宿迁某购物广场项目位于江苏省宿迁市宿城区中心地段, 处于宿迁北和宿迁南潜在震源区交界部位, 地震典型断裂带距离本场地的最近距离约为10km。项目用地面积55 810m², 总建筑面积321 283 m², 地上建筑面积214 911 m², 地下建筑面积106 372 m²。此项目是含一栋公寓式办公塔楼、一栋7层商业楼及3层地下室的大型综合体。地上部分采用防震缝将塔楼与裙房分开。塔楼的结构体系为型钢混凝土外筒-钢筋混凝土核心筒筒中筒结构, 结构主体高度为138.4m, 建筑幕墙顶高度为150m, 接近混合结构筒中筒的高度限值。塔楼地上楼层共30层, 各层层高如下:1层5.4m, 2~4层5.1m, 5~10层4m, 11~18层3.6m, 19~29层5.4m (loft层) 。10, 21层为设备层, 平面为切角矩形, 平面尺寸为52m×39.4m。塔楼结构高宽比为3.85, 核心筒高宽比为8.76。塔楼效果见图1, 典型楼层结构平面见图2、图3。

　　 本项目为标准设防类建筑, 设计基准期50年。所处场地抗震设防烈度为8度 (0.30g) , Ⅱ类场地, 地震分组为第一组。基本风压0.40k N/m², 因结构高度大于60m, 构件承载力设计时按1.1倍基本风压取0.44k N/m², 地面粗糙度B类, 体型系数为1.4。

　　 场地设计特征周期以及地震反应谱曲线选取详述如下:

　　 (1) 场地特征周期:由地勘报告可知, 场地土覆盖层厚度为35~48m (取48m考虑) , 土层等效剪切波速为209m/s, 上述两值与《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (简称抗规) 4.1.6条中Ⅱ类场地对应的限值之比分别为48/50=0.96, 209/250=0.836, 其中0.836介于0.85~1.15之间, 需对照抗规条文说明4.1.2~4.1.6条中图7, 采用内插法得到场地设计特征周期为0.40s。

　　 (2) 地震反应谱曲线:按谱曲线对比图和地震作用下基底总剪力大小进行选取。依据安评报告^[1], 水平地震影响系数最大值a_max为0.23, 特征周期T_g为0.42s, 绘制小震下抗规谱与安评谱比值, 见图4。从图中可以得出第一、二周期点处 (2.25, 2.23s) 比值均大于1, 其余周期点均小于1。并对两条谱曲线下的地震作用的基底总剪力进行对比, 结果如下, 规范谱曲线的地震作用下X向和Y向基底总剪力分别为45 588, 46 534k N, 安评谱曲线的地震作用下X向和Y向基底总剪力分别为45 163, 46 282k N, 可见规范谱的结果均大于安评谱的结果。因此, 多遇地震选取规范谱作为地震作用的计算依据。

　　 项目场地为Ⅱ类环境, 地震稳定性一般, 地下水有微腐蚀性。地下结构采用环氧树脂涂层钢筋和普通硅酸盐水泥来减弱此影响。

　　 本工程采用钻孔灌注桩基础, 微风化泥质粉砂岩为桩端持力层。为了减小核心筒及外围结构之间的差异沉降和筏板内力, 基桩集中布置在核心筒和外围框筒柱下, 计算时考虑上部结构、桩、土的共同工作。在核心筒下基桩直径为800mm, 框筒柱下基桩直径为700mm, 核心筒下和框筒柱下的单桩竖向抗压承载力特征值分别为5 600, 4 800k N, 有效桩长均为54m。

　　 因本工程为处于高烈度区的超限小高层, 参考规范对地基零应力区的相关规定, 塔楼基础按提高一级验算标准, 复核中震不屈服下的受力特征, 结果显示未出现拉力。

　　 塔楼的结构体系选取主要从安全性和技术经济性两方面考虑。主要选取了框架-混凝土核心筒、筒中筒两种结构体系。对框架-核心筒体系经过详细分析对比后, 发现其抗侧刚度较弱, 核心筒剪力墙设防地震不屈服下拉应力较大, 地震下安全储备有限, 而筒中筒恰好可以解决上述问题。依据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) (简称高规) 3.3.1条, 其高度与B级混合结构筒中筒结构高度限值接近, 再者, 从结构概念上混合结构在材料延性和整体重量方面具有优越性, 最终采用型钢混凝土外筒-钢筋混凝土核心筒结构体系。截面参数见表1, 考虑到19~29层为loft层, 为了增强上部楼层的抗侧刚度, 在loft层外圈结构半层高部位增加一道独立钢框架梁。针对内外筒差异沉降所带来的不利影响, 采取钢梁与内筒铰接、与外筒柱刚接的构造措施。

　　 由于外围框架梁高度的限制, 为弥补结构抗侧刚度不足, 在设备层周边设置带状桁架。在减小地震作用和风荷载作用下的水平位移时, 带状桁架的设置也会形成薄弱层。为了减少对结构不利影响, 在满足带状桁架承载力要求的情况下, 尽量减小桁架截面, 这样也限制了其对侧向刚度的提高幅度。因此, 在类似于筒中筒这类自身已具有很强抗侧刚度的结构中设置外围带状桁架来提高抗侧刚度且未形成新的结构不规则项, 仅适用于所需增加的抗侧刚度幅度较小的情况。

　　 在设备层何处设置带状桁架最为合理, 针对不同的建筑以及不同的布局, 需要从技术和经济性上综合考虑。本工程先通过对不同高度设置带状桁架的模型进行计算, 对比分析结果发现, 仅在10层增加带状桁架, 可以一定程度增强侧向刚度, 而且承载力突变程度较弱, 见图5。然后对此模型再进一步调试, 已满足规范的各项要求。

　　 塔楼的主要超限内容:1) 高度为138.4m, 接近混合结构筒中筒的高度限值;2) Y向扭转位移比为1.21, 属于平面扭转不规则;3) 9层出现薄弱层, 属于竖向不规则;4) 顶部楼层存在收进, 属于复杂结构形式。此外, 1~2层存在穿层柱。

　　 采用基于性能要求的抗震设计方法对超限部分进行分析并确定设计标准, 关键构件的性能要求见表2, 其余部位构件按抗震三阶段要求进行设计和复核。

　　 结构的抗震构造措施如下:1) 在核心筒主要纵横墙肢相交处及框架柱中布置型钢提高结构的变形延性要求;2) 规定剪力墙的底部加强区分布钢筋配筋率为0.5%来提高剪力墙的承载能力;3) 核心筒剪力墙抗震等级为特一级;4) 将中震作用下的混凝土拉应力不超过f_tk的分布楼层控制在合理范围。

　　 本项目采用MIDAS Building2011和SATWE两种力学计算模型的三维空间分析软件进行多遇地震和风荷载作用下结构的关键指标核算, 并对比两者的分析结果, 详见表3。图6为SATWE计算模型和前三阶振型图。

　　 本工程屋面构架采用钢结构, 而主体结构采用混合结构, 需要考虑两种材料不同阻尼比所引起的影响, 通过MIDAS Building2011计算出对同一阻尼比及不同材料阻尼比对构件的影响比例, 然后在SATWE模型予以考虑。通过对两程序计算结果进行对比, 其主要分析结果如表4所示, 其中9层受剪承载力超限, 在施工图设计中按高规对薄弱层剪力放大1.25倍, 并提高此部位的墙体分布筋的配筋率。

　　 层间位移角变化规律见图7, 从图中可以看出布置环状桁架的10层处出现突变。屋面构架部分因鞭梢效应, 层间位移角相对相邻楼层有显著变化。

　　 对于超限高层或者复杂工程, 除了拥有普遍性外, 尚有其特殊性, 而多遇地震弹性时程分析法即可发现需要加强的区域, 取用5组天然波、2组人工波进行多遇地震下时程分析。根据抗规, 时程波与规范谱需在统计意义上相符, 7组地震波谱曲线的平均值与规范谱值对比图如图8所示。输入时程加速度时, X, Y两方向按1∶0.85比例输入。

　　 时程波的合理性及结构设计谱曲线:1) 由抗规可知, 时程计算结果的平均值与振型分解反应谱法结果之比在80%~120%之间方为合理, 每组地震波计算结果与振型分解反应谱法结果的比值均应在65%~135%之间, 本项目所选地震波均符合上述要求;2) 结构位移出现突变, 但并未出现明显尖角;3) 从图9得出25层以下为规范谱控制, 其余为时程波计算值的平均值控制, 而且出屋面小塔楼地震反应显著增大。在施工图阶段对25层以上楼层需要考虑地震内力放大作用。

　　 图8 规范谱与时程谱对比

　　 一般建筑在设防地震作用下, 均会有一定的损伤, SATWE软件采用等效线性化方法来近似处理结构的塑性变形影响。由于平面形状规则及结构的所有平动振型两方向的振型参与系数比大于10∶1, 本结构构件承载力计算中, 设防地震作用不考虑扭转耦联作用, 按单向水平地震作用计算。

　　 设防地震核算主要考虑中震不屈服和中震弹性两种情况。中震不屈服计算主要复核剪力墙抗弯承载力、带状桁架的斜腹杆强度以及墙肢拉应力。个别地震计算参数、相关调整系数及材料强度取值如下:连梁刚度折减系数为0.4, 水平地震影响系数最大值α_max为0.68, 材料强度采用标准值, 将与抗震等级相关的调整系数均改为1, 荷载分项系数和构件承载力抗震调整系数为1。计算结果显示, 除墙肢拉应力外, 其余均符合规范要求。

　　 混凝土的优势在于抗压, 墙肢拉应力对构件的破坏形态有重要影响, 因此对拉应力超过f_tk的墙肢占同层墙肢比例的分布情况进行了分析, 并绘制了其沿楼层的变化曲线, 如图10所示。从图中可以看出1~7层墙肢均存在拉应力, 因此, 墙肢中的型钢布置高度不应低于墙肢存在拉应力的高度。

　　 中震弹性计算主要复核剪力墙剪压比、框架柱设计强度, 计算结果显示均满足规范要求。相关地震计算参数、材料强度及调整系数设置如下:连梁刚度折减系数为0.4, 水平地震影响系数最大值α_max为0.68, 抗震等级相关的抗震调整系数为1, 材料强度采用设计值。

　　 中震分析结果表明, 虽然本工程采用混合结构体系且并未超过规范规定的高度限值, 但由于结构中存在较多的loft楼层 (层荷载较大) , 导致墙肢轴向压力增加量不及水平地震力所引起的拉力增加量, 致使底部楼层墙肢中震下的拉应力较大。因此对于临近高度限值并且每层荷载值 (如loft楼层) 均比正常经验值大很多时, 需要复核中震下底层剪力墙的拉应力, 如果墙肢拉应力超过f_tk, 需要在剪力墙中增加型钢或者类似的措施来消除拉应力对结构安全的不利影响。再者, 在满足结构侧向刚度的要求下, 采用双连梁或三连梁可以减小核心筒承担的倾覆力矩, 同时也可以解决连梁超限问题。

　　 在大震不屈服作用下, 构件截面需要满足安全性要求, 对剪力墙和框架柱的抗剪截面进行复核后均满足规范要求。地震参数及其他参数设置如下, 特征周期T_g为0.45s, 水平地震影响系数最大值α_max为1.2。结构的阻尼比为0.08, 连梁刚度折减系数取为0.2, 其余参数均同中震不屈服设计。

　　 通过结构大震弹塑性分析, 可以了解主体的破坏特征, 以便有目标地采取抗震措施。分析软件为ABAQUS^[2], 按规范要求地震波选取人工波一组 (人工波x/人工波y) 和天然波两组 (L232/L233及L397/L398) , 计算结果取包络值。结构构件的有限元单元选取如下:1) 用纤维梁单元模拟钢框架梁, 型钢采用嵌入式纤维, 钢筋采用单向作用钢筋膜模拟, 钢材本构采用双线性随动硬化模型;2) 选取壳单元来模拟剪力墙、连梁、楼板及外框角部“L”形异型柱, 混凝土本构采用弹塑性损伤模型。

　　 分析结果表明, 连梁破坏严重, 双向地震波 (峰值加速度为510gal) 作用下的塔楼最大层间位移角为1/135;剪力墙位于底部加强区和顶部区段损伤较大, 复核剪力墙的承载力, 墙体满足极限承载力要求;钢框架梁、型钢混凝土柱、带状桁架斜腹杆未出现塑性应变, 仍保持着弹性工作状态。符合结构抗震性能要求。设计时应提高与核心筒底部加强区、环形桁架相邻两层的剪力墙分布钢筋配筋率。

　　 针对前面得出的超限情况以及对结构安全有重要影响的因素, 采取如下抗震构造措施:1) 核心筒四角、纵横墙交接处在底部加强区及个别截面拉应力大于f_tk的墙肢需设置型钢 (含钢率4%) ;2) 在底部加强区上部设置两层过渡层作为从约束边缘构件到构造边缘构件的缓冲区域, 不致出现明显突变;3) 控制环形桁架的截面尽量减小对主体的影响;4) 楼板开大洞对结构平面内刚度产生较大影响时, 需加厚洞口周边楼板厚度并按弹性楼板计算;5) 28层以上楼层存在收进, 28层楼板进行加厚, 相邻处周边上下各一层框架柱箍筋全高加密。

　　 施工图阶段的改进措施:1) 由于底部外筒转换柱同时也是穿层柱, 将外筒柱全部落地并封闭楼层板使之成为正常柱;2) 依据弹塑性计算结果, 在施工图阶段取消屋面以上剪力墙, 采用带支撑的钢框架作为外围钢构架的支撑点, 同时可以减轻重量;3) 外筒柱按轴压比进行控制, 可以使其具有良好的延性, 更有利于多道防线的实现。

　　 (1) 场地特征周期的两参数中其中一项位于分界值的±15%时, 需按照规范进行插值选取, 多遇地震计算参数取安评报告结果和规范反应谱的大值, 设防地震和罕遇地震设计参数按照规范选取。

　　 (2) 由于本工程存在竖向不规则、局部平面不规则等多项超限内容, 通过地震作用三阶段分析, 可以发现结构的薄弱部位, 并采用有效的加强措施。

　　 (3) 设计屋面钢构架时, 鞭梢效应不可忽略。

　　 (4) 由于平面规则, 全部计算平动振型中两方向的参与系数比大于10, 地震作用在性能设计阶段按单向地震进行分析。

　　 (5) 本工程通过设置双连梁及三连梁来减小核心筒地震作用下承担的倾覆力矩和中震不屈服下各墙肢拉应力, 使核心筒和外围框筒更好地协调工作。

　　 (6) 对于接近规范规定的高度限值的高层建筑, 而且层荷载值明显高于正常经验值时的筒体结构, 需要复核中震下墙体的拉应力是否超过f_tk, 进而决定是否需要进行结构的抗震性能化设计。