上大部分楼层大于8%,局部楼层小于5%。方法2中,外框钢梁与内筒连接由铰接改为刚接,外框架剪力分担比与基本方案相当,同时会增加施工难度,效果不佳。方法3中,在结构2/3高度处设置加强层,加强层有负效果,除加强层附近外,其余楼层外框架剪力分担比反而减小。方法4中,内筒剪力墙简化为4根框架柱,比基本方案有所提高,尚不能满足要求。综上所述,第1种改善方法,即加大外框架环向钢框架梁截面效果最好。

　　 混合结构与混凝土结构相比,其单位面积土建造价高出约30%,详见表1。

　　 混合结构解决外框架剪力分担比问题的难度高、造价高,混凝土解决竖向构件轴压比问题的难度低、造价低,综合各方面信息,办公塔楼结构体系最终选用混凝土结构,即钢筋混凝土框架-核心筒(剪力墙)结构。

　　 结合建筑功能、立面造型、抗震(风)性能要求、施工周期以及造价合理等因素,办公塔楼的结构体系下部为钢筋混凝土框架-核心筒结构,56层楼面以上核心筒外墙收进为钢筋混凝土框架-剪力墙结构,外框架与核心筒(剪力墙)构成多道防线,提供结构必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度^[3],塔楼结构体系见图5。

　　 办公区和酒店区的标准层结构平面布置图见图6,7。塔楼四周有16根均布的框架柱,办公区柱距12.6m,酒店区柱距11.0m,外框柱距从38层的12.6m过渡到55层的11.0m,柱间距随建筑立面及楼层标高逐渐变化。外框柱截面尺寸随高度增加而递减,截面尺寸见表2。

　　 外框柱的混凝土强度等级在58层以下采用C60,59级以上C50。为了提高外框柱的延性,47层以上外框普通混凝土柱设置构造钢骨,含钢率2.0%～3.0%,计算中不考虑钢骨的作用。

　　 核心筒由外墙和内墙组成,底部外墙厚度1 300mm,内墙厚度500mm,墙厚随高度增加而递减,核心筒外墙和内墙厚度见表3。核心筒的混凝土强度等级在46层以下采用C60,47～54层采用C50,55层以上采用C40。

　　 为了满足轴压比要求,提高延性以及抵抗中震下墙肢拉力,地下4层～地上9层核心筒外墙设置钢骨,底部加强部位及以下楼层(地下4层～地上5层)配钢率为2%～3%,个别墙肢配钢率超过3%,不超过5%。

　　 楼盖混凝土强度等级采用C35,办公区外框与核心筒之间的梁截面为600×(650/600),外框边梁截面为500×900(底部商业楼层500×1 200),酒店区外框与核心筒之间的梁截面为500×(800/700),外框边梁截面为500×800。

　　 塔楼56层以上为酒店区,因建筑功能要求,筒体内收,核心筒外墙收进形成框架柱,如图8所示。

　　 56层收进后的框架柱下插一层至55层楼面处,同时在55,56层楼面处沿核心筒外圈做环梁,并对于55,56层核心筒(含收进框架柱)进行抗震性能化设计来保证结构的安全。

　　 办公塔楼主屋面结构高度286.45m,超过《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)^[4](简称抗震规范)规定的7度抗震设防烈度混凝土框架-核心筒结构高度限值,为高度超限。最大扭转位移比1.26,超过1.2,为扭转不规则。2层办公大堂楼板开洞面积34.3%,大于30%,为楼板不连续。高区外框柱为斜柱,为局部不规则。办公塔楼应进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。

　　 塔楼底部加强区及核心筒收进处是结构性能设计的控制关键点,根据超限审查专家的建议需对结构底部加强区及核心筒收进处加强处理。设计中底部加强区及核心筒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%。

　　 办公塔楼的结构设计需采取抗震性能化设计。办公塔楼的结构抗震性能目标设定为C级^[5],并结合超限审查专家的意见对特定部位构件的抗震性能目标提高,结构各构件的抗震性能目标见表4。

　　 根据办公塔楼的超限情况,采取了多种计算分析手段,包括:整体结构的小震弹性分析、小震弹性时程分析、设防烈度下的中震弹性分析和中震不屈服分析、罕遇地震下的动力弹塑性分析、外框柱稳定分析等,并根据性能目标要求及超限情况采取了一系列设计加强措施以保证结构的安全性。

　　 办公塔楼的小震弹性分析采用YJK(“YJK”1.8.2.0版)软件和ETABS(ETABS 2013中国规范版)软件,建立细分墙元模型进行计算,考虑偶然偏心地震作用、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响。结构整体计算包含竖向和水平荷载工况,其中竖向荷载工况包括结构自重、附加恒载及活载,水平荷载工况包括地震作用及风荷载。

　　 办公塔楼的主要分析结果见表5,从表5中可以看出,塔楼的水平荷载效应由地震作用控制,两种软件主要结构特征和控制指标计算结果吻合较好,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^[4,5]要求,计算结果可靠,可以作为工程设计的依据。

　　 办公塔楼自振周期超过6s,属于典型的长周期结构,其X向基底剪力系数1.02%,Y向基底剪力系数1.07%,均比规范限值1.20%低,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),自振周期大于6s的结构,剪重比限值可取规范限值的0.8,即剪重比限值为1.20%×0.8=0.96%,剪重比可满足要求。

　　 计算刚重比X向、Y向分别为1.686,1.911,满足规范刚重比下限1.4的要求,但刚重比小于2.7,整体计算中考虑了二阶效应对结构内力和位移的不利影响。

　　 计算结构表明,办公塔楼外框架剪力分担比呈底部最小、中部最大、顶部次之的规律。10层以及上楼层外框架剪力分担比均大于10%,除2层、3层外,10层以下外框架剪力分担比均在8%～10%之间,2层、3层外框架剪力分担比均在6%～7%之间,大于5%,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,说明办公塔楼外框架达到足够的刚度,可作为结构的二道防线。

　　 根据本工程的性能设计要求,对办公塔楼主体结构进行了中震弹性及中震不屈服计算分析。

　　 经计算分析,在中震作用下底部加强区剪力墙、核心筒收进处剪力墙抗剪钢筋、抗弯钢筋均为构造,可以满足中震弹性的性能要求;在中震作用下底部加强区外框柱、核心筒收进处外框柱抗剪钢筋、抗弯钢筋均为构造,可以满足中震弹性的性能要求。

　　 对核心筒剪力墙进行了中震不屈服验算,计算时分别按照0°,90°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,仅核心筒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,在中震不屈服下剪力墙性能较好。

　　 办公塔楼罕遇地震下的弹塑性动力时程分析采用PKPM-SAUSAGE 2017软件。采用了结构的总体变形评估和构件的性能评估相结合的分析方法。办公塔楼在进行动力时程分析时。选用二组实际地震记录(天然波L080,L262)和一组人工模拟的加速度时程曲线(人工波L750)。

　　 三组地震波分别取X,Y向为主方向时的结构位移结果,办公塔楼最大层间位移角曲线如图9所示,X向为主输入方向时,楼顶最大位移为1 031mm(天然波L262),最大层间位移角为1/154(天然波L262,57层);Y向为主输入方向时,楼顶最大位移为938mm(天然波L262),最大层间位移角为1/142(人工波L750,56层),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。

　　 为确保达到防倒塌的抗震设计目标,应确保以结构构件的弹塑性变形和以强度退化来衡量的构件损伤程度在可接受限值范围内,图10为大震下办公塔楼剪力墙的损伤情况。

　　 在大震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,办公塔楼主要结构构件的破坏损伤情况如下:1)底部加强区剪力墙损伤很轻,仅底层个别墙肢的局部区域中度受压损伤;2)核心筒收进处剪力墙损伤较轻,收进处核心筒内墙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)部分连梁混凝土破坏较重,形成了铰机制,发挥了屈服耗能作用;4)低区、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,高区斜柱楼层部分梁、柱钢筋出现一定程度屈服,但大部分都处于弹性状态。

　　 整个计算过程中结构始终保持直立,能够满足规范“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,抗震性能可达到预定的抗震性能目标。

　　 办公塔楼西侧主入口处为2层高办公大堂,由于建筑立面效果需求,靠近外框柱处为局部3层挑空, 3层楼面处外框柱与核心筒无拉结,形成3层穿层柱,柱高达17.5m,需对外框柱进行稳定验算。根据欧拉理论,采用ETABS软件对跃层柱进行了屈曲稳定分析,确定外框柱的计算长度,以保证外框柱承载力验算的合理性和安全性。

　　 如图11所示,设计中采用弹性边界条件法反算柱的计算长度,通过在穿层柱顶端加载(柱顶施加单位力)整体计算(屈曲分析前采用1.2D+1.4L进行整体几何非线性分析为其前序工况,考虑结构整体变形对屈曲模态的影响),得到了穿层柱屈曲模态和屈曲临界荷载,然后根据欧拉公式^[6]反算出柱的计算长度。根据屈曲稳定分析结果,角柱的计算长度为9.835m,中柱的计算长度为10.063m,设计中偏于安全的考虑,首层跃层柱计算长度取其几何长度17.5m。

　　 (1)本工程办公塔楼属于高度和规则性超限的高层建筑。结合建筑设计要求,采用了混凝土框架-核心筒结构体系,结构体系具有良好的抗震性能及有效的耗能机制。

　　 (2)采用多种计算软件进行了弹性和弹塑性计算分析,计算结果可靠。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。设计时采取了一系列的加强措施,保证结构安全。

　　 (3)对塔楼底部跃层柱进行屈曲稳定分析,以保证结构计算的合理性和安全性。