本项目位于河南省南阳市开发区光武路一侧区域, 由南阳大剧院、南阳市群众艺术馆组成 (图1) 。其中南阳大剧院总建筑面积约2万m²;南阳市群众艺术馆 (简称群艺馆) 总建筑面积约1.2万m²。

　　 本工程不设地下室, 地上1层为大底盘, 建筑由裙房和塔楼组成, 其中左侧群艺馆由两个塔楼组成, 加裙房共5层, 结构顶层标高24m, 1~5层的层高分别为6.0, 4.5, 4.5, 4.2, 4.8m;右侧大剧院为一个塔楼, 加裙房共5层, 结构顶层标高30.5m, 1~5层的层高分别为6.0, 6.5, 6.5, 6.5, 5.0m。群艺馆和大剧院通过屋面钢结构空间网架连接。

　　 该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7度, 基本地震加速度为0.1g, 建筑场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第一组, 特征周期为0.35s, 抗震设防分类为乙类。建筑高度属于A级高度, 本建筑工程高度虽然不高, 但考虑到其屋顶钢结构连体部分对风荷载较为敏感, 故对该部分结构基本风压的取值进行了提高考虑, 基本风压取0.40k N/m² (考虑100年重现期) 。

　　 根据建筑物使用功能、建筑物高度、抗震设防烈度及场地条件等因素综合分析, 确定结构形式采用钢筋混凝土框架结构体系。对于群艺馆和大剧院屋面间连体结构采用空间钢结构体系。结构计算模型见图2。

　　 针对群艺馆、大剧院中展厅、剧场等部位的层间通高部位, 采取如下构件布置措施:1) 楼层构件采用钢桁架实现大跨楼层承载功能, 有效降低结构重量, 易于控制层间质量比, 如大剧院屋顶结构层 (图3, 4) ;2) 竖向构件采用型钢混凝土柱 (SRC柱) , 有效实现该部位构件承载力、刚度和延性之间的匹配 (图3) 。

　　 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) ^[1]附录一中相关内容, 逐条对照分析, 对本工程的超限检查情况如下:1) 楼板不连续, 局部有效宽度小于50%;2) 尺寸突变, 多塔;3) 构件间断, 连体类;4) 其他不规则, 如局部的穿层柱等不规则类型。因此, 该建筑结构为大底盘多塔连体复杂高层建筑, 其建筑结构布置属于《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称抗规) 、《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[3] (简称高规) 规定的特别不规则的高层建筑工程, 属于超限高层建筑工程。

　　 基于抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素的综合考虑, 本工程整体的性能目标为:小震不坏、中震可修、大震不倒。为了实现上述目标, 结构设计时采取了如下措施:1) 小震作用下分别计算了带连体整体模型、不带连体整体模型、分塔模型, 各类 (关键、一般、耗能) 构件弹性设计, 且取包络, 并进行了弹性时程分析补充验算, 设计对相关部位构件内力和配筋做了相应调整;2) 对所有穿层柱、斜柱、大开间柱、水平长悬臂及大跨度部位等关键构件采用型钢混凝土柱, 提高关键构件承载力和延性, 且设计和计算中实现小震弹性、中震弹性及大震不屈服包络设计;3) 采用静力弹塑性分析对结构进行了罕遇地震作用下的变形验算, 结构的变形满足规范要求, 结构具有良好的抗震性能, 同时, 在屋面钢结构支座处设置橡胶隔震支座及球形支座, 考虑大震下变形性能要求。

　　 (1) 多塔处理措施。对该结构采用整体模型和分塔模型分别进行了计算分析, 分别验算了整体结构和各塔结构扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期的比值, 并使各模型结果满足高规第3.4.5条的要求, 结构设计依据二者包络结果, 采用最不利的结果进行结构设计。

　　 (2) 连体结构处理措施。连体结构除带入整体模型参与结构计算分析外, 还通过不同软件进行连体结构单独的内力、应力补充分析, 同时对该连体结构考虑竖向地震的影响。图5分别给出了部分工况组合下屋面连体结构位移。

　　 设计中通过设置橡胶隔震支座和球节点支座连接连体结构与下部结构, 具体节点见图6。

　　 (3) 楼板加强措施。本项目楼板存在大开洞或多层通高情况, 使楼板不连续, 楼板局部有效宽度小于50%。因此对裙房及上层结构楼板采用加强处理措施, 楼板采用现浇混凝土楼板, 楼板厚度不小于150mm, 双层双向配筋, 每层每方向钢筋的配筋率不小于0.25%。同时对楼板进行有限元应力补充分析, 施工图设计时结合该结果进行加强处理, 图7给出部分楼层楼板应力分析结果。

　　 (4) 穿层柱处理措施。本工程结合建筑功能出现局部的穿层柱、大开间柱, 而框架柱作为重要的竖向承重构件及抗侧力构件, 其承载力必须得到保障。本工程在上述部位的框架柱采用型钢混凝土柱 (SRC柱) , 其具有很高的承载力及延性 (图8) , 并控制底部框架柱承载力满足小震弹性、中震不屈服的设计要求。

　　 (5) 关键部位节点处理。本工程中关键节点部位根据节点内力和构造要求分别进行了加强处理 (图9) 。对于楼面桁架与型钢混凝土柱连接节点处, 钢骨柱对应桁架上下弦杆处设置加劲板, 桁架上弦上翼缘设置栓钉;对型钢混凝土梁与型钢混凝土柱连接节点处, 型钢混凝土梁 (SRC梁) 中的钢骨梁与型钢混凝土柱中的钢骨柱节点区域在工厂连接, 焊缝等级不低于二级, 且对应型钢混凝土梁中的钢骨梁上下翼缘处型钢混凝土柱中的钢骨柱设置加强板, 梁翼缘设栓钉;对于钢筋混凝土梁与型钢混凝土柱连接节点区域, 在梁端设置U形钢抗剪键。

　　 本建筑结构为超限高层, 按照高规第5.1.12条的规定, 采用了YJK和MIDAS Gen两种不同力学模型的结构分析软件进行整体分析, 并采用弹性时程分析进行补充计算。同时对该结构进行了弹塑性动力时程分析补充计算。

　　 采用两种计算程序分别进行了多遇地震作用下反应谱分析, 计算过程中整体参数分析时采用刚性楼板假定, 构件设计时采用非强制刚性楼板假定。结构周期计算结果见表1, 采用反应谱法计算得到的地震、风荷载作用下结构的响应见表2, 采用MIDAS Gen软件计算得出的结构前4阶振型见图10。

　　 该建筑结构第1阶振型表现为结构沿Y向的平动, 第2阶振型反映了结构沿X向的平动, 第3阶振型则出现扭转振动特性, 第4阶振型建筑物的扭转振动特性明显, 占据主导。表2的计算结果表明, 采用两种计算软件计算的结构动力特征基本接近, 各项指标满足规范要求。

　　 根据抗规和高规的要求, 选取了两组天然波 (Morgan Hill_NO_449, 特征周期T_g为0.37s;ChiChi, Taiwan-06_NO_3283, 特征周期T_g为0.33s) 和一组人工波 (Art Wave-RH1TG035, 特征周期T_g为0.35s) 进行了弹性时程分析。通过对相关地震波分析, 其有效持时能够达到结构基本周期的5~10倍, 其与设计反应谱数据在统计意义上相符 (图11) , 采用YJK软件得到的计算结果见表3。

　　 计算结果表明, 所选地震波符合抗规和高规的要求, 可以保证时程分析结果的可靠性。

　　 采用倒三角形加载模式, 得到结构X, Y向能力谱及需求谱曲线, 结果表明:X向静力推覆性能点出现在第30步 (共100步) , 对应最大层间位移角为1/239, 基底剪力为122 451k N, 性能点顶点位移为63.8mm;Y向静力推覆性能点出现在第28步 (共100步) , 对应最大层间位移角为1/200, 基底剪力为95 747k N, 性能点顶点位移为103.0mm。结果满足罕遇地震作用下规范规定的变形要求。

　　 根据分析及计算结果, 得出如下结论和建议:

　　 (1) 该建筑结构为大底盘多塔连体复杂高层建筑, 高度不超限, 但其建筑结构布置属于抗规和高规规定的特别不规则的高层建筑工程, 属于超限高层建筑工程。

　　 (2) 结构设计中应针对结构超限具体情况, 分别采取不同的加强处理措施, 通过文中相关措施的实施, 结构整体指标满足规范限值要求, 表明加强措施有效可行。

　　 (3) 对于多塔连体结构设计, 连体结构除带入模型参与结构整体计算分析外, 还应通过不同软件单独进行连体结构的内力、应力补充分析。

　　 (4) 针对复杂多塔连体超限高层结构设计, 应结合不同构件连接形式进行相关加强处理。

　　 (5) 对于大跨度、大空间结构楼层采用桁架+钢次梁结构有助于减小楼层自重, 易于满足质量比要求。

　　 (6) 针对结构体型不规则, 且存在大开洞、穿层柱等不规则项的钢筋混凝土框架结构, 在结构关键部位采用型钢混凝土柱, 有利于提高结构整体性能和抗震性能。

　　 通过以上工作, 该结构设计能够实现抗规中小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设防要求, 结构设计是安全的。