项目位于南京市鼓楼区, 地块西临长江, 南临南通路, 西靠唐山路, 东临惠民大道, 由10栋33～57层的高层住宅及多栋多层商业和住宅配套组成。项目占地面积为187 458m², 地上总建筑面积为798 540m², 地下总建筑面积为117 712m²。本文所讨论的为其中的16号楼超高层住宅, 地上55层, 地下2层, 平面尺寸为56.0m×18.2m, 结构高度为165.6m, 建筑高度为166.6m, 地下2层层高为3.75m, 地下1层层高为3.50m, 1层层高为3.60m, 标准层层高为3.00m。地下室主要功能为停车库及设备用房, 其中地下2层为人防区, 地下室通过连通口与周边地库相连。本楼效果图见图1。

　　 本工程结构设计使用年限为50年, 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, 设计地震分组为第一组, 抗震设防类别为丙类, 建筑场地类别为Ⅲ类, 地面特征周期T_g=0.45s, 地基基础设计等级为甲级。

　　 根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[1], 南京50年重现期的基本风压为0.40kN/m², 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称《高规》) 的要求, 对风荷载较敏感的高层建筑, 承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用。地面粗糙度为C类, 风荷载体型系数取1.4。

　　 结合场地工程地质条件和荷载条件, 16号楼主楼桩基采用钻孔灌注桩, 桩径为0.8m, 以地质报告中⑤_-2层中风化砂岩为持力层, 桩有效长度约为57～60m, 要求桩尖进入⑤_-2层1.0m, 桩身为水下C45混凝土, 单桩抗压承载力特征值为6 000kN。

　　 本工程采用剪力墙作为结构的抗侧力体系, 图2为标准层结构平面图。根据结构位移角及风压下顶点加速度计算结果, 对剪力墙截面进行了合理收进^[3], 周边剪力墙最大厚度为450mm, 沿高度变化逐步减小至300mm, 内部剪力墙最大厚度为300mm, 沿高度变化减小至250mm。从经济角度出发, 使用较高强度等级的混凝土来降低轴压比, 减少剪力墙约束区的层数, 同时为满足规范轴压比的要求, 剪力墙混凝土强度等级在地下2层～地上23层为C60, 地上24层～地上38层为C50, 地上39层～屋面为C40。楼盖均采用现浇钢筋混凝土梁板结构, 地下1层顶板 (±0.000m) 板厚为180mm, 地下2层顶板板厚为200mm, 其他楼层板厚均为120mm。除连梁外, 梁板混凝土强度等级均为C30。

　　 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) , 本工程属于超限高层建筑工程, 需进行抗震专项审查。主要超限内容如下:

　　 (1) 16号楼结构高度165.6m, 超过B级高度剪力墙结构的最大适用高度150m, 超限10.4%。

　　 (2) 根据SATWE计算结果, 考虑偶然偏心的扭转位移比最大为1.33, 超过1.20, 根据《高规》3.4.5条, 属于平面扭转不规则。

　　 (3) 本工程高宽比为9.1, 超过《高规》表3.2.2中6.0的限值要求。

　　 由于建筑功能布置的要求, 使得结构高宽比超限较多, 因此确定合理的预期性能目标尤为重要。根据不同部位构件的重要性, 参考类似工程的设计经验, 确定各构件的性能目标如表1所示。

　　 采用SATWE (2010版) 程序进行计算分析, 并采用MIDAS (2012版) 程序进行对比分析计算。结构计算考虑偶然偏心地震作用, 考虑双向地震作用、扭转耦联及施工模拟, 计算振型数取前18阶。分别按照《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[4] (简称《抗规》) 3.6.3条和《高规》5.4.1条验算结构重力附加弯矩和刚重比, 整体计算时计入重力二阶效应影响。主要的计算结果如表2所示。计算结果表明, 各计算指标均满足规范要求, 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向顺风向与横风向最大加速度见表3。由表3可见, 顶点最大加速度均小于规范限值, 故结构风振舒适度满足规范要求。

　　 本建筑高度属于《抗规》表5.1.2-1所列的采用时程分析的房屋高度范围, 应采用时程分析法进行多遇地震下的补充验算。采用SATWE程序进行计算分析。按地震选波三要素 (频谱特性、有效峰值和持续时间) , 选取Ⅲ类场地上5组天然波、2组人工模拟的场地波 (地震峰值加速度为35gal, 特征周期为0.45s) 进行弹性时程分析。楼层剪力、层间位移角曲线对比如图3, 4所示。

　　 通过对比弹性时程分析与振型分解反应谱法计算结果可以看出:

　　 (1) 所选波时程分析的基底剪力满足《高规》4.3.5条规定, 即每条波时程分析的基底剪力不小于振型分解反应谱法的65%, 多条波时程分析的基底剪力平均值不小于振型分解反应谱法的80%, 所选的地震波均具有合理性。

　　 (2) 楼层剪力曲线表明, X, Y向顶部时程分析的剪力平均值大于反应谱结果, 顶部剪力放大系数为1.0～1.05, 设计时拟根据此结果对反应谱计算的地震力进行放大。

　　 (3) 层间位移角曲线表明, 时程包络值小于反应谱结果, 最大层间位移角均小于规范限值, 位移曲线以弯曲型为主, 曲线光滑无突变, 反映结构侧向刚度较为均匀。

　　 根据《高规》3.11.4条规定, 高度在150～200m之间的高层建筑可视结构自振特性和不规则程度选择静力弹塑性或弹塑性时程分析方法。现对本工程进行罕遇地震作用下的动力弹塑性分析, 采用的弹塑性分析软件为EPDA (PKPM2010系列) 。罕遇地震作用下楼层剪力、层间位移角曲线对比如图5和图6所示。限于篇幅, 只列出3组地震动作用下结构楼层剪力、层间位移角。经过分析得到如下结论:

　　 (1) 3组地震动作用下的结构最大弹塑性层间位移角X向为1/187、Y向为1/153, 均小于1/120的限值, 满足“大震不倒”的基本要求。

　　 (2) 楼层弹塑性层间位移角曲线较为平缓, 没有大的突变, 结构在罕遇地震下刚度较为均匀, 不存在明显的薄弱楼层。

　　 (3) 由结构的损伤及塑性铰分布可知, 罕遇地震作用下, 结构的连梁出现大量塑性铰, 并从结构中下部一直延伸到结构顶部;结构底部剪力墙出现拉压损伤, 结构底部1～7层的剪力墙一侧产生受拉裂缝, 另一侧混凝土受压超过屈服极限, 产生受压裂缝, 剪力墙底部出现弯曲塑性铰;整个结构在罕遇地震作用下基本没有出现压碎裂缝。

　　 罕遇地震下结构主要通过连梁及剪力墙底部加强区的弯曲塑性铰来耗散地震能量, 延性较好, 底部加强区以上剪力墙未出现明显的拉压损伤, 整个结构的混凝土未出现压碎情况, 结构在罕遇地震下的抗震性能良好。

　　 罕遇地震下结构底部楼层角部的个别剪力墙墙肢存在水平裂缝, 建议设计中适当提高相应墙段边缘构件配筋率和竖向分布筋配筋率, 以提高其抗拉和抗压能力^[5]。

　　 本工程结构高度和高宽比均超出了高规的最大限值, 除合理地布置剪力墙形成有效的抗侧力体系外, 还采取了多种计算和设计措施:

　　 (1) 结构以±0.000m为上部结构的嵌固端, 底部加强区范围剪力墙抗震等级特一级, 底部加强区以上部分一级。

　　 (2) 轴压比控制在0.5以内, 保证剪力墙的延性, 提高整个结构的变形能力。

　　 (3) 设防烈度地震作用下, 在截面拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的墙肢内设置型钢, 使得混凝土部分所受拉应力在2.85MPa以内;对截面出现拉应力的墙肢均加强其边缘构件配筋。图7为一处典型的剪力墙端柱设置型钢的详图。

　　 (4) 设防烈度地震作用下, 基础底面与地基之间不出现零应力区, 桩基满足承载力设计要求, 不出现上拔力。

　　 (5) 结构外围剪力墙约束边缘构件延伸至轴压比为0.25的楼层, 结构中部剪力墙约束边缘构件延伸至轴压比为0.35的楼层。

　　 (1) 本工程采用两种分析软件进行整体结构内力与位移计算和比较, 确保计算分析结果的真实可靠, 并采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算;采用EPDA对结构进行罕遇地震下的动力弹塑性分析, 考察结构在罕遇地震下的抗震性能。

　　 (2) 针对工程同时存在的超B级高度、扭转不规则和高宽比等超限项, 作了细致的结构分析, 提出了合适的性能目标和设计措施, 确保结构具有很好的承载能力和延性, 满足我国“小震不坏, 中震可修, 大震不倒”的设防目标。

　　 (3) 本工程于2013年2月通过超限工程抗震设防专项审查, 目前已经主体封顶。经甲方顾问公司统计, 本工程地上部分钢筋用量68kg/m², 混凝土用量0.4m³/m², 经济技术指标较好。