1 工程概况

　　 重庆国瑞中心位于重庆市南岸区烟雨路,是一个含酒店、办公、剧院三大主要功能的超高层公共建筑; 酒店与办公构成了该建筑的塔楼部分,酒店配套功能和剧院一起构成该建筑的裙房,设计总建筑面积9.7万m²。项目于2014年12月竣工,并已投入使用,建成后项目实景见图1。

　　 本工程结构的嵌固层位于地下2层,标高为-14.10m,在嵌固层以上划分为办公酒店塔楼、剧场及宴会厅两个结构单元。塔楼建筑高度(标高±0.00m到屋顶停机坪标高200.20m)200.20m,地下部分为吊一层、地下1层、地下2层、地下3层,层高分别为5.1,5.1,3.9,3.9m,主要功能为车库; 地上42层,1～5层为办公大堂、宴会前厅、会议室等,其中1层层高11.2m,2～5层层高均为5.6m; 6～22层为办公标准层,层高4.0m; 23层为避难层,层高5.6m; 24层为特色餐厅,层高5.6m; 25层为酒店大堂,层高8.8m; 26～34层为酒店客房标准层,层高3.9m; 35层为避难层,层高3.9m; 36～38层为行政客房,层高3.9m; 40～42层为行政酒廊和总统套房,层高4.0m。

　　 图1 项目实景   

　　 工程的结构设计使用年限为50年,结构安全等级为二级,抗震设防烈度为6度,塔楼的抗震设防类别为重点设防类 ^[1],建筑场地土类别为Ⅱ类; 50年一遇基本风压为0.40kN/m²,100年一遇基本风压为0.45kN/m²; 地面粗糙度类别C类,风荷载体型系数为1.40。

2 结构方案的修改优化过程

　　 本工程塔楼原设计为地上40层,屋面标高为173.30m,停机坪标高为184.10m。建筑平面上设置了贯穿酒店楼层的中庭,建筑楼梯、电梯间位于中庭两侧。结合建筑平面布置,在中庭东西两侧分别设置了偏置的钢筋混凝土筒体和钢筋混凝土核心筒。筒体贯通建筑全高,西侧筒体外墙厚度由底部450mm逐渐减小至顶部300mm,东侧核心筒外墙厚度自底部550mm逐渐减小至顶部300mm,筒体内墙厚度为200～400mm; 外框架柱采用密柱,柱距4.4m。塔楼结构体系可定义为钢筋混凝土双筒体+外框筒的筒中筒结构。原设计方案酒店区的结构平面布置图如图2所示。该设计方案于2010年12月2日通过超限高层抗震设防专项审查 ^[2]。

　　 图2 原方案24～35层结构平面图   

　　 工程基坑施工期间,对酒店塔楼的建筑平面布置和建筑高度进行了调整,主要调整内容为:地上楼层数由40层增加到42层,屋面标高由173.30m加高到188.30m; 停机坪标高由190.90m加高到200.20m; 6～22层办公楼层采用大开间柱网; 取消了西侧的筒体交通体系,贯穿酒店楼层的中庭移至③～⑤轴。

　　 根据建筑平面的调整,塔楼结构方案由筒中筒结构修改为框架-核心筒结构。钢筋混凝土核心筒外墙厚度自底部600mm逐渐减小至顶部400mm; 外框架柱和内框架柱采用矩形混凝土柱。为减小柱截面、增加框架柱延性,在基础顶面至25层楼板采用型钢混凝土柱,型钢混凝土柱典型截面为1 200×1 200,内部设2个截面为H800×250×30×30的型钢组成十字形型钢,采用Q345B钢材,含钢率为5.17%; 26层及以上采用钢筋混凝土柱,柱截面由1 100×1 100逐渐减小至顶部的600×800; 在由型钢混凝土柱变为钢筋混凝土柱的楼层设置过渡层,并在过渡层的型钢混凝土柱内设置栓钉以保证型钢锚固,过渡层柱按照钢筋混凝土柱设计计算。普通楼层外框架梁截面300×800; 在23～25层等层高较高的楼层,外框架梁截面加大至450×1 200,以减少结构侧向刚度突变。最后实施方案酒店区的结构平面布置图如图3所示。原设计方案和修改后实施方案的主要结构信息对比如表1所示。

　　 图3 实施方案26～34层结构平面图   

　　 从表1中可以看出,结构高度增加且筒中筒结构体系改为框架-核心筒结构体系后,结构Y向平动周期增加29.9%,层间位移角变大,结构整体刚度变小,但结构各项整体指标仍满足规范要求,且有一定富裕。风荷载作用下的层间位移角大于小震作用下的层间位移角,说明风荷载作用是结构的控制因素,小震不起控制作用。

　　 对于本工程,结构高度180m左右,筒中筒结构体系的整体抗震等级低于框架-核心筒结构体系,且可以采用纯钢筋混凝土结构,经济性和施工便利性较好; 而随着结构高度加高,建筑平面布置的改变,在采取了一些技术措施以后,框架-核心筒结构可以更好地满足建筑功能变化的要求。

　　 建筑结构方案优化对比 表1

　　 注:高区为26层及以上; 低区为基础顶～6层。

　　 此外,在首层的塔楼入口,建筑要求设置一11.2m高的办公大堂,造成首层楼层刚度小于2层楼层的刚度,为加大首层楼层抗侧刚度,改善结构的抗震性能,在首层设置了屈曲约束支撑; 在25层的酒店大堂,有一个8.8m高的酒店大堂,造成25层楼层刚度小于26层楼层刚度,为加大25层楼层刚度,改善结构的抗震性能,在25层也设置了屈曲约束支撑。

　　 屈曲约束支撑没有受压稳定问题,在风荷载与小震下构件承载能力是普通支撑的2～10倍 ^[3]; 在中震下屈曲约束支撑率先屈服耗能,可起到结构“保险丝”的作用,保护梁、柱等重要的主体构件在中震下不屈服; 在弹塑性阶段,屈曲约束支撑变形能力强、滞回性能好,可进一步提高结构在大震下的抗震性能 ^[4]。设置屈曲约束支撑前后,25层的楼层侧向刚度比如表2所示。

　　 25层设置屈曲约束支撑前后刚度比 表2

　　 注:刚度比为按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002) ^[5](简称02版高规)第4.4.2条计算的本层塔侧移刚度与上一层相应塔侧移刚度70%的比值或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者。

　　 从表2可以看出,设置屈曲约束支撑前,25层楼层侧向刚度比小于1,为结构软弱层; 设置屈曲约束支撑后,25层楼层侧向刚度比大于1,避免了楼层的竖向刚度突变。

　　 对于本工程上述的结构高度和结构体系的修改和优化,属于工程项目重大修改,按申报程序重新申报并通过了超限高层的抗震设防专项审查。

3 基础抗倾覆及抗滑移验算

　　 本工程结构高度为202.40m,嵌固层标高为-14.1m; 场地开挖后中风化基岩外露,核心筒采用筏板基础,塔楼框架柱采用大直径人工挖孔桩,裙房车库框架柱采用独立柱基,基础顶标高为-18.5m,基础埋深为4.4m,埋深约为结构高度的1/46。基础埋深小于规范要求,对于岩质地基,应进行抗滑移和抗倾覆验算,以保证结构在各工况下的抗倾覆和抗滑移稳定性。

　　 表3给出了各工况下结构抗倾覆的验算结果,其中大震下倾覆力矩偏安全地取大震弹性反应谱计算的倾覆力矩。由表3可以看出,结构各工况下的基础底面未出现零应力区,抗倾覆安全系数均大于1.6,满足《建筑地基基础设计规范》(DBJ 50-047—2006) ^[6](简称地规)对抗倾覆稳定性验算的要求。

　　 抗倾覆验算结果 表3

　　 表4给出了各工况下结构抗滑移的验算结果,其中大震下滑动力为Pushover分析的大震性能点处的基底剪力,抗滑动力取塔楼下所有桩基础的水平承载力、筏板与地基间摩擦力之和。由表4可以看出,结构在各工况下的抗滑移安全系数均大于1.3,满足地规对抗滑移稳定性验算的要求。

　　 抗滑移验算结果 表4

4 弹性计算分析

　　 采用SATWE软件和ETABS ^[7]软件对工程进行了弹性计算分析。采用振型分解反应谱法计算地震作用,并考虑了偶然偏心和双向地震作用。

　　 结构前三阶振型分别为Y向平动、X向平动及扭转,SATWE软件计算的结构周期比为0.50,ETABS软件计算的周期比为0.56(表5),说明结构扭转刚度相对于侧向刚度来说是较大的,满足规范小于周期比限值0.85的要求。

　　 SATWE与ETABS计算的结构在地震和风荷载作用下的最大层间位移角分别为1/1 493,1/909,满足规范的限值1/602要求。

　　 弹性计算分析结果 表5

　　 在初步设计和施工图设计阶段,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[8](简称10版高规)已经发布尚未实施,对框架-核心筒结构、筒中筒结构等属于弯曲或弯剪型变形,其楼层侧向刚度K_i可考虑楼层高度修正,取楼层剪力V_i与层间位移角Δ_i/h_i(Δ_i为i层的地震剪力标准值,h_i为i层的层高)的比值,即K_i=V_i/(Δ_i/h_i); 考虑层高修正的楼层侧向刚度比结果见图4。

　　 图4 楼层侧向刚度比  

　　 从图4可以看出,对框架-核心筒结构,考虑楼层高度修正后,结构楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度之比满足要求; 此外,由于在结构刚度较弱的首层和25层设置了屈曲约束支撑,减小了该层与上部楼层的刚度突变。

　　 本工程选取2条天然波和1条人工波,采用ETABS软件进行了弹性时程分析; 弹性时程分析的3条波作用下的结构基底剪力包络值与振型分解反应谱法计算的结构基底剪力的比值X向为1.03,Y向为0.99,计算结果取时程分析的包络值和振型分解反应谱法的较大值。

5 弹塑性分析

　　 在满足国家、地方规范的同时,根据抗震性能化设计的要求对本工程进行抗震设计,参考《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[9]附录M给出的实现抗震性能设计目标的参考方法,确定本工程的性能目标相当于“性能3”。

　　 Pushover分析 ^[10]作为一种简化的弹塑性分析方法,相对于弹塑性时程分析,可以得到较为稳定的分析结果,减少分析结果的偶然性,可以确定多个不同需求水准下的结构性能。所以,本工程采用PKPM系列软件的EPDA进行了静力弹塑性推覆分析。

　　 6度中震作用性能点下,Pushover分析的X向最大层间位移角为1/671,Y向最大层间位移角为1/715; 说明整体结构基本可以达到中震下轻微损坏的性能要求。6度大震作用下,结构X向最大层间位移角为1/255,Y向最大层间位移角为1/306,Pushover分析的X向、Y向结构楼层层间位移角如图5所示。

　　 图5 6度大震作用下结构楼层层间位移角 

　　 由图5可以看出,6度大震作用下,结构满足规范对框架-核心筒结构楼层层间位移角的要求; 结构在大震作用下塑性变形均匀,未在潜在的薄弱层产生过大的塑性变形集中,可以达到大震下中等破坏的性能要求。结构整体抗震性能满足“性能3”的抗震设防目标。具体的塑性开展主要集中于结构的剪力墙连梁,底部及顶部的核心筒剪力墙,以及部分框架梁; 其余部位的核心筒剪力墙、绝大部分的框架柱未见损伤。

6 结构加强措施及构造设计

　　 本工程自2010年开始设计,方案设计阶段、施工图设计阶段经历多次调整,于2013年6月通过最终版本的施工图审查; 从抗震超限论证、初步设计到施工图设计,时间跨度较大,正处于02版高规和10版高规更新时期。初步设计时,10版高规尚未实施,本工程结构设计依据为02版高规系列规范,结构计算采用08版PKPM和ETABS 9.2.0等软件; 但是,在小震弹性设计、大震弹塑性分析、施工图设计的抗震措施和构造要求等方面,均参照了10版高规的要求进行设计; 将10版高规的抗震理论和要求贯穿于结构设计过程中。

　　 针对塔楼的结构特点,施工图设计时,在结构整体计算、构件设计等方面,采取了如下针对性结构加强措施:

　　 (1)大震弹塑性分析揭示的剪力墙的连梁、底部及顶部的核心筒剪力墙等部位,采取适当加大配筋、保证“强剪弱弯”等措施,确保结构具有足够延性。

　　 (2)对开洞造成的穿层柱,按中震弹性要求进行截面设计,按规范要求计算混凝土柱计算长度系数并考虑P-Δ效应进行截面设计; 柱箍筋全高加密。

　　 (3)塔楼低区、中区的框架柱内采用型钢混凝土柱,型钢含钢率不小于4%,减小柱截面,增大柱剪跨比,增加柱延性。混凝土梁纵筋与型钢混凝土柱的连接,综合采用了套筒连接和连接板连接两种方式,两种方式配合使用,有效提高了施工效率和施工质量。

　　 (4)对楼板大开洞的楼层,楼板按考虑实际刚度的弹性楼板模型计算,按应力分析的结果配筋,并复核楼板的受剪承载力; 在因楼板削弱或层高变化造成的刚度较小楼层,设置抗震性能较好的屈曲约束支撑,以增大楼层刚度,提高结构抗震性能。

　　 (5)采用构造简单但是实用的结构节点做法,增加结构可靠度。梁面纵向钢筋数量过多时,将部分梁面纵筋设置在梁T形翼缘内,此时梁面纵筋仍应锚固于柱内,既满足了设计要求,又可以保证混凝土浇筑质量,可有效保证施工质量。楼面框架主梁和核心筒平面外搭接时,在核心筒外围设构造边框梁,以满足梁纵筋锚固长度要求。当梁柱偏心较大时,对框架梁端部进行水平加腋,以减小偏心对梁柱节点的不利影响。

7 结论

　　 (1)通过对重庆国瑞中心项目进行弹性分析和弹塑性分析得出,塔楼结构设计可满足预定的抗震性能目标,塔楼结构整体层间位移角指标由风荷载控制,小震、大震、风荷载作用下的最大层间位移角均小于规范限值,满足规范设计要求。

　　 (2)塔楼筒体剪力墙、外框架柱及其他构件可以达到预定的抗震性能目标; 在小震、中震、大震作用下总体结构响应参数和关键构件的性能均可以达到预定的“性能3”的抗震性能目标。

　　 (3)重庆国瑞中心项目现已建成并投入使用,各分项运行良好,达到了预期的设计要求,其设计、施工中取得的经验可供其他类似工程参考。