徐州生物医药产业园项目位于徐州经开区 (鼓楼区) , 东至徐洪河, 南临井大沟, 西临徐贾快速路, 北接陇海铁路, 用地性质为商业、办公、酒店, 项目建筑效果图如图1所示。其中单体建筑5#孵化中心地上总建筑面积为53 896m², 由两栋基本相同的塔楼在顶部通过两个连廊连接成整体, 建筑总高度为59.8m, 大屋面高度为54.8m, 塔楼地上12层, 地下2层, 首层层高为5.3m, 标准层层高为4.5m。在11层至屋面范围设置连廊结构, 经对比分析, 连廊与两侧塔楼之间最终采用刚性连接方案。两栋塔楼之间有1层裙房, 裙房与塔楼之间不设防震缝。5#孵化中心建筑立面图如图2所示。

　　 结构设计基准期和设计使用年限均为50年, 建筑结构安全等级为二级, 抗震设防类别为标准设防类 (丙类) 。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) , 本工程抗震设防烈度为7度 (0.10g, 第三组) , 场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.45s, 大震分析时特征周期增加0.05s。

　　 塔楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 剪力墙与框架构成双重抗侧力体系。结构存在高位连廊, 属复杂高层结构, 且剪力墙主要集中在各塔楼中部的核心筒位置, 根据抗震审查专家组的意见, 塔楼框架和剪力墙的抗震等级均取为二级, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) 的要求, 与连接体 (连廊) 相连的框架梁抗震等级提高至一级, 与连接体 (连廊) 相连的框架柱从基础顶面起在结构全高范围内抗震等级均提高至一级。钢结构连廊抗震等级为二级。

　　 建筑平面呈矩形, 单塔平面尺寸为67.2m×25.2m, 单塔结构高宽比为2.2, 连廊跨度为33.6m, 高度为9.15m, 跨高比为3.7。结构计算模型嵌固端设在地下室顶板。结构计算模型如图3所示, 5.300m标高结构平面图如图4所示, 标准层结构平面图如图5所示。

　　 塔楼主要构件尺寸:与连廊相连的框架柱截面尺寸为1 000×1 000, 其他区域框架柱截面尺寸为850×850;核心筒外墙墙体厚度为400mm, 内墙墙体厚度为250mm, 此外为了调整结构的抗扭刚度, 在塔楼边缘设置了4片剪力墙, 墙体厚度为450mm;竖向构件混凝土强度等级由下至上为C50～C40;与连廊相连的框架梁截面尺寸为800×850, 除此之外, 塔楼周圈的边框架梁截面尺寸为450×800, X向内部框架梁截面尺寸为400×650, Y向内部框架梁截面尺寸为350×650;地下室顶板厚180mm, 2层现浇混凝土楼板厚150mm, 3～10层叠合板采用60mm预制板+80mm后浇混凝土叠合层, 11层至屋面现浇混凝土楼板厚150mm。

　　 连廊结构及与连廊相连的型钢混凝土构件布置如图6～8所示, 钢构件截面尺寸如表1所示, 钢材强度等级为Q345B, 连廊弦杆与腹杆按中震弹性设计。

　　 本工程50年重现期的基本风压为0.35kPa, 地面粗糙度类别为B类。承载力计算时, 基本风压按50年重现期基本风压的1.1倍采用;位移验算时, 基本风压按50年重现期基本风压取值。结构计算采用材料阻尼模型, 钢材阻尼比取0.02, 混凝土阻尼比取0.05。

　　 地震作用设计参数取值见表2。

　　 根据地勘报告^[3], 结合工程实际情况, 5#孵化中心高层塔楼区域框架柱下采用承台桩基础, 剪力墙下采用桩筏基础, 桩体为ϕ800钻孔灌注桩, 以⑧_-2层中风化泥质砂岩为桩端持力层, 有效桩长10m, 预估单桩抗压承载力特征值R_a=3 100kN。5#孵化中心裙房区域采用天然地基柱下筏板基础, 筏板厚度为600mm。基础的混凝土强度等级均为C35。基础设计安全等级为二级, 地基基础和桩基设计等级均为甲级。

　　 结构高度为54.8m, 未超过高规7度区A级钢筋混凝土高度框架-剪力墙结构的最大适用高度120m, 不属于高度超限结构。一般规则性判断有:刚度突变;构件间断 (连体结构) ;结构底部楼层存在个别穿层柱。不存在特别不规则项。因此, 本工程属于超限高层建筑工程。

　　 综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素, 设定结构性能目标为C～D级。根据结构构件重要程度的不同, 确定了结构构件的具体抗震性设计目标, 见表3。

　　 采用ETABS与YJK两种软件进行了弹性模型对比计算分析。两种软件整体指标汇总见表4。

　　 计算结果表明, 两种软件主要指标计算结果相近。结构第1振型、第2振型分别为Y向和X向平动, 第3振型为扭转。X, Y向的振型参与质量均满足规范大于总质量90%的要求。第1阶扭转周期与第1阶平动周期之比为0.83, 满足高规不大于0.85的限值要求。水平力作用下的层间位移角最大值小于规范限值, 满足性能目标及规范要求。X, Y向剪重比符合全国超限审查要点要求, 设计时按抗规调整地震内力。结构刚重比大于2.7, 满足规范要求, 且不需考虑重力二阶效应的影响。楼层最大扭转位移比为1.15, 不大于高规A级高度建筑要求限值1.2。楼层受剪承载力与上层受剪承载力之比的最小值不小于规范限值0.8, 满足高规要求。最小层刚度比按高规和抗规从严控制, 不满足要求, 判断为侧向刚度超限, 设计时应采取相应措施。

　　 根据高规要求, 本工程采用YJK进行了小震弹性时程分析法补充计算。时程分析综合考虑场地类别、频谱特性、有效峰值、持续时间、统计特性、震源机制以及工程判断等方面, 选择了5条天然波和2条人工波。地震波有效持时均大于结构基本自振周期的5倍, 主分量峰值加速度A_max根据高规调整至35cm/s²。

　　 计算结果表明:1) 各条波分别作用下的底部剪力值均大于振型分解反应谱法的65%, 7条地震波进行时程分析所得底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法的80%, 满足规范要求, 地震波的选择是合适的。2) 小震设计时, 地震作用下的楼层剪力取时程分析法平均值和振型分解反应谱法计算值的较大值;在结构顶部8～12层, 时程分析法计算的楼层剪力较大, 当采用振型分解反应谱法进行小震弹性设计时, 需将这些楼层的地震剪力予以放大, 约放大1.05～1.17倍。

　　 根据表3中结构各主要构件的抗震性能目标, 采用YJK软件、基于等效线性化方法进行中震和大震下的验算, 结果表明墙体、框架柱及连廊相关构件均能满足相应抗震性能目标要求。

　　 此外, 对底层墙肢进行中震作用下的拉应力验算。结果表明, 中震作用下墙肢混凝土拉应力均小于2f_tk (f_tk为混凝土轴心抗拉强度标准值) , 其中绝大多数墙肢仍保持受压状态, 部分墙肢平均拉应力超过1.0f_tk, 则在这些墙肢中增设型钢来承担拉力。

　　 针对本项目特点, 采用弹塑性时程分析方法考察结构在大震作用下进入塑性阶段后的具体力学性能^[4,5]。弹塑性时程分析采用PKPM-SAUSAGE软件, 动力学求解方法采用显式算法, 阻尼模型选用拟模态阻尼体系。

　　 大震弹塑性时程分析根据大震下场地特征周期等频谱特性的要求, 选择了2组天然波和1组人工波, 主方向地震波有效峰值为220cm/s², X, Y, Z向输入峰值加速度之比为1∶0.85∶0.65。大震作用下结构动力弹塑性时程分析结果表明:

　　 (1) PKPM-SAUSAGE软件计算的结构第1阶周期为1.88s, 为沿Y向为主的平动;第2阶周期为1.59s, 为沿X向为主的平动;第1阶扭转周期为1.58s, 与第1阶平动周期的比值为0.840, 满足高规规定的限值要求。

　　 (2) 在大震作用下, 结构在各组地震波作用下X向最大层间位移角为1/195, Y向最大层间位移角为1/129, 均满足高规规定的限值 (1/100) 要求。

　　 (3) 图9为典型天然波作用下弹塑性模型与弹性模型的结构顶点位移时程曲线对比。结果表明, 弹塑性模型的结构周期约为弹性模型的1.2倍, 说明结构刚度退化为初始刚度的69%, 结构损伤适度。结构顶点不可恢复的残余变形较小, 在0.1m以内, 顶点不可恢复位移角<1/1 000。

　　 (4) 弹塑性模型与弹性模型的基底剪力比值范围在0.52～0.86之间, X向基底剪力的平均比值为0.76, Y向基底剪力的平均比值为0.57。可以看出, 由于结构损伤, 刚度适度退化, 基底剪力响应有所减小。

　　 (5) 图10为典型天然波作用下弹塑性模型与弹性模型的楼层剪力对比曲线, 可以看出, 结构发生了损伤, 刚度有所退化, 改善了楼层剪力大小分布。

　　 (6) 连梁作为结构抗震的第一道防线, 在地震作用下迅速进入损伤阶段, 并在整个地震过程中保持耗能作用, 连梁损伤较大, 损坏明显, 达到耗能的设计意图, 在施工图设计阶段中对连梁采取如设置斜向交叉钢筋等措施, 提高其延性。连梁的屈服耗能有效地保护了墙、柱, 使墙、柱处于轻微～轻度损坏。虽然楼面梁处于中度～重度损坏, 但结构整体性依然保持较好。图11为墙性能水平, 图12为柱性能水平。

　　 连廊构件承载力计算及设计不考虑连廊混凝土楼板对其承载力的贡献, 但在竖向变形与舒适度计算时考虑连廊混凝土楼板的刚度贡献。弦杆与腹杆按中震弹性设计。钢结构计算与设计采用MIDAS Gen软件, 连廊局部模型如图13所示。

　　 经过计算, MIDAS Gen模型的结构模态与YJK模型基本一致。连廊的计算结果表明:1) 1.0恒载+1.0活载工况下桁架弦杆的竖向相对变形为1/1 158<1/400, 钢梁的竖向相对变形考虑预起拱后可小于1/400^[6], 满足要求;2) 荷载基本组合和小震地震效应组合下, 钢构件的最大应力比分别为0.75和0.42, 满足要求;3) 中震作用组合下, 腹杆最大应力比为0.56, 弦杆最大应力比为0.34, 满足弹性要求, 其应力比云图如图14所示。

　　 对连廊进行竖向模态分析, 竖向第1阶振动频率f=3.3Hz, 为16.8m跨楼盖系统的竖向振动。采用稳态分析方法对楼盖系统在不同人行激励频率下的动力响应进行计算, 考虑跨中位置施加2人重量, 荷载取值为2×0.7kN。行人步行落脚频率约在1～2.8Hz之间, 稳态分析中仅考虑刚度比例阻尼, 取值为0.03。参考高规规定, 结构竖向自振频率小于3.3Hz时, 室外钢楼梯加速度限值为0.17m/s²。经计算, 结构在不同的人行荷载频率下最大加速度响应约为0.02m/s² (图15) , 可满足设计要求。

　　 连廊结构在承受和传递竖向力的同时, 将水平力传递和分配给两侧的抗侧力竖向构件, 协调同一楼层中竖向构件的变形。为保证水平力传递和内力调整的可靠性, 在小震标准组合下连廊楼板中面主拉应力不能大于混凝土抗拉强度标准值;中震不屈服组合作用下, 钢筋应力不能大于屈服强度^[7]。

　　 分析结果表明, 连接区域楼板需采取相应加强措施, 连廊楼板及与其相关的楼板, 混凝土采用C35强度等级, 板厚加大至150mm, 采用双层双向配筋, 单层单向配筋率不宜小于0.3%, 其中连廊楼板的Y向配筋进一步加强, Y向双层配筋中每层配筋率不宜小于0.5%。

　　 根据高规第10.2.24条规定, 连接体处楼板应满足受剪截面要求与受剪承载力验算。连廊楼板厚度150mm, 混凝土强度C35, f_c=16.7MPa, 钢筋等级为HRB400, Y向单层配筋率为0.5%, f_y=360MPa, 计算可得Y向楼板截面控制抗剪承载力V_fu=11 494kN, 将与塔楼相连处连廊楼板各单元在小震最不利组合下的剪力设计值相加, 得到连廊楼板全宽的剪力设计值为2 500kN, 再考虑增大系数1.5, 则剪力设计值V_fmax =3 750kN<V_fu, 满足规范要求。其中连廊下弦平面楼板剪力云图如图16所示。

　　 连廊楼板在重力场作用下, 混凝土应处于不开裂状态, 经计算, 附加恒载+活载下楼板的主拉力值约为220kN/m, 每米宽楼板混凝土抗拉承载力=2.2MPa×150mm=330kN/m>220kN/m, 说明连廊楼板在重力场作用下, 混凝土处于不开裂状态。活载下连廊下弦平面楼板主拉力云图如图17所示, 其中主拉力最大值约为140kN/m。

　　 针对结构超限状况, 基于小震、中震、大震弹性分析结果以及大震弹塑性分析所发现的薄弱环节, 结构设计主要考虑以下加强措施:

　　 (1) 剪力墙底部加强区和底部加强区对应楼层的框架柱, 正截面按中震不屈服设计, 斜截面按中震弹性设计。

　　 (2) 与连廊弦杆相连框架柱按中震弹性设计;与连廊弦杆相连框架梁按中震不屈服设计。

　　 (3) 对于穿层柱计算长度系数取2.0。

　　 (4) 控制剪力墙中震双向地震作用下混凝土拉应力不大于2f_tk, 根据实际设计需求配置型钢。

　　 (5) 对刚度突变的软弱层, 地震剪力放大1.25倍进行构件承载力设计。

　　 (6) 基于小震弹性时程分析, 为考虑结构上部的鞭端效应, 放大振型分解反应谱法计算的8～12层的楼层剪力进行构件承载力包络设计。

　　 (7) 与连廊相连的结构构件, 在连接高度范围及其下一层, 抗震等级采用一级 (由二级提高一级) , 连接体钢构件采用二级 (由三级提高一级) 。

　　 (8) 与连廊相连的框架柱, 在连接体高度范围及其下一层, 采用型钢混凝土柱, 箍筋全柱段加密, 轴压比限值按其他楼层框架柱的限值降低0.05采用;与连廊相连的框架梁采用型钢混凝土梁。

　　 (9) 塔楼中与裙房相连的外围柱, 从嵌固端至裙房屋面上一层的高度范围内, 柱纵向钢筋的最小配筋率适当提高, 柱箍筋在裙房屋面上一层的范围

　　 内全高加密。

　　 (10) 连体范围楼层、体型收进楼层及其上一层, 楼板厚度不小于150mm, 采用双层双向钢筋网, 每层每向钢筋网配筋率不低于0.3%, 其中连廊处楼板Y向配筋进一步加强, Y向双层配筋中每层配筋率不宜小于0.5%。并对结构楼板提出以下性能目标:小震单工况作用下混凝土不开裂, 中震不屈服组合作用下钢筋不屈服。

　　 (11) 连廊弦杆、腹杆按中震弹性设计。

　　 (12) 结构构件承载力设计采用如下两个模型的包络:带连廊的结构模型与不带连廊的结构模型 (连廊荷载倒算到两侧塔楼) 。

　　 综上所述, 本工程具有良好的抗震性能, 在施工图设计中将落实以上加强措施, 确保结构能达到预定的抗震性能目标。

　　 本工程属于高位连体超限高层建筑, 整体结构采用YJK和ETABS两种计算软件进行了小震作用下的计算;采用抗震性能化设计方法, 对主体结构中震和大震性能进行了验算, 并采用PKPM-SAUSAGE进行了大震作用下的弹塑性时程分析。针对建筑顶部刚性连接的连廊, 对其钢桁架和楼板进行了针对性地重点分析, 保证了其在地震作用下的良好性能。