本工程为超高层办公楼, 地上建筑面积6.03万m², 地下建筑面积3.78万m², 塔楼地上34层 (包括屋顶机房层及拉梁层) , 地下3层, 结构主体高度149.2m, 采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系, 属于B级高度高层建筑, 建筑效果图见图1。

　　 塔楼平面尺寸为39.90m×50.00m, 如图2所示, X向高宽比约为3.8, X向核心筒高宽比约为9.35。为了控制框架柱截面尺寸, 框架柱在9层楼面以下增设型钢, 9层楼面以上为钢筋混凝土柱。本工程结构主要特点如下:1) 首层层高12m, 结构标准层层高4.20m, 首层的刚度及受剪承载力均较低, 容易出现薄弱层;2) 需要考虑框架-核心筒结构楼面次梁如何与核心筒相连, 是直接搭在连梁上还是避开连梁斜搭至剪力墙上;3) 由于塔楼平面是规则矩形, 核心筒也为矩形布置 (15.95m×29.10m) , 并且核心筒剪力墙主要布置在其长向的两侧, 近似双筒, 但又不是完整的双筒, 中间连接稍弱。

　　 本工程所在地区抗震设防烈度为7度 (0.10g) , 场地类别为Ⅱ类^[1];基本风压值为0.30kN/m², 地面粗糙度类别为C类。上部结构的剪力墙和框架的抗震等级均为一级, 地下1层的剪力墙和框架的抗震等级同上部结构, 地下2层和地下3层的抗震构造措施的抗震等级分别为二级和三级。经计算地下1层与首层侧向刚度比大于2, 计算分析时取地下室顶板作为上部结构的嵌固端。

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) 第3.5.2条:“对框架-核心筒结构, 其楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度的比值不宜小于0.9, 当本层层高大于相邻上部楼层层高1.5倍时, 该比值不宜小于1.1;对结构底部嵌固层, 该比值不宜小于1.5。”高规第3.5.3条:“B级高度高层建筑的楼层层间抗侧力结构的受剪承载力不应小于其相邻上一层受剪承载力的75%。”

　　 从图3可以看出, 结构楼层侧向刚度均满足规范要求, 楼层侧向刚度比最小值在21层, 分别为1.04 (X向) , 0.99 (Y向) 。结构地上首层层高12m, 大于相邻上层层高的1.5倍, 刚度比为1.93 (X向) , 1.94 (Y向) , 大于1.1和1.5。同时复核带地下室及相关范围模型的刚度比, 地上首层与2层的侧向刚度比分别为1.46 (X向) , 1.38 (Y向) , 满足高规的要求。

　　 从图4中可以看出, 结构受剪承载力比最小值出现在首层, 分别为X向0.74, Y向0.77, 不满足规范要求。通过对首层的剪力墙水平分布钢筋及框架柱纵筋实配钢筋进行调整, 剪力墙水平分布钢筋由0.30%增大到0.38%, 型钢柱纵筋配筋率增大到1.24%, 受剪承载力比值在首层可调整至X向0.80, Y向0.81, 使其满足规范要求 (图4) ;最后在施工图纸设计时将首层剪力墙的水平分布钢筋配筋率提高至0.50%, 进一步提高其抗剪承载力, 受剪承载力比值在首层可调整至X向0.86, Y向0.87。另外针对首层层高较高的结构特点采取以下加强措施:1) 为增加对首层竖向构件的约束作用, 2层楼盖的外圈梁截面由600mm×800mm加大至800mm×1 200mm, 2层楼盖楼板厚度由100mm加厚至150mm;2) 底部框架柱内设置型钢, 减小柱截面, 满足建筑使用要求, 同时可提高其延性;3) 为增加首层的框架柱及剪力墙的抗震性能, 将其抗震构造措施的抗震等级提高至特一级。

　　 高规第9.1.10条:“楼盖主梁不宜搁置在核心筒或内筒的连梁上”。本项目框架梁基本上和核心筒剪力墙对齐, 能直接支承于剪力墙上, 但对于次梁可选择两种布置方式, 即支承在剪力墙上和支承在连梁上, 见图5。次梁支承在剪力墙上是较常见的处理方式, 将次梁布置为斜梁直接支承于剪力墙上, 避开搭在连梁上, 这样传力直接, 可以避免给相应连梁施加集中荷载, 见图5 (a) , 但这种方案材料损耗大, 施工不便, 不利于房间分隔, 不利于设备布置, 楼板分割不规则直接影响建筑楼盖的美观度。次梁支承在连梁上是次梁直接搭于核心筒的连梁上, 见图5 (b) , 该处理方式较好地解决了布置斜梁产生的缺陷, 但这样会使连梁承受附加剪力和附加扭矩, 所以设计要解决好连梁的抗震性能。本工程提出采用变截面分段式连梁 (加强段高度1 000mm, 耗能段高度600mm, 如图6所示) , 其抗震性能目标如下:在弹性设计中, 耗能段的刚度折减系数取0.7, 加强段不折减;加强段在中震作用下不屈服, 在大震作用下承载力不显著降低, 仍能够承担楼面次梁传来的竖向荷载;耗能段中震作用下受剪不屈服、受弯允许部分屈服, 在大震作用下允许屈服耗能。此布置方案的优点在于变截面分段式连梁兼顾承重构件和耗能构件的双重功能, 楼盖次梁横平竖直的布置方式具有施工方便、材料用量少、设备安装方便等优点, 具有良好的经济性和适应性。

　　 对连梁在小震组合 (1.2恒荷载+0.6活荷载+1.3小震+0.28风荷载) 、中震组合 (1.0恒荷载+0.5活荷载+1.0中震) 作用下的受力情况进行有限元分析^[3]。图7～9为小震组合、中震组合作用下连梁的壳单元应力图。分析如下:

　　 (1) 压应力分析:除连梁端部与剪力墙交接处外, 小震组合下连梁压应力基本在1.0～9.0MPa范围内, 小于混凝土抗压强度设计值27.5MPa (C60) , 保持弹性水平 (图7) ;中震组合下压应力基本在3.5～12MPa范围内, 小于混凝土抗压强度设计值27.5MPa (C60) , 保持弹性水平 (图8) 。

　　 (2) 拉应力分析:除变截面处出现局部应力集中外, 小震组合下连梁拉应力基本在1.0～12.5MPa范围内;中震组合下拉应力基本在5.0～15.0MPa范围内, 梁端部最大拉力为1 450kN, 经计算配置9■25纵向受拉钢筋即可满足要求。

　　 (3) 剪应力分析:小震组合下连梁剪应力基本在5.0MPa范围内, 小震组合下最大剪压比为0.07, 中震弹性组合下剪应力基本在6.0MPa范围内 (图9) , 最大剪压比为0.075, 未超过0.15。假设剪力全部由箍筋和混凝土共同承担, 配置抗剪箍筋即可满足要求, 并可保持在弹性水平。

　　 表1, 2是YJK程序计算的连梁配筋结果对比, 由表中数据可以看出, 变截面连梁的受弯承载力主要由小震弹性控制, 受剪承载力由中震不屈服组合控制, 连梁设计时需根据小震和中震两种工况进行包络设计。

　　 结构核心筒在Y向布置了较多的连梁, 在大震作用下, Y向连梁大部分进入塑性, 损伤较明显, 可起到较好的耗能作用^[4,5]。对于有次梁搭于其上的连梁设计成变截面分段式连梁, 连梁的损伤最大处出现在耗能段上, 有效保护了加强段连梁, 加强段连梁损伤相对较小, 大震后加强段连梁仍起到了悬挑梁的作用, 能承担楼面次梁传来的集中力, 为次梁提供支承, 达到预想的设计目标, 见图10。

　　 为保证加强段连梁更好地达到预期的性能目标, 在实际设计中对加强段连梁采取如下加强措施 (图11) :1) 加强段连梁需按悬臂构件验算其承载力;2) 加强段连梁在楼面次梁和剪力墙之间的箍筋, 比计算结果直径加大2mm。

　　 核心筒的加强方式之一是增设剪力墙, 经与建筑专业协商后, 在核心筒长向的中间两侧增设了两个小墙肢, 见图12 (a) 左侧平面核心筒的布置。这种方式虽然核心筒得到加强, 但是小墙肢在地震作用下极易损坏, 反而成为薄弱构件, 对抗震不利;另外, 这种加强方式可能会导致建筑长向抗侧刚度过大。其二是可以通过加强水平构件, 从而加强两侧核心筒之间的连接, 本工程将核心筒Y向框架梁加高至1m, 再调整楼梯间梁布置, 并将楼梯间外两侧楼板加厚至150mm, 见图12 (b) 。调整后Y向周期由4.38s减小至4.13s, Y向刚度得到显著提高, 由于扭转周期比0.847已接近限值0.85, Y向刚度不适合再提高。

　　 在实际工程应用中, 通常情况下核心筒墙体的整体刚度较大, 内部楼梯的刚度对整体刚度影响较小, 在计算中楼梯部位经常按开洞考虑。由于本工程的楼梯布置在连接较弱的核心筒中部位置, 应适当考虑楼梯 (斜撑作用) 对整体刚度的影响。

　　 在模型中将楼梯按实际建入, 计算后与不考虑楼梯刚度的数据进行对比 (表3) 。考虑楼梯后, Y向周期由4.13s减小为3.95s, X向周期由3.84s变为3.86s, 扭转周期由3.50s减小为3.32s, 扭转周期比由0.847变为0.841;X向地震最大层间位移角减小了2.23%, Y向地震最大位移角减小了8%, 结果显示Y向刚度和抗扭刚度均有明显提高。

　　 在抗震设计中, 应采用多种程序对结构进行弹性、弹塑性计算分析, 结合结构的特点进行分析论证, 找出结构的关键部位和薄弱部位, 对其进行针对性的计算分析并采取相应的加强措施, 提高结构的延性和整体抗震性能, 在具有良好的经济性的前提下实现预期的设防目标。