沈阳友谊时代广场3#塔楼地下5层,地面标高-21.300m,地上50层。其中地下5层为设备用房,埋深为24.70m;地下1～4层为停车库和设备用房;地上1～6层为商场,层高6m;7层为会所和品牌研发中心,层高6m;8层为避难层和品牌研发中心,层高4.8m;9～50层为公寓(包括2个避难层),层高3.2m;屋顶层为水箱间、电梯机房,层高6m。塔楼主要屋面结构高度186.70m,建筑屋面高度187.50m,地上建筑面积8.3万m²。建筑±0.000绝对标高为43.55m,标准层建筑平面尺寸为27.2 m×61.8m,该结构长宽比为2.27,高宽比为6.44,其核心内筒X,Y向高宽比分别为28.80,3.93。嵌固端设置于地下室顶板。建筑效果图如图1所示,标准层结构平面布置图如图2所示。

　　 工程设计基准期为50年,结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级,设防烈度为7度,设计地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,小震水平地震影响系数取安评与规范的较大值,为 0.105,水平向峰值加速度平均值A_max=42cm/s²。

　　 根据地勘报告,塔楼所在场地地形较平坦,稳定性较好。根据基础埋深及地质条件,选用砾砂层作为基础持力层。拟建场地地下水稳定水位埋深为10.50～10.80m,标高为31.33～32.09m,抗浮设计水位埋深按14.0m考虑(标高为31.75m),场区地下水对混凝土有微腐蚀性,对钢筋有微腐蚀性。依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(简称抗规),该场地地基土的类型为中硬。根据场地覆盖层厚度和土层波速确定该场地类别为Ⅱ类,不具有地震液化性。经过技术和经济对比分析,塔楼采用筏板基础,天然地基承载力特征值为676kPa。筏板混凝土强度等级为C40,筏板厚度为3.7m,最大沉降为54.0mm。

　　 塔楼外轮廓及核心剪力墙围成的区域均为矩形,核心筒体区域由T形墙肢组成了外轮廓墙体。内轮廓由矩形的小筒组成,两者类似于大筒套小筒的含义,与框架-核心筒极为类似,但为满足建筑使用需求,在横向剪力墙端部分别开两个洞口,通过强连梁将内外筒联系起来,这就导致结构体系并非严格意义上的框架-核心筒体系,故听取专家组建议,结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系,混凝土剪力墙作为主要抗侧力构件,框架柱以承受竖向荷载为主,提供部分抗侧力刚度以及二道防线作用 ^[1]。

　　 抗规与安评报告中相关地震参数见表1。根据地勘报告,场地等效剪切波速为263m/s,覆盖层厚度约48m,根据抗规插值后的特征周期T_g为0.39s。小震作用下抗规和安评报告设计地震反应谱曲线对比见图3。由图3可知,小震安评报告设计地震反应谱较规范反应谱更为不利,故本项目小震设计采用安评报告反应谱,中震、大震设计选用规范反应谱计算。风荷载50年重现期基本风压取0.55kPa,100年重现期基本风压取0.60kPa,舒适度计算采用的基本风压为0.40kN/m²,地面粗糙度为C 类,风荷载体型系数取1.4。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)(简称高规)第3.3.1条规定,B级高度框架-剪力墙为140m,故塔楼属B级超限高层建筑。

　　 结构布置:塔楼1～4层为结构底部加强区,底部加强区T形墙Y向厚700～450mm,X向全楼厚均为500mm,走廊端部洞口处的墙厚X向800～500mm,小筒外围墙厚450～350mm,分隔电梯间侧壁的墙厚200mm,墙厚布置以增加X向刚度,减弱Y向刚度为原则,尽量使结构在两个主轴方向的动力特性相近。型钢混凝土柱截面为1 400×1 400～800×800,内置型钢到顶层。墙柱混凝土强度等级为C60～C40,钢材等级为Q355B。

　　 结构设计的主要特点:1)塔楼建筑平面狭长,在弱轴方向上高宽比为6.86,超过高规限值,同时与抗规第3.5.3条要求的“结构在两个主轴方向的动力特性宜相近”的思想略有偏离,增加了设计困难;2)9层以上主要为公寓,由于层高仅为3.20m,且建筑对外框梁下的净高要求较高,部分区域采用局部加腋的框架梁形式,如图4所示;3)图2中T形墙与小筒之间的狭小区域为走廊,限于建筑、设备专业对净高要求较高,不能出现大于300mm高的梁,此处结构方案只能采用200mm厚板连接,同时针对专家组提出的加强内外筒连接的建议,结构布置时在T形墙交点处布置高度同板厚的截面尺寸为200×2 400宽扁梁式厚板暗梁,如图5所示 ^[2];4)塔楼地上楼层每层都存在较多房间的次梁L1搭在连梁LL1上,如图6所示,与高规第7.1.5条“楼面梁不宜支承在剪力墙或核心筒的连梁上”的设计思想不符,结构在面对这个棘手问题的时候采取了对连梁LL1进行加强,性能目标采用受剪承载力中震不屈服,对计算无法满足性能目标的个别连梁LL1,增加了钢板,见图7;5)对于高度3.20m的楼层,框架柱易形成短柱,对结构采取加钢骨的措施给予加强。

　　 塔楼核心区域内、外筒处剪力墙抗震等级:地下5层至地下3层为三级,地下2层为二级,地下1层至屋顶为一级;框架柱:地下5层至地下3层为三级,地下2层为二级,地下1层至屋顶为一级。对剪力墙、框架柱进行了抗震性能分析,抗震性能目标如表2所示。

　　 小震、中震、大震地震影响系数分别取0.105,0.23,0.50,中震和大震作用计算时抗震等级取为四级。中震、大震连梁刚度折减系数分别取0.5,0.3,大震阻尼比增加0.02,均不计算风荷载作用。

　　 采用SATWE和MIDAS Building软件对结构进行弹性分析,弹性分析采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法(CQC法),并考虑偶然偏心的影响,主要计算结果见表3,层间位移角计算结果见图8,限值采用插值求得,为1/679。经对比可知,两种软件的计算结果基本一致,结构周期比、层间位移角、位移比等指标均满足抗规、高规要求;刚重比大于2.7,可以不考虑重力二阶效应。结构在两个主轴方向的动力特性基本相近。

　　 塔楼嵌固层设在建筑首层(±0.000m),地下5层至首层楼板采用现浇钢筋混凝土主次梁楼盖形式。考虑到地下室对上部结构的嵌固作用,首层楼板厚度为200mm。首层与地下1层侧向剪切刚度比见表4。由表4可知,侧向剪切刚度比满足抗规第6.1.14条嵌固层刚度比限值不小于2倍的要求。

　　 框架作为抗震的第二道防线,构件设计上须满足高规、抗规关于框架-剪力墙结构对应于地震作用标准值的各层框架总剪力的要求,即在构件设计上,框架承担的剪力不小于20%基底剪力的要求,否则将按照高规进行放大调整。为充分发挥外框柱作为第二道防线的作用,根据超限审查专家组的意见,对外框柱承担的剪力按0.25V₀和1.5V_f,max二者的较小值进行调整 ^[3],其中V₀为地震作用标准值的结构底层总剪力;V_f,max为地震作用标准值且未经调整的各层框架承担的地震总剪力中的最大值。

　　 采用弹性时程分析法对结构进行多遇地震下的补充分析,按建筑场地类别和地震分组选用5组天然波和2条人工波。时程分析法与振型分解反应谱法分析(图9)得到的楼层基底剪力对比结果见表5。由表5可知,所选地震波计算得到的基底剪力满足规范要求,上部楼层采用弹性时程分析法计算得到的平均剪力大于振型分解反应谱法计算结果,X向楼层剪力在地上37层以上应放大1.15倍;Y向楼层剪力在地上37层以上应放大1.10倍。

　　 中震不屈服作用下,W2,W3,W5,W23,W25,W26墙肢(图10)出现拉应力,但未超过混凝土抗拉强度标准值,其他主要墙肢均未出现拉应力。由于建筑长宽比较大,长度方向两端剪力墙扭转效应明显,施工图设计阶段在W2,W5,W23及W25墙肢中设置型钢加强,如图11,12所示,墙肢中的型钢从地下2层起至地上7层。

　　 根据高规,采用大震反应谱对各主要墙体的受剪截面进行验算:

　　 $V\le \frac{0.15\beta {}_{\text{c}}f{}_{\text{c}\text{k}}b{}_{\text{w}}h{}_{\text{w}0}}{\gamma {}_{\text{R}\text{E}}}$

　　 式中:V为大震下墙体剪力标准组合值;f_ck为混凝土的轴心抗压强度标准值;β_c为混凝土强度影响系数;b_w为墙体截面厚度;h_w0为墙体截面有效高度;γ_RE为构件承载力抗震调整系数,此处验算取1.0。

　　 主要墙肢(W23,W25墙肢)计算结果见图13,由计算结果可知,均满足大震下的最小受剪截面要求。

　　 采用PERFORM-3D进行动力弹塑性时程分析,梁、柱采用纤维单元,墙体也采用纤维单元,钢筋和混凝土的纤维单元分别定义后进行组装。选取2条天然波和1条人工波进行时程分析。计算分析取加速度峰值为220gal,分别沿X,Y向双向输入。水平主向、次向的加速度峰值按1∶0.85的比例进行输入,结果如下:大部分连梁、部分框架梁首先屈服,作为耗能的主要结构构件,之后内部筒体底部个别墙肢出现拉压裂缝,但均未超过混凝土抗压强度标准值,钢筋未屈服。连梁LL1作为耗能构件大部分发生了弯曲屈服,内部设置钢板的连梁LL1,屈服程度较轻,但均未出现剪切屈服。内部筒体底部加强区局部外墙墙肢出现拉压裂缝。在施工图设计中,适当加大底部加强区出现拉压裂纹墙肢的配筋。X,Y向最大层间位移角分别为1/225,1/226。

　　 塔楼公寓部分层高仅3.20m,外框梁高800mm,柱净高H_n=3.2-0.8=2.4m,根据式λ=H_n/(2h₀)计算剪跨比λ见表6(h₀为柱截面有效高度),根据高规、抗规要求,当λ≤1.5时为超短柱,超高层结构中由于层高的限制,加上柱截面较大,容易形成短柱、超短柱,为了防止短柱发生脆性剪切破坏、超短柱发生脆性的剪切斜拉破坏,保证构件的延性及二道防线的有效形成,同时为进一步保证性能目标的实现,根据抗规第6.3.6条注2中的规定“剪跨比不大于2的柱,轴压比限值应降低0.05 ^[4];剪跨比小于1.5的柱,轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施”,听取超限组专家的建议,本工程框架柱全楼采用SRC柱,见表7。以上措施降低了外框柱的轴压比,增强了延性,是一个满足规范要求且与抗震理念相符的一种有效办法 ^[5]。

　　 按照高规第3.7.6条规定,高度超过150m的高层建筑应具有良好的使用条件,满足舒适度要求,按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)规定的10年一遇风荷载取值计算的顺风向和横风向结构顶点最大加速度a_max不应超过0.15m/s²。采用SATWE软件按照10年一遇的基本风压0.40kN/m²,临界阻尼比为0.02的条件进行风振舒适度验算,计算结果见表8,满足高规第3.7.6条关于舒适度的要求。由X,Y向顺风向加速度结果可知,X向加速度与Y向加速度之比接近2,与迎风面的Y向长度与X向长度之比接近2吻合。

　　 塔楼地上部分结构构件的受力钢筋与箍筋主要采用HRB400级。由于YJK软件仅按照计算面积进行统计,随着方案的不断调整,实配钢筋采用的是调整后的人工配筋方式,且难以合理统计构造钢筋,同时,超限高层采用性能化设计的理念,采取性能目标的关键构件配筋量会与常规建筑结构显著不同。综上,对YJK软件统计的钢筋用量进行了校核与修正,见表9。所有框架柱内型钢及剪力墙中钢骨用量共2 294.0t。

　　 地上所有结构混凝土用量共计40 221.57m³,地上建筑面积84 881.94m²,单位面积混凝土用量0.47m³/m²。各构件的混凝土用量见表10。

　　 为保证性能目标的实现,并改善重要部位受力性能,提高结构的延性,根据性能目标、超限情况及专家组的建议,本工程所采用的构造措施和加强措施主要如下:

　　 (1)控制墙柱轴压比:框架柱使之不大于0.70(一级),剪力墙不大于0.5(一级),以提高墙柱的延性。

　　 (2)主楼底部加强部位墙肢的偏压、偏拉承载力按中震不屈服复核,受剪承载力按中震弹性复核,并满足大震下的截面剪应力控制要求。约束边缘构件上延至墙肢轴压比0.30的高度,墙肢的受剪承载力满足中震不屈服要求。

　　 (3) 框架柱的地震剪力调整:取除设备层外的最大层剪力的1.5倍但不超过结构基底剪力的25%。底部框架柱计入多道防线的偏压、偏拉承载力按中震不屈服复核,受剪承载力按中震弹性复核,并满足大震下的截面剪应力控制要求。加强区部位以上满足承载力不屈服的要求。

　　 (4)对T形墙的矩形端,沿全高设置约束边缘构件给予加强,同时加强侧向稳定。

　　 (5) 走道外侧支承横向大梁的LL1,受剪承载力满足中震不屈服要求,同时采用截面尺寸200×2 400的宽扁式厚板暗梁加强。走廊处的楼板增厚至200mm,并且双层双向配筋,配筋率为0.25%。

　　 (1) 多遇地震下,整体结构保持弹性,整体结构完好。采用SATWE和MIDAS Building两个软件进行整体分析,各项整体指标是合理、可行的,各项指标均控制在规范允许的范围内。

　　 (2)设防地震作用下,底部加强部位及相邻上一层主要墙肢和框架柱偏拉、偏压承载力满足中震不屈服的要求。

　　 (3)设防地震作用下,底部加强部位及相邻上一层主要墙肢和框架柱受剪承载力满足中震弹性的要求。

　　 (4)罕遇地震作用下,全楼剪压比满足规范要求,结构的抗震性能均能达到设计的预期目标。