青岛华润大厦项目位于山东省青岛市市南区山东路10号, 项目所在地的原址为海军潜艇学院的操场及其东侧地块, 南侧为青岛华润万象城商业综合体, 西侧为青岛华润中心悦府一期工程 (图1) , 东侧紧邻山东路, 北侧为规划路。主要建筑功能为商场和办公, 由一栋塔楼及其裙房和地库组成, 建筑效果图见图2。总建筑面积约16.75万m², 其中地上建筑面积12.33万m², 地下建筑面积4.42万m²。地下室共包括4层, 其中地下4层、地下3层、地下2层的主要功能为车库及各种设备用房, 层高分别为4.10, 3.60, 3.80m, 地下1层为商业, 层高为7.50m;裙房5层, 均为商业, 总高31.70m;塔楼地面以上共56层, 结构高度为237.30m, 建筑塔冠高度为260.00m, 地上1～3层层高分别为6.50, 6.30, 6.50m, 标准层层高为4.00m和4.20m两种, 共设4个避难层, 避难层层高为4.60m。建筑剖面图如图3所示。塔楼标准层外包尺寸为47.60m×40.56m, 核心筒尺寸为24.25m×14.75m, 典型柱网为9.0m×9.0m和9.0m×10.2m。

　　 项目地下室南侧与青岛华润万象城地下室连通, 在地面上, 项目与青岛华润万象城之间为已经通车的闽江路, 在地面以上3～5层通过钢结构连桥与青岛华润万象城相连。

　　 工程设计使用年限为50年, 建筑结构安全等级为二级, 建筑结构防火等级为一级, 地基基础设计等级为甲级, 本工程所在区域持力层均为微风化花岗岩, 基础形式采用筏板基础, 选用地下室的顶板作为塔楼的嵌固端。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) ^[1], 项目所在地区的抗震设防烈度为7度 (0.10g) , 设计地震分组为第二组, 场地类别为Ⅱ类, 相对应的特征周期为0.40s, 抗震设防分类为重点设防类 (乙类) ^[2]。按照《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3] (简称荷载规范) , 青岛地区的基本风压为0.60kN/m² (50年重现期) , 由于离海边较近, 地面粗糙度类别取B类。湖南大学对项目进行的风洞试验结果^[4]显示, 当风向角分别为0°和90° (0°, 90°风向角分别对应图4和图5中的X向正向、Y向正向) 时, 风洞试验获得的结构X向和Y向的基底剪力最大。

　　 图4 地下2层结构布置示意图

　　 根据建筑平面、立面的特点及其使用功能的要求, 并查阅了国内近些年相似项目的资料, 塔楼采用部分型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒的结构体系, 裙房部分为钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。

　　 商业裙房和塔楼均采用普通的现浇钢筋混凝土楼盖, 其中除地下室顶板作为嵌固端采用了主梁+大板的形式外, 其他部位都采用了主次梁的楼盖形式。地下室典型楼层结构布置如图4所示, 其中塔楼质心相对于大底盘质心偏置, 偏置率为X向20%, Y向18.5%。塔楼标准层结构布置如图5所示。

　　 裙房部分的框架柱截面为800×800, 900×900, 1 000×1 000, 剪力墙厚度为300, 400, 500, 600mm, 框架梁截面为 (400～600) × (600～900) , 次梁截面为 (200～500) × (400～700) 。

　　 塔楼核心筒的非收进部区外围墙体厚度从底部1 300mm逐渐减小至顶部400mm;内部墙体厚度在底层为250, 300, 450, 500mm, 其中450, 500mm厚墙体随着高度增加逐渐减薄至250mm。收进区外侧X向墙体厚度为700mm, 其他墙体厚度为300mm。塔楼范围框架柱下部为型钢混凝土柱 (其截面由下至上为 2 100×2 100～1 900×1 900, 内置十字型钢, 钢材为Q345B) , 上部为钢筋混凝土柱 (其截面由下至上为1 900×1 900～1 000×1 000) , 型钢柱设置到20层, 其中19～20层为过渡层, 型钢仅作为构造增加框架柱的延性, 不参与计算。塔楼标准层外围边框混凝土梁截面从下部900×800逐渐减小至700×800, 其余框架梁截面为600×700, 600×600, 普通次梁截面为400×600。

　　 工程结构高度为237.30m, 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180.00m, 高度超限。另外根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2010]109号) ^[6]的相关规定, 项目为大底盘塔楼, 属体型收进的复杂高层;而且还存在局部跃层柱、塔楼质心偏置、核心筒偏置和局部收进以及整体扭转不规则等复杂情况。因此, 项目为超限高层建筑, 需要进行超限建筑工程抗震设防专项审查^[7] (已于2016年12月底通过了超限审查) 。

　　 针对工程的超限程度, 设定结构抗震性能目标为C级。结构构件在各地震水准下性能目标如表1所示, 并保证所有构件在各地震水准最不利工况下均不出现截面剪切破坏。

　　 针对以上设定的性能目标, 并结合超限专家意见, 在结构计算及分析中采取了以下措施:1) 本项目特征周期超过6s, 地震反应谱曲线周期大于6s后取水平段。2) 抗震设防类别按乙类;主楼高度超过B级高度限值30%, 底部加强区关键构件的抗震措施加强。3) 补充主楼底部跃层柱的屈曲分析和中震不屈服工况核心筒墙肢受拉验算。4) 地面粗糙度类别取B类, 风荷载计算取风洞试验和荷载规范包络值。5) 计算分析振型数不宜偏少, 取48个;弹性时程分析地震波的选取尽量满足地震剪力、周期和有效时长的三要素要求。6) 补充了单塔模型分析, 与塔楼带裙楼模型包络设计。

　　 多遇地震采用SATWE和MIDAS Building两种软件, 计算振型数取为48个, 周期折减系数采用0.85。含裙房的大底盘整体模型两种软件的计算结果如表2所示, 两者计算的各项指标基本一致, 且均满足高规要求。

　　 表2还列出了大底盘塔楼整体模型与单塔模型的计算结果比较, 计算结果表明, 采用大底盘塔楼整体模型计算得出的塔楼主要振型与按单塔模型计算的振型对应, 说明大底盘没有改变塔楼的自振特性。

　　 作为整体结构的第二道防线, 外围框架所承担地震剪力应符合高规中的相关规定。在计算中采用将裙房部分去掉后的单塔模型, 楼层剪力计算结果如图6所示。计算结果表明大部分楼层框架部分所分配的地震剪力均大于基底剪力的10%, 满足高规要求。

　　 本项目塔楼质心相对大底盘质心偏置 (图4) , 为了了解地震作用下偏置塔楼振动对裙房楼板的影响范围和程度, 采用MIDAS Building进行了中震作用下裙房楼板的有限元分析, 图7为裙房4层楼面 (局部为3层屋面) 在X向中震作用下的楼板拉应力分布图。结果表明, 4层楼板拉应力约为2.5MPa, 应力集中处最大值达5.0MPa。4层楼面的一部分为3层屋面, 故板厚取为150mm, 板配筋为双层双向, 且楼板应力集中处均与梁相连, 在应力集中处, X向框架梁通长钢筋取, Y向框架梁通长钢筋取即可抵抗该拉应力, 能实现设定的中震弹性的性能目标, 起到大底盘裙房楼板协调偏置塔楼振动的作用。

　　 图7 X向中震作用下4层楼板拉应力/ (×10^-3MPa)

　　 此外, 由于项目塔楼左侧为看海面, 因此交通核尽量设置在了塔楼的右侧, 导致了在X向整个核心筒质心偏置, 如图5所示, 偏置率达13.5%。因此, 在低区左侧剪力墙厚度大于右侧, 外框架在左侧为5根柱, 右侧为4根柱, 通过以上结构布置尽量减小核心筒质心偏置对整体结构的影响。

　　 此外, 通过在方案阶段与建筑沟通, 核心筒右侧电梯仅用于中高区以下, 因此核心筒右侧的剪力墙 (图5中虚线框内) 在39层以上收进, 改善了塔楼质心的偏置情况。但由于剪力墙收进, 侧向刚度发生突变, 导致收进部位相邻几层与收进剪力墙相连的框架梁分担的地震作用很大, 梁超筋现象严重。为了调节框架梁分担的地震作用, 采取了尽量减小收进部位相邻4层剪力墙刚度的措施, 即仅端头墙厚同框架梁宽度 (700mm, 为满足框架梁钢筋锚固) , 内部剪力墙减薄至450mm, 如图8所示。计算结果表明, 此措施有效控制了刚度突变, 改善了梁的超筋现象。

　　 项目与青岛华润万象城通过跨度约40m的大跨度钢连桥^[8]相连通, 钢连桥一侧与青岛华润万象城的型钢混凝土柱铰接, 一侧通过盆式滑动支座 (图9) 与本项目相连, 其中滑动支座最大竖向设计承载力为6 000kN, 纵向允许位移为±200mm, 横向允许位移为±80mm, 为了防止滑动支座坠落, 盆底设置4ϕ50的地脚螺栓 (长度750mm) 埋入牛腿中, 牛腿下侧设置限位器, 限位器允许水平位移不大于±200mm, 锁定力不小于1 800kN。钢连桥结构布置如图10所示。

　　 利用SAP2000建立了钢连桥的有限元模型 (图11) , 其中, 梁、柱构件使用梁单元模拟, 梁两端与柱铰接, 柱下端为固接。考虑楼板对梁刚度的放大作用和动力荷载作用下弹性模量的放大效应。钢连桥区域附加恒荷载取值为2.5kN/m², 活荷载取值为5.0kN/m²。

　　 经计算, 钢连桥的第1阶自振频率为3.2Hz, 第2阶自振频率为3.6Hz, 第3阶自振频率为4.1Hz。均满足高规中“楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz”的规定。

　　 根据高规中的相关规定, 计算出塔楼在风荷载作用下X, Y向顶点加速度值分别为:X向顺风向最大加速度0.066 m/s², Y向顺风向最大加速度0.051 m/s², X向横风向最大加速度0.155 m/s², Y向横风向最大加速度0.109 m/s², 均小于高规规定的办公楼结构顶点峰值加速度限值0.25 m/s²。

　　 另外, 湖南大学在风洞试验的基础上, 对本工程在10年重现期风荷载作用下的结构顶点加速度进行了研究分析^[4], 结果显示:当风向角为0°时, X向顶点加速度最大, 为0.212m/s²;当风向角为90°时, Y向顶点加速度最大, 为0.130m/s²。X向和Y向的顶点加速度最大值均小于高规限值0.25m/s²的要求, 因此工程满足舒适度的要求。

　　 采用PKPM软件对结构进行多遇地震弹性时程分析, 根据地震剪力、特征周期和有效时长的三要素条件选择了5条天然波和2条人工波 (不考虑竖向地震作用) , 基底剪力结果见表3。弹性时程分析的计算结果表明, 虽然在某些地震波作用下个别楼层时程分析法所得楼层剪力大于规范振型分解反应谱法 (CQC法) 计算的剪力, 但7条地震波的楼层剪力平均值小于CQC法的计算结果, 因此可以按照规范CQC法进行小震工况下承载力的计算。

　　 采用有限元软件PKPM-SAUSAGE对结构进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析, 选取2条天然波和1条人工波, 寻找结构是否具有薄弱部位和薄弱构件, 并对其采取加强措施, 并根据计算结果判断结构是否能够满足规范“大震不倒”的要求。

　　 结构在3条罕遇地震波作用下的弹塑性层间位移角曲线如图12所示, X向最大层间位移角为1/220, Y向最大层间位移角为1/225, 均小于层间位移角限值[θ_p]=1/100。此外, X向最大顶点位移为0.788m, Y向最大顶点位移为0.765m。

　　 图12 弹塑性时程分析层间位移角结果

　　 3条地震波作用下的最大层间位移角在裙房楼层处有突变, 塔楼层间位移角曲线较为光滑, 未发生突变, 可见, 在所选的3条罕遇地震波作用下, 结构能够满足规范“大震不倒”的要求。

　　 鉴于结构在天然波1作用下层间位移角响应最大, 仅列举该条震波作用下各构件的损伤情况, 其抗震性能评述如下:连梁在大震作用下损伤较为严重, 成为主要的耗能构件, 符合“强墙肢弱连梁”的设计原则;剪力墙受压损伤均较小 (图13) , 仅有少数墙肢在底部楼层和剪力墙收进部位发生局部受压损伤, 不会发生危及结构安全的严重破坏, 其中核心筒剪力墙收进部位由于采取了有效的抗震措施减轻了其受压损伤程度;塔楼框架柱均未出现混凝土受压损伤, 钢筋基本未达到屈服应力。

　　 为了改善核心筒偏置对结构的影响, 将底部楼层核心筒左侧剪力墙厚度加大至1 300mm, 大于右侧;整体外框架左侧设置5根柱, 右侧为4根柱;尽量减小核心筒收进部位处的墙厚, 以减弱刚度突变对框架梁和剪力墙的损伤;适当增加收进部位的楼板厚度, 以在一定程度上弥补核心筒收进造成的刚度损失。

　　 1) 将底部加强区高度延伸至裙房大屋面以上一层。2) 按照抗震等级特一级的规定设置剪力墙以及边缘构件的配筋, 并将约束边缘构件的配箍特征值提高20%;同时按照中震弹性、大震不屈服的性能目标对底部加强区的剪力墙及暗柱进行设计。3) 剪力墙墙肢轴压比严格按高规要求控制在0.5以下, 对于个别轴压比较大的墙肢通过内置型钢进行改善。

　　 1) 18层以下的框架柱内置型钢, 使轴压比控制在0.65以内, 并依次设置两层型钢柱和两层芯柱作为过渡, 以减少框架柱刚度突变的不利影响。2) 增大外围框架梁的截面, 以提高外框架所承担的地震剪力。3) 针对楼板局部不连续的问题, 加大跃层柱截面、加强其配筋和构造要求, 将型钢混凝土跃层柱的型钢含钢量提高至5.0%, 确保其在罕遇地震作用下不会发生屈曲及破坏。4) 大底盘裙房1～4层外围框架柱的纵筋最小配筋率提高到1.4%, 箍筋加密区最小配箍特征值提高了0.02。

　　 经过分析计算, 采取以上各种抗震措施后结构可以达到设定的抗震性能目标要求。

　　 青岛华润大厦为超B级高度的超限高层建筑, 存在局部跃层柱、塔楼质心偏置、核心筒偏置和局部收进以及整体扭转不规则等多项不规则类型。在设计中采用概念设计方法, 根据结构有利于抗震的原则, 首先对整体结构体系及布置进行仔细的考虑并作优化, 尤其是针对塔楼和核心筒偏置问题, 结合建筑平面和功能的特点, 合理地设置框架柱的数量以及剪力墙的厚度, 减轻偏置引起的不利作用。抗震设计中除保证结构在多遇地震作用下完全处于弹性工作阶段外, 还规定了关键构件及部分主要构件在设防地震、罕遇地震作用下的性能目标。采取SATWE, MIDAS Building, PKPM-SAUSAGE等计算软件进行了弹性计算、弹性时程分析以及弹塑性时程分析, 同时根据分析结果, 对关键和重要构件进行适当加强, 在构造措施方面亦进行相应处理。最终的结果表明, 结构各项指标均能满足规范的有关要求, 项目各项不规则程度得到了有效改善, 保证了项目施工的顺利进行。项目于2017年初开始施工, 目前已施工至地上23层。