琶洲AH040223地块项目位于广州市海珠区东北侧、琶洲电商区西部, 由1栋超高层塔楼和1栋高层塔楼组成 (图1) , 两栋塔楼在地面以上通过防震缝分开, 分缝位置在北塔楼外延一跨柱处。两栋超高层地下共4层, 主要为商业、停车库及设备用房。超高层塔楼地上48层, 结构高度为206.40m, 主要功能为办公和宿舍。超高层塔楼1~30层为办公层, 标准层层高为4.35m, 平面尺寸约为43m×48m, 框架柱截面尺寸最大为1 650mm×1 650mm, X向柱距为10.5m, Y向柱距为9.0~10.5m, 混凝土柱采用C70高强混凝土, 同时在9层及以下增加芯柱以提高其竖向承载力及延性;核心筒剪力墙平面尺寸为20m×24m, 厚度为1 200~700mm, 混凝土强度等级为C60~C40;典型框架梁截面尺寸为400mm×800mm, 400mm×700mm;塔楼高宽比分别为4.73 (X向) 和4.29 (Y向) 。超高层塔楼31~48层为宿舍层, 标准层层高为3.7m, 标准层平面尺寸为43m×31m, 核心筒截面尺寸为20m×11m, 框架柱截面尺寸为1 200mm×1 500mm, 核心筒厚度为650~400mm, 典型框架梁截面尺寸为400mm×700mm和400mm×800mm, 混凝土强度等级均为C30。办公层屋顶标高为132.05m, 此标高处存在体型收进, 收进部位以上为宿舍层, Y向尺寸收进了35%, 大于25%, 属于尺寸突变。超高层塔楼地上建筑面积为81 866m², 办公层面积为50 867m², 宿舍层面积为28 262m²。高层塔楼地上10层, 层高4.35m, 建筑面积为15 010m²。该地块的总用地面积为10 075m², 总建筑面积为141 956m², 本文主要对超高层塔楼进行分析。

　　 超高层塔楼采用框架-核心筒结构体系, 整体结构呈方形, 标高132.05m处存在体型收进, 部分核心筒剪力墙在此处退化为三根柱子。结构材料选用钢筋混凝土, 局部体型收进部位的剪力墙、连梁中设置了型钢予以加强。结构首层~2层区域为架空大堂, 楼板开洞面积为楼层面积的39.3%;31层为宿舍大堂, 局部位置两层通高, 楼板开洞面积约为楼层面积的33.5%, 此两处属于楼板不连续。结构嵌固端取在承台面, 典型楼层平面布置见图2。

　　 结构设计基准期为50年, 设计使用年限为50年, 建筑结构安全等级为二级, 抗震设防类别为丙类, 地基基础设计等级为甲级, 基础设计安全等级为二级。抗震设防烈度为7度。地面以上框架及剪力墙、核心筒筒体抗震等级为一级, 体型收进上下各两层的剪力墙与框架柱抗震等级提高至特一级。

　　 广州地区50年一遇的基本风压为0.5k N/m², 本工程结构高度为206.40m, 超过60m, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1] (简称高规) 规定采用50年一遇的基本风压值0.5k N/m²。地面粗糙度类别为B类。

　　 根据高规4.2.7条的规定, 为确保抗风设计的安全, 进行了风洞试验^[2]。根据风洞试验结果进行风荷载作用下位移及构件承载力计算时, 风洞数据X向小于《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3] (简称荷载规范) 中风荷载数据, 但Y向风洞数据略大于荷载规范中风荷载数据, 这主要是由于在Y向结构高位存在体型收进, 对风压的分布造成了不利影响。因此, 本工程在设计时采用荷载规范风荷载与风洞风荷载包络设计。

　　 广州地区抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度峰值为0.1g, 建筑场地类别为Ⅱ类, 设计地震分组为第一组。地震动数据按照《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) ^[4]选取。

　　 本工程高度超限, 属于超B级高度高层建筑, 同时存在楼板开洞、体型收进、扭转不规则, 属于一般不规则的超限高层建筑。针对本工程的特点, 设计时采取基于性能化的抗震设计方法。根据构件的重要性, 采取不同的性能目标^[5]。设计时, 依据不同的性能目标, 分别进行了小震弹性分析、小震弹性时程分析、中震性能设计、大震等效弹性分析及弹塑性时程分析。

　　 针对结构的体型收进薄弱部位, 在设计时采取了以下多种构造加强措施:1) 在体型收进位置的29~31层剪力墙内设置型钢, 保证水平力传递, 提高剪力墙的抗剪性能;2) 提高29层剪力墙水平分布筋配筋率至0.8% (局部提高至1.0%) , 提高29, 30, 31层剪力墙水平分布筋配筋率至0.5%, 保证体型收进及其邻近楼层处的抗剪能力;3) 体型收进位置核心筒及其左右相邻位置楼板板厚增加至250mm, 双层双向配筋率不小于0.3%;体型收进位置及其上下两层的楼板板厚不小于150mm, 确保水平力传递;4) 提高体型收进的29~31层边框梁梁高至1 000mm, 验算小震及风荷载作用下的层间位移角比值, 确保不发生位移突变;5) 体型收进位置及其相邻上下楼层的竖向构件抗震等级为特一级, 性能水准定义为关键构件, 验算其大震不屈服性能;6) 对部分抗剪强度不足的连梁, 增设型钢以保证连梁的延性及耗能能力。

　　 主要采用SATWE软件对结构进行整体弹性分析, 采用YJK, ETABS软件进行补充计算。计算时结构阻尼比取0.05, 采用振型分解反应谱法, 取前36阶振型并考虑偶然偏心。整体计算模型见图3, 主要计算结果见表1。

　　 由表1可知, 两个模型的弹性分析结果比较接近, 周期比、剪重比、在考虑偶然偏心地震作用下的最大层间位移角及位移比等均满足规范要求。风荷载作用下的顶点最大位移和最大层间位移角均小于地震作用下的, 因此本结构受地震作用控制。X向和Y向前36阶有效质量参与系数均大于90%, 满足高规5.1.13条规定。地震作用下各层的层间位移角、扭转位移比见图4。

　　 由图4可以看出, 在体型收进位置处层间位移角有所突变, 两层之间的层间位移角比值为1.07 (X向) 和1.14 (Y向) , 均小于高规规定的限值1.15。

　　 对于侧向刚度比, 由于塔楼范围内为首层~2层通高, 其层高约为12.5m, 大于上一层层高的1.5倍, 分别建立通高模型 (建模时将首层和2层并做一层, 层高12.5m) 和基本模型 (建模时正常按首层和2层建模) 进行对比分析。以X向为例, 对比通高模型与基本模型的层刚度比与受剪承载力比见图5。

　　 根据图5可知, 首层~2层通高模型的首层与上一层的侧向刚度比在考虑层高修正后为1.23, 大于规范限值1.1, 满足规范要求。

　　 对于结构的受剪承载力比值, 若采用12.5m层高的通高模型, 结构首层与其相邻上层的受剪承载力比有所下降, X向为56%, Y向为54%, 不满足规范限值75%的要求。为此将首层~2层的框架柱纵筋配筋率提高至1.4%, X向及Y向剪力墙的水平分布钢筋配筋率提高至0.7%。提高首层剪力墙配筋率后, 结构首层与其相邻上层的受剪承载力比满足规范限值75%的要求。

　　 小震弹性时程分析采用SATWE软件进行。选取Ⅱ类场地上5组天然波 (天然波Usa160, Usa867, Usa258, Usa421, RSN163) 及2组人工波 (人工波art1, art2) 进行弹性时程分析, 地震加速度最大值为35cm/s², 7组地震波的平均地震影响系数曲线与反应谱法所用的地震影响系数相比, 在对应于结构主要振型的周期点上的偏差不大于20%。

　　 由表2可以看出, 地震作用下结构基底剪力平均值不小于振型分解反应谱法结果的80%, 每条地震波作用下结构基底剪力不小于振型分解反应谱法结果的65%, 所选地震波满足规范要求。

　　 根据预定的性能目标, 对竖向构件进行中震工况下抗弯不屈服及抗剪弹性验算。通过计算复核, 剪力墙和框架柱配筋大部分为构造配筋, 仅有一小部分边缘构件配筋较小震弹性结果有所提高。中震下竖向构件均满足抗弯不屈服及抗剪弹性的抗震性能目标。其中29, 30层在中震下的内力较小震下的内力增大较多。

　　 在中震工况下, 对所有楼层框架梁、连梁的剪压比进行分析统计。结果表明, 29, 30层小部分连梁不满足中震不屈服的性能目标, 在增加型钢重新设计后, 其剪压比可以满足要求。其余所有楼层的连梁及框架梁均满足中震不屈服的性能目标。

　　 按照设定的性能目标要求, 需要对中震作用下关键部位的楼板进行承载力复核, 列出标准层 (6层) 与体型收进层 (30层) 的楼板应力进行对比, 见图7。由图7可知, 30层楼板应力很大, 平均值约为5MPa, 增加核心筒及其左右两侧区域的楼板厚度至250mm, 双层双向配筋且配筋率不小于0.35%。按照此措施加强后楼板可以满足性能设计目标。

　　 大震采用等效弹性模型计算, 结构阻尼比取0.07, 根据高规, 对底部加强区及体型收进处的钢筋混凝竖向构件受剪截面进行验算, 大震荷载组合为主要控制工况, 其荷载组合为:1.0×恒载+0.5×活载+1.0×大震。

　　 验算结果表明, 体型收进位置相邻楼层剪力较大, 部分剪力墙的剪压比不满足大震不屈服要求, 为解决该问题, 同时提高体型收进位置的抗震性能, 拟对下列剪力墙内增加工字形钢, 型钢尺寸为200mm×200mm×40mm×40mm, 布置范围为体型收进楼层及其上下一层 (图8) 。

　　 采用Perform-3D程序对结构进行大震弹塑性时程分析^[6]。连梁刚度取1.0, 模型不包含地下室, 选取1组人工波art1和2组天然波 (天然波Usa867, Usa258) 进行大震弹塑性时程分析。主要计算结果见表3, 4。在同一条地震波作用下, 结构的X向基底剪力时程曲线与顶点位移时程曲线如图9, 10所示。大震作用下, 结构基底剪力约为小震作用下的3.3~5.0倍, 部分结构进入弹塑性。

　　 分析结果表明:1) 在考虑双向地震作用的前提下, 大震作用下结构最大弹塑性层间位移角为1/176, 小于规范规定的层间位移角限值1/125;2) 剪力墙混凝土的压应变都在0.002范围之内, 没有出现混凝土受压破坏, 墙肢中的钢筋在大震作用下也没有出现屈服的现象;3) 结构体型收进位置有部分墙肢的受剪承载力不满足要求, 在这些部位 (图11) 设置型钢并考虑型钢作用后, 所有墙肢在大震下基本满足抗剪不屈服;4) 对于体型收进位置的框架柱, 所有柱子均未出现塑性转角, 体型收进位置的剪力墙, 钢筋与混凝土的受力情况均大于一般楼层, 但是都属于轻度损伤;5) 大震作用下, 约有50%连梁发生屈服, 进入严重破坏状态, 有效地消散了地震能量, 满足“强柱弱梁”要求;6) 在大震作用下, 仅顶部楼层少数柱子 (约2%) 出现弯曲转动塑性铰, 塑性铰均未超过限值。

　　 综上所述, 层间位移角满足规范不大于h/100的要求, 可达到“大震不倒”的要求;体型收进楼层增加型钢后满足抗剪要求, 其余构件均满足预定的性能指标。

　　 在塔楼的体型收进位置, 部分核心筒剪力墙退化为三根柱子, 其中, 左侧和右侧的柱子分别是直接落于剪力墙上。中侧柱子由于下层电梯井限制, 下层剪力墙较薄, 厚度仅为450mm。其示意见图12。

　　 为确保29~31层体型收进位置的竖向及水平力可顺利传递, 采用ETABS软件进行分析, 分析时将上层框架柱同样采用壳单元模拟。选取的分析工况为重力荷载组合和中震弹性组合, 典型墙肢轴向应力及剪切应力云图见图13, 墙肢应力统计见表5。

　　 由图13可以看出, 在竖向构件的厚度从1 100mm突变为450mm的位置, 下层450mm厚的剪力墙的压应力和剪切应力均较大, 为此, 该处考虑在体型收进层剪力墙水平配筋率增大至0.8%。同时, 为保证竖向构件的内力传递, 对该位置采取如下加强措施:1) 在交接位置布置型钢, 增加箍筋, 提高其抗剪性能^[6]:型钢采用Q345工字钢, 型钢截面为200×200×40×40, 含钢量为4%, 暗柱内箍筋采用 14@100, 剪力墙的水平分布筋采用 16/12@100 (四排) , 所有竖向构件满足抗震等级特一级构件的相关要求 (配筋见图14, 15) ;2) 29层楼盖下方布置一道宽扁梁, 梁截面尺寸为1 500×1 500, 协调竖向力及水平力的传递 (图14) 。

　　 本工程为超B级高度超高层建筑, 存在扭转不规则、楼板局部不连续、高位体型收进的不规则情况, 设计中采用基于性能的抗震设计方法, 根据结构重要性提出不同的性能目标。通过小震弹性分析、弹性时程分析、中震弹性分析以及大震弹塑性分析, 结构整体和各构件的抗震性能均能达到设计的预期目标, 对薄弱位置进行适当加强。满足我国抗震规范所提出的“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”的要求。

　　 (1) 高位体型收进的部位存在刚度突变, 附近楼层的内力放大较多, 体型收进处上下楼层剪力墙和连梁需设置型钢以提高其抗剪承载力, 防止发生剪切破坏。

　　 (2) 体型收进位置核心筒及其相邻位置楼板应力较大, 板厚增加至250mm, 双层双向配筋且配筋率不小于0.3%;体型收进位置及其上下两层的楼板板厚不小于150mm, 双层双向配筋且配筋率不小于0.25%, 确保水平力传递。

　　 (3) 在塔楼的体型收进位置, 部分核心筒剪力墙退化为三根柱子, 存在局部应力集中现象。通过设置型钢、提高剪力墙配筋率、增设宽扁梁等措施予以加强, 确保竖向构件的内力传递。