苏州绿地中央广场综合楼为苏州绿地中央广场项目地块五的1#楼 (简称1#综合楼) , 位于苏州城西的生态科技城中心, 西至稼先路, 南至太湖大道, 东至公共中央绿地, 北至科研路。建筑效果图如图1所示。

　　 1#综合楼建筑总高度为243.4m, 建筑功能为酒店+办公, 建筑面积为138 420m², 塔楼与裙房之间在首层楼面以上设置防震缝。塔楼地上58层 (未包含出屋面机房层) , 结构大屋面高度为231.5m, 结构大屋面以上塔冠的高度为11.9m, 建筑分为低、中、高三区, 共设置4个避难层, 分别位于12层、24层、35层及47层。塔楼标准层层高为3.7m, 避难层层高为4.8m, 底部层高较大, 首层层高为6m, 2～4层层高分别为5.5, 5.5, 5.8m。整个地块区域 (含中央绿化区) 为满布的2层地下室, 局部3层, 地下室不设缝。其中, 1#综合楼下部地下室为3层。1#综合楼建筑剖面图如图2所示。

　　 结构设计基准期和设计使用年限均为50年。建筑结构安全性等级为二级。

　　 根据英国标准Transportation systems in buildings (CIBSE Guide D∶2010) ^[1]预估建筑的最大使用人数。酒店共280间客房, 最大使用人数取1.9人/间, 酒店工作人员与客房数量按2∶1配备, 则酒店区最大使用人数为1.9×280+2×280=1 092人;办公区按15m²/人计算, 标准层单层面积为2 100m², 则共有2 100×48/15=6 720人;综上1#综合楼预估使用总人数为1 092+6 720=7 812人, 略少于8 000人。考虑到本工程地上建筑面积较大, 且理论计算总人数已接近分界限值, 因此设计时抗震设防类别取为重点设防类 (乙类) 。

　　 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称抗规) , 本工程抗震设防烈度为7度 (0.10g, 第一组) , 场地类别为Ⅲ类, 特征周期为0.53s。大震分析时, 特征周期增加0.05s。由于结构基本周期较长 (约为6.6s) , 地震影响系数取值时, 规范反应谱曲线6s以后, 按6s处数值取水平线处理。

　　 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3], 本工程50年重现期的基本风压为0.45kN/m², 场地地面粗糙度类别为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。

　　 小震、中震计算时, 结构阻尼比按材料区分, 混凝土取0.05, 钢材取0.02;大震计算时, 结构整体阻尼比取0.06。风荷载作用下的位移和承载力计算时, 结构阻尼比取5%, 风振舒适度验算时结构阻尼比取2%。

　　 框架-核心筒结构体系是适用于结构高度在150～300m之间的主要结构形式之一。框架-核心筒结构主要有三类:钢筋混凝土框架+钢筋混凝土核心筒, 钢框架+钢筋混凝土核心筒, 钢框架+钢支撑筒体。由于钢支撑筒体与1#综合楼建筑核心筒的布置方案有较大区别, 因此本项目方案仅考虑钢筋混凝土核心筒形式。1#综合楼结构高度未超过250m, 故不考虑设置伸臂加强层。

　　 综上, 塔楼主要对以下3个结构方案进行了比选。方案A为钢筋混凝土框架-核心筒 (设角柱) , 方案B为钢筋混凝土框架-核心筒 (无角柱) , 方案C为钢框架-核心筒。各结构方案的典型布置如图3所示, 图中所示柱、梁截面尺寸为底层最大尺寸。

　　 经计算分析, 上述3个结构方案的整体指标均能满足规范的基本要求。最终经与业主及建筑方案公司协商, 选择了方案A。方案A较方案C造价便宜, 较方案B避免了斜梁影响角部房间的内部净高。但方案A角柱的设置可能会加剧筒体结构的剪力滞后效应, 同时角部的位移比控制较方案B难。

　　 1#综合楼塔楼结构计算嵌固端设在地下室顶板, 钢筋混凝土框架与核心筒构成双重抗侧力体系, 框架的抗震等级为一级, 核心筒的抗震等级为特一级。最终的结构布置方案如下:建筑平面呈正方形, 平面尺寸为44.2m×44.2m, 结构高宽比为5.24;核心筒亦呈正方形且居中布置, 平面尺寸为21.1m×21.1m, 核心筒最大高宽比为10.97。

　　 上部结构典型楼层结构平面布置如图4所示。角柱截面从底层1 600×1 600 (型钢混凝土柱) 逐渐收进至顶层800×800 (钢筋混凝土柱) , 非角柱截面从底层1 400×2 100 (型钢混凝土柱) 逐渐收进至顶层700×800 (钢筋混凝土柱) 。型钢混凝土柱延伸至30层, 31～34层为型钢混凝土柱过渡层, 过渡层内柱含钢率按构造含钢率设计, 35层及以上采用普通钢筋混凝土柱, 延伸至楼顶。核心筒外墙墙厚从底层1 100mm逐渐收进至顶层400mm, 核心筒内墙墙厚从底层600mm逐渐收进至顶层300mm。基础至37层核心筒和框架柱混凝土强度等级为C60, 38层至顶层由C55逐渐递减至C45。

　　 边框梁最大截面800×1 000;内框梁最大截面500×800;次梁主要截面300×600。地下室顶板厚180mm, 其他大部分楼层楼板厚120mm, 1～2层楼板考虑大开洞的影响, 局部加厚至150mm, 大屋面及机房小屋面板厚150mm。梁板混凝土强度等级C30。

　　 塔冠结构布置如图5所示, 钢构件典型截面见表1, 构件钢材强度等级均为Q345B。塔冠钢梁、钢支撑按小震弹性设计, 塔冠钢柱按小震弹性、中震不屈服组合包络设计。

　　 根据地勘报告^[4], 结合本工程的实际情况, 1#综合楼塔楼采用墙柱下桩筏基础。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。

　　 由于塔楼核心筒的荷载比例略高, 约为55%。从承载力需求而言, 核心筒区域下的基桩布置将比外周框架柱更为紧凑, 为此, 将核心筒下部基桩按梅花状布置, 而外周框架柱区域的基桩则按正交矩形布置, 利用基桩布置方法不同使桩群在建筑物地基范围内达到内部紧密而外部稍稀疏的效果, 符合“变刚度调平”设计原则。

　　 筏板厚度为3 600mm, 柱下局部减薄至3 000mm (局部桩或柱抗冲切能力不足处附加抗冲切钢筋) , 筏板平面尺寸为49.3m×50.95m, 筏板混凝土强度等级为C40。基础埋置深度约为17.5m。桩基采用桩端后注浆钻孔灌注桩, 桩径900mm, 有效桩长65m, 以Ⅰ- (17) 层碎石土 (角砾) 为桩端持力层, 单桩抗压承载力特征值预估为8 200kN, 最终桩基础设计时单桩承载力特征值将根据本工程的试桩结果确定。

　　 本工程结构高度为231.5m, 超过《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[5] (简称高规) 中7度区B级框架-核心筒结构的最大适用高度180m, 故判定为超B级高度建筑, 属高度超限的高层建筑。

　　 考虑偶然偏心规定水平力作用下, 部分楼层X向最大弹性水平位移大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍 (塔楼1层X向位移比最大, 为1.26) , 且塔楼2层存在楼板有效宽度小于50%及开洞面积大于30%的情况, 结构有2项平面不规则。此外, 塔楼14层和4层由于层高突变, 侧向刚度比不满足抗规和高规要求;结构最小受剪承载力比经计算为0.79, 虽满足高规第3.5.3条规定的大于0.75的要求, 但未满足抗规第3.4.3条规定的大于0.8的要求, 判定为承载力突变, 即结构有2项竖向不规则。

　　 综上, 本工程结构高度超B级, 存在4项一般不规则项, 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, 结构构件的抗震性设计目标见表2。

　　 本工程采用MIDAS Building与YJK两种软件进行了弹性模型的对比计算分析。

　　 采用两种软件的整体指标结果汇总见表3。计算结果表明, 两种软件主要指标计算结果相近。结构第1阶振型、第2阶振型分别为Y向和X向平动, 第3阶振型为扭转。扭转周期与第1阶平动周期之比为0.85, 满足高规不大于0.85的限值要求。X, Y向剪重比符合《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》要求, 设计时按抗规调整地震内力。结构刚重比大于1.4, 但小于2.7, 满足高规对结构稳定的要求, 但需考虑重力二阶效应的影响。楼层最大扭转位移比为1.26, 小于高规B级高度建筑要求的限值1.4。楼层受剪承载力与上层比值最小值不小于限值0.75, 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。其中结构楼层位移比和层刚度比分布曲线如图6、图7所示。

　　 根据高规要求, 采用YJK软件对项目进行了小震弹性时程分析。选取2组人工波 (RH1, RH2) 和5组天然波 (TH1～TH5) , 地震波时程主方向峰值取为35cm/s², 次方向峰值取为29.75cm/s²。计算结果表明:

　　 (1) 各条地震波分别作用下的基底剪力值均大于振型分解反应谱法 (CQC法) 的65%, 小于CQC法的135%, 且7条地震波时程分析所得基底剪力的平均值大于CQC法的80%, 满足抗规要求, 故7条地震波的选择是合适的。楼层剪力计算结果如图8所示。

　　 (2) 通过对比7组地震波作用下楼层剪力与CQC法楼层剪力的比值可知, 在结构47～58层, 地震波作用下平均楼层剪力大于CQC法楼层剪力, 构件设计时应按抗规对此部分楼层的地震剪力进行相应地放大, 放大系数宜按实际取值, 最大剪力放大系数取为1.16。

　　 根据表2中结构各主要构件的抗震性能目标, 采用等效线性化方法, 进行中震和大震下的验算, 验算结果表明, 剪力墙和框架柱均能满足相应抗震性能目标要求。

　　 1#综合楼结构高宽比达10.97, 故考虑对墙肢进行中震作用下的拉应力验算。在中震作用下的验算时, 不考虑偶然偏心, 不考虑荷载组合系数和承载力抗震调整系数, 另外也不考虑风荷载参与组合。材料强度采用标准值。墙肢编号及拉应力验算结果分别如图9, 10所示。计算结果表明, 结构大部分墙肢在中震作用下的平均名义拉应力均小于2f_tk (f_tk为混凝土轴心抗拉强度标准值) 。部分墙肢 (E7, B7) 平均名义拉应力超过f_tk, 在核心筒角部剪力墙中设置型钢承担拉力, 型钢截面面积需满足型钢能够承担全部墙肢拉力的要求。核心筒大部分外墙的平均名义拉应力水平在2～3层范围下降到3MPa以内。核心筒绝大部分内墙在中震作用下仍保持受压状态。

　　 结构2层楼板有大开洞, 为了保证楼盖能可靠地传递水平力, 协调竖向构件共同工作, 对2层混凝土楼板补充专项受力性能分析。在小震标准组合下, 楼板中面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。

　　 2层楼板在小震标准组合作用下的拉应力结果如图11所示。2层楼板在中震不屈服组合作用下的X向轴力和弯矩如图12所示。分析结果表明, 小震标准组合作用下楼板局部存在应力集中, 主要分布在结构核心筒开洞区域的角部;但拉应力基本低于楼板C30混凝土轴心抗拉强度标准值2.01MPa, 处于不开裂工作状态, 楼板在小震标准组合作用下能满足水平力传递要求。在中震不屈服组合作用下, 楼板承载力基本满足要求。但楼板局部区域的承载力略有不足, 需采取相应加强措施, 2层楼板加厚至150mm, 双层双向配筋, 每层每个方向钢筋网配筋率不宜小于0.3%, 局部区域加强至0.4%。

　　 针对本项目特点, 参考文献[6,7], 采用PKPM-SAUSAGE软件对结构进行了大震弹塑性时程分析, 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 (SS01, SS02) 和1组人工波 (SS03) 。

　　 同时, 采用MIDAS Building软件进行结构的静力弹塑性分析 (Pushover分析) 作为补充计算, 以对比判断结构在大震作用下潜在的薄弱层和预测结构塑性铰出现的顺序和位置。

　　 图13为天然波SS01作用下弹塑性模型与弹性模型的结构顶点Y向位移时程曲线对比。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。结构顶点不可恢复残余变形较小, 在0.1m以内, 顶点不可恢复位移角<1/1 000。

　　 大震作用下结构弹塑性分析主要结果如表4所示, 其中弹塑性时程分析结果为3条地震波作用下结构响应的包络值, Pushover分析结果为大震性能点处相应的结构响应。分析结果表明:

　　 (1) 在地震波作用下, 结构弹塑性模型与弹性模型的基底剪力比值范围在0.51～0.65之间, X向基底剪力的平均比值为0.58, Y向基底剪力的平均比值为0.52。图14为人工波SS03作用下弹塑性模型与弹性模型的楼层剪力曲线对比, 可以看出, 结构发生了损伤, 刚度有所退化, 基底剪力响应有所减小, 楼层剪力大小分布有所改善。

　　 (2) 人工波SS03作用下弹塑性模型与弹性模型的框架剪力分担率曲线对比如图15所示。可以看出, 框架剪力分担率在大多数楼层不低于10%, 同时由于底部加强区核心筒损伤略大, 间接导致弹塑性模型的底部框架剪力分担率有所增大。

　　 (3) 弹塑性时程分析X向最大层间位移角为1/110, Pushover分析大震性能点处层间位移角为1/162;弹塑性时程分析Y向最大层间位移角为1/114, Pushover分析大震性能点处层间位移角为1/136;Pushover分析结果表明结构X向等效阻尼比约为11.9%, Y向等效阻尼比约为12.3%。以上结果均满足抗规的要求, 即建筑物可实现“大震不倒”的抗震设防目标。

　　 图16 SS01天然波作用下钢筋混凝土梁损伤状态

　　 SS01天然波作用下钢筋混凝土梁、柱、剪力墙的混凝土受压损伤、钢筋塑性应变及构件水准状态分别如图16～18所示。

　　 从图16可以看出, 采用梁单元模拟的连梁作为耗能构件, 出现了严重损坏, 起到了第一道防线的作用。在施工图设计阶段对部分区域的连梁采取提高延性的措施 (如设置钢筋交叉暗撑) 。除此以外的楼面梁均处于轻度或中度损坏状态。

　　 从图17和图18可以看出, 底部区域柱与上部区域柱轻度损坏, 结构具有适宜的安全储备。少量墙肢处于轻微或轻度损坏状态, 个别墙肢发生中度损坏, 但其分布范围较小, 结构的整体性依然保持较好。

　　 Pushover分析结果表明, 在大震性能点处, 约50%的连梁发生弯曲屈服, 形成塑性铰, 发挥了第一道抗震防线的作用;约40%的框架梁形成弯曲塑性铰, 符合抗震概念设计;结构顶部个别楼层的钢筋混凝土柱发生弯曲屈服, 但塑性变形深度有限。

　　 针对结构超限状况, 基于小震、中震、大震弹性分析结果以及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) 核心筒底部加强区及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) 框架柱从基础至30层采用型钢混凝土柱, 31～34层过渡层采用构造型钢混凝土柱, 以提高框架柱的刚度与延性。

　　 (3) 控制核心筒在中震双向地震作用下混凝土平均名义拉应力不大于2f_tk, 在混凝土平均名义拉应力超过f_tk区域设置型钢, 中震作用下出现小偏心受拉的剪力墙采用特一级抗震构造, 对轴压比大于0.3的剪力墙采用约束边缘构件设计。

　　 (4) 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。

　　 (5) 基于小震弹性时程分析结果考虑结构上部的鞭梢效应, 放大47～58层振型分解反应谱法计算的楼层剪力, 进行构件承载力包络设计。

　　 (6) 结构2层楼板有开洞, 楼板加厚至150mm, 配筋按小震弹性及中震不屈服包络设计, 双层双向配筋, 每层每个方向钢筋网配筋率不宜小于0.3%。

　　 本工程属于高度超限且平面和竖向均不规则的超限高层建筑工程, 首先介绍了塔楼结构的方案比选和最终结构布置, 然后根据结构构件重要程度的不同, 确定了结构构件的抗震性能目标。采用YJK和MIDAS Building两种计算软件进行了小震作用下的计算, 比较分析了结构质量、周期、楼层层间位移、剪重比、竖向刚度变化等计算结果。采用性能化设计方法, 对中震和大震下的性能目标进行了验算。根据分析计算结果, 对关键构件和薄弱环节进行了重点加强, 更好地保证了结构安全, 提高了经济性。