项目位于青岛市市南区山东路10号, 总占地面积约1万m², 总建筑面积约12.3万m², 属于青岛华润中心悦府二期的一部分。悦府二期共包含6#楼、7#楼和8#楼三栋塔楼, 该三栋塔楼通过6层的大底盘地下室相连, 大底盘东侧和南侧与青岛华润中心万象城相连。项目总平面图详见图1。

　　 根据场地地形, 大底盘西侧边坡设永久支护与主体结构脱开, 东侧与万象城地库相连。塔楼结构的有效嵌固端取在地下5层楼面, 地下6层按全埋地下室考虑, 大底盘面 (标高28.000m) 相对嵌固楼层的高度为21m, 大底盘平面外包尺寸约为115m×230m。工程剖面详见图2。

　　 本文所讨论的8#楼地面以上60层, 屋面高度189.45m (嵌固层以上高度为210.45m) , 塔冠高度199.50m (嵌固层以上高度为220.5m) , 平面外包尺寸约为82.6m×48.3m, 长宽比1.71 (近似) , 按回转半径计算的塔楼高宽比为8.08 (平面细腰最窄处高宽比13.4) , 超过《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1] (简称高规) 的限值6.0。平面形状较不规则、不均衡, 左侧体量大右侧体量小, 造成刚度偏心较为严重。标准层平面图详见图3。

　　 本工程为设计使用年限50年的超高层住宅项目, 建筑结构安全等级为二级, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.1g, 设计地震分组为第二组, 抗震设防类别为丙类, 建筑场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.40s, 地基基础设计等级为甲级。

　　 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[2], 青岛地区控制位移的50年重现期基本风压为0.6kPa。根据高规的要求, 承载力设计时按1.1倍的50年重现期基本风压进行控制, 舒适度计算采用10年重现期基本风压值0.45kPa控制。建筑物地面粗糙度类别为C类。

　　 建设方委托湖南大学对本项目进行了风洞模拟试验。以1∶300的模型比例参照建筑图纸模拟出建筑的外形轮廓, 反映出建筑外形轮廓对表面风压分布的影响。对该建筑物四周半径500m范围内主要建筑物也制作了同等比例的缩尺模型以反映环境的干扰。通过设置间隔15°的不同风向角测得共计24组风向角工况下的试验数据, 并给出了不同工况下的等效静力风荷载值。

　　 试验结果表明, 结构在X向和Y向的基底最大剪力分别发生在75°及135°风向角的位置。风荷载计算时X向、Y向的风荷载输入均以这两个风向角的等效静荷载为准。全风向角下, 试验单测点最大体型系数为2.62, 发生在A8, 最大体型系数平均值为1.18。单测点最小体型系数为-5.56, 发生在A45, 最小体型系数平均值为-1.52, 具体位置详见图3。综合以上数据并参考高规, 本工程风荷载计算的体型系数取1.40。

　　 根据风洞试验结果, 对本工程3种不同抗侧力方向 (0°, 40°和-25°) 的最不利情况进行了风荷载作用下的计算分析, 结果对比如表1所示。由表中结果可知, 结构在0°主控方向的风荷载作用下, 总剪力小于同方向规范计算值, 但层间位移角反而较大。虽然在40°和-25°抗侧力方向下, 风荷载的作用大于0°主控方向, 但层间位移角仍小于0°主控方向, 说明在这两个方向结构具有较大抗侧移刚度。

　　 结合场地工程地质条件及荷载条件, 本工程塔楼和裙房分别选用筏板基础和天然地基扩展基础, 以中风化粗粒花岗岩 ( f_a=2 000kPa) 或微风化粗粒花岗岩 ( f_a=6 000kPa) 为基础持力层。

　　 勘察报告建议的地下室抗浮设防水位标高为26.0m (西侧) ～16.0m (东侧) 。本工程有可靠排水的室外最低点, 为场地东北角, 标高为16.68m。考虑到青岛地区下暴雨的几率较大, 地下室设防水位不宜低于室外有可靠排水的最低点。另外, 由于场地西高东低, 且西侧约25m的边坡高度, 为避免主体结构承受太大的水平力, 西侧边坡在9.5m标高以上采用永久支护将边坡和结构主体分开, 并在边坡底部设置排水沟, 根据地形设置1‰排水坡度, 将汇入边坡底部的水有效排入场地东北角的市政管网。结合场地特点、勘察报告的建议以及边坡支护的情况, 最终确定本工程场地抗浮设防水位标高为16.0m。

　　 地下室底板的抗浮设计水头为13.65m, 裙房范围结构自重不足以抵抗水浮力, 采用抗拔岩石锚杆抗浮。抗浮锚杆直径180mm, 锚杆钢筋采用4根直径32mm的HRB400钢筋, 锚杆伸入微风化岩的深度不少于3m, 根据现场锚杆基本试验结果, 单根锚杆抗拔承载力特征值为805kN。锚杆布置时结合柱网及结构自重情况采取1.8～2.4m间距。

　　 本工程位于坡地上, 东、南两侧与万象城地下室紧密相连。结合场地高差及与万象城地下的相互关系, 周边关系处理如下:

　　 (1) 东侧与万象城地下室连通, 7.000m标高以上设缝分开;西侧为规划路, 边坡高度较大, 结合场地地质情况, 采用永久支护, 将大底盘结构从9.500m标高以上与边坡分开, 如图4中1-1剖面所示, 降低西侧水土压力, 减少结构的抗浮成本。

　　 (2) 大底盘东侧与万象城地下室相连, 7.000m标高以上设双柱缝分开, 如图4中3-3剖面所示。南侧与下沉广场地面的相对关系如图4中2-2剖面所示。上述剖面对应的平面位置均详见图1。

　　 本工程地势西高东低, 悦府二期与万象城地下室相连, 悦府二期底板面标高3.000m, 而万象城底板面标高为-8.300m, 导致交界处有11.3m的高差。为确保塔楼的竖向荷载平稳地向地基传递, 在边界位置对塔楼筏板基础采用逐级放台阶的措施, 将基础分为3阶, 台阶高度自下而上分别为4.5, 3.4, 3.4m, 最低点筏板底标高与万象城底板底标高相同且两者现浇为整体, 台阶角点的连线与水平线的夹角为12.98°, 如图5 (a) 所示。裙房采用扩展基础, 且柱底内力相对较小, 采用柱下独立基础局部深挖的措施, 使基础角点与坡脚的连线小于60°, 如图5 (b) 所示。

　　 本工程塔楼采用剪力墙作为结构的抗侧力体系, 标准层结构布置图详见图3。根据建筑平面布局的特点, 结构布置时充分利用墙肢翼墙的翼缘效应, 通过加大翼墙厚度提供较大的抗侧刚度, 翼墙厚度普遍采用600～800mm。因建筑需要, X向长剪力墙较少, 结构形式偏于框架-剪力墙结构, 对X向外围短翼墙采用“计算洞”方式按照框架柱进行建模计算, 与剪力墙模型进行对比。取典型区域对比两种模型的计算结果如图6所示。短翼墙配筋采用翼墙和框架柱两种方式进行包络设计。

　　 由于建筑体型左大右小, 导致结构平面的刚度偏心较为严重。在结构布置时, 有针对性地采取差别化的墙体布置:左侧体型较大区域, 在满足竖向承载力的前提下, 尽量减少剪力墙的数量和采用较薄的剪力墙, 基本长墙厚度从底部的300mm收进到200mm;右侧体型较小区域则采用相对较厚的剪力墙以加强右侧刚度, 基本长墙厚度从底部的500～400mm收进到300mm。通过差别化的墙体布置, 使结构整体刚度基本达到均衡。中部“细腰”区域长墙厚度从底部的350mm逐步收进至250mm。

　　 楼盖均采用现浇钢筋混凝土梁板结构, 其中标准层核心筒范围内板厚为140mm, 中部“细腰”区域板厚为130mm, 其余区域按实际跨度选取, 最小板厚为120mm。地下5层塔楼范围根据嵌固端要求, 板厚和大底盘范围一致取180mm。1层塔楼范围根据大底盘楼板中震有限元分析计算结论, 板厚取160mm。

　　 大底盘结构体系为普通钢筋混凝土框架结构。考虑到塔楼和大底盘之间可能存在不均匀沉降, 在塔楼周边设置沉降后浇带;为了减少混凝土收缩对大底盘的影响, 沿纵横向分别设1道和2道伸缩后浇带, 如图7所示。

　　 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) , 本工程主要超限内容如下:

　　 (1) 塔楼结构高度210.45m, 超过B级高度剪力墙结构的最大适用高度150m, 超限40.3%。

　　 (2) 根据SATWE计算结果, 考虑偶然偏心的扭转位移比最大为1.38, 大于1.2小于1.4, 根据高规3.4.5条, 属平面扭转不规则。

　　 (3) 结构平面凹进尺寸7.35m, 与相应边长之比为0.32, 大于0.30, 根据高规3.4.6条, 属平面凹凸不规则。

　　 (4) 结构平面Y向楼板最窄处5.5m, 有效楼板宽度占比24%, 小于50%, 根据高规3.4.6条, 属平面楼板不连续。

　　 (5) 地上56层以上, 平面左侧2/3区域收进, 仅右侧1/3区域继续往上延伸至地上60层, 竖向构件位置缩进超过25%, 属于尺寸突变。

　　 综合考虑各因素, 设定结构抗震性能目标为C级。结合本工程的特点和超限情况, 设定结构各部位构件性能目标如表2所示。

　　 采用PKPM SATWE (2010版) 软件进行计算分析, 并采用ETABS (9.20中国规范版) 进行对比。结构计算考虑偶然偏心、双向地震作用、扭转耦联以及施工模拟加载的影响。由于本工程高度较高, 风荷载较大, 除正常计算小震和风荷载共同作用下的工况外, 还计算了水平荷载只有风荷载、连梁刚度不折减的情况, 以复核框架梁及连梁的强度, 避免这类构件在正常使用工况发生屈服。主要的计算结果如表3所示。计算结果表明, 结构周期比小于高规限值0.85, 最大层间位移角小于高规限值1/623, 剪重比适中, 构件截面选取合理, 结构体系选择恰当。

　　 根据高规3.7.6条规定, 高层建筑混凝土结构的舒适度, 按10年重现期风荷载下建筑物顶点的顺风向和横风向最大加速度限值:住宅、公寓为0.15m/s²。SATWE计算得到的X, Y向顺风向和横风向顶点最大加速度见表4。结果表明, 按规范公式计算得出的结构顶点最大加速度小于高规限值, 满足舒适度要求。

　　 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结构顶点加速度进行了研究分析, 试验结果显示, 当风向角为210°时, X向顶点加速度最大, 为0.107m/s²;当风向角为75°时, Y向顶点加速度最大, 为0.146m/s²。上述试验结果表明, 本工程可基本满足规范对舒适度的要求。

　　 本工程6#, 7#, 8#三座塔楼通过大底盘裙房联系在一起, 形成多塔楼大底盘。为了考虑大底盘对各个塔楼的影响, 进行了多塔大底盘计算, 并与单塔模型计算结果对比, 结果详见表5。

　　 对比结果表明, 大底盘多塔模型的振动模态和单塔楼模型基本一致, 在多塔和裙房的共同作用下结构具有更好的抗侧刚度, 表现为更短的周期、更大的剪重比, 但变化幅度不大。由于各塔楼之间的相互影响, 两个模型的层间位移角规律不明显, 施工图设计时按两者包络设计。

　　 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (简称抗规) 5.1.2条规定, 多遇地震下的弹性时程分析选取了Ⅱ类场地上五组实际强震记录以及两组人工模拟的场地波进行弹性时程分析。地震动峰值加速度取安评值35gal, 主方向和次方向的峰值加速度的比值为1∶0.85。楼层剪力、层间位移角曲线对比如图8所示, 图中平均值即7条地震波计算结果的平均值。

　　 通过对比弹性时程分析与振型分解反应谱法 (CQC法) 计算结果可以看出, 7条地震波得出楼层剪力平均值曲线与CQC法结果基本一致, 弹性时程分析得出的楼层剪力平均值在高度130m (40层) 以上大于CQC法, 施工图设计时, 对40层以上结构按规范反应谱得出的地震力做适当放大。

　　 本工程选用一组双向人工波、两组双向天然波, 采用ABAQUS软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。分析采用双向地震波输入, 主次双方向地震波峰值比为1∶0.85, 地震波持续时间为30s, 主方向地震波峰值为220gal。本文限于篇幅, 只列出一组人工波沿X, Y两向作用下楼层剪力、层间位移角曲线, 如图9, 10所示。通过罕遇地震下的弹塑性时程得到如下结论:

　　 (1) 罕遇地震作用下最大顶点位移为0.92m, 并能保持直立, 满足“大震不倒”的设防要求。

　　 (2) 主体结构最大弹塑性层间位移角X向为1/182, Y向为1/146, 小于规范限值1/120的要求。

　　 (3) 60层以上顶部构架层局部墙肢由于鞭梢效应产生了较严重的受压损伤, 但不会造成严重后果, 设计时相关部位配筋予以加强。底部1～5层局部剪力墙收进位置由于变形协调也产生了较严重的受压损伤, 但损伤的是裙房部分增加的墙肢, 主承重的上部结构墙肢完好, 对结构抗震性能基本无影响。

　　 (4) 楼板仅有局部点状位置出现了轻度的钢筋塑性应变和受压损伤, 主要集中在结构中部洞口边缘, 基本可以忽略。

　　 结构各部位主要构件损伤情况汇总见表6。

　　 本工程高度超出B级高层建筑适用高度, 存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、竖向不规则等4项不规则类型, 属于体型一般不规则结构。针对上述超限情况及设计中的关键技术问题, 在设计中采取了如下主要措施:

　　 (1) 提高底部加强区剪力墙抗震等级、墙身及约束边缘构件的配筋率和配箍率, 按中震抗剪弹性、大震不屈服的性能目标进行设计。

　　 (2) 针对建筑平面扭转不规则和凹凸不规则, 通过设置不同的墙厚调整结构的整体刚度, 对结构左侧宽度较大区域采用较薄的剪力墙, 右侧宽度较小的区域采用较厚的剪力墙, 以控制结构的整体扭转。

　　 (3) 针对楼板不连续, 在楼板薄弱处的北侧洞口每4个楼层封上1层楼板作为加强板带, 每层的薄弱部位及每4层1道的加强板带的板厚均提高到150mm, 并提高X向的最小配筋率到0.4%并双层通长配筋。

　　 (4) 针对竖向不规则, 根据大震弹塑性分析结果, 通过剪力墙减小厚度、取消中间部分剪力墙等措施减小61层以上的结构自重, 以降低顶部质量偏心带来的扭转效应;并将顶部结构地震力放大系数取1.1, 设计时配筋予以加强。

　　 (5) 对于Y向弱轴端部翼墙, 采用柱单元模型建模, 并通过在长墙上设置“计算洞”对翼墙进行计算复核、包络设计, 以保证重要竖向构件的安全性。

　　 (6) 对中部“细腰”区域单独建模计算, 通过对该区域截面、配筋的加强, 保证其在风荷载和小震作用下结构抗剪承载力满足规范要求。

　　 (1) 本工程采用概念设计方法, 根据抗震原则及建筑特点, 对结构体系及布置进行仔细的考虑并进行优化, 使之具有良好的结构性能。

　　 (2) 根据风洞试验的结果, 合理地考虑结构的等效风荷载效应, 并对体型系数进行合理取值。

　　 (3) 地下结构西侧设置永久边坡+排水沟, 有效降低结构的侧压力, 并对塔楼筏板基础采用三阶放台以确保塔楼的竖向荷载平稳地向地基传递。

　　 (4) 抗震设计中采用性能化设计方法, 采取多种计算程序对结构进行弹性、弹塑性计算, 除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外, 还补充了各部位结构构件在中震、大震作用下的性能目标, 以满足规范的相关要求;并根据计算结果对关键和重要构件进行适当加强, 在构造措施方面作进行对性处理。