南京研創園某超限高層建筑的結構設計

劉瀏

（南京金宸建筑設計有限公司，南京 210019）

1 項目簡要

本工程項目位于南京市江北新區研創園內，地面以下3 層，地上35 層，主要屋面高度149.950 m，使用功能為辦公。根據《超限高層專項審查要點》（建質〔2015〕67 號）的規定：本工程屬于B 級高度超限高層建筑，需進行抗震設防專項審查。除了高度超限以外，本工程有2 項一般不規則：（1）扭轉不規則，考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2；（2）局部不規則，局部布置穿層柱、斜柱；無嚴重不規則情況，見圖1。

本工程的結構體系為框架-核心筒結構，整體結構的立面有一個顯著的特點，就是右上角部向上逐層收進，由底部樓層的大懸挑樓板，逐層收進后，平面開始內收，從15 層至21 層，右上角布置斜柱，再往上樓層布置懸挑樓板，并繼續內收，直至屋面。

2 結構的計算分析

針對結構超限，本工程主要采取了以下幾項分析措施來保證結構的安全性：（1）多遇地震作用下采用2 種不同計算軟件對結構進行分析；（2）多遇地震作用下彈性時程分析；（3）罕遇地震作用下彈塑性時程分析；（4）對結構的關鍵構件和特殊構件進行抗震性能設計。

2.1 多遇地震作用下2 種不同計算軟件對結構進行分析

本工程采用SATWE 和Midas Building 2 種結構計算程序分別建模計算，并對結果進行對比。SATWE 計算結構總質量81056.531 t，Midas Building 計算結構總質量80841.487 t，樓層質量較為接近，總質量差值約0.27%。取前6 個振型進行比較，計算信息見表1。

表1 6 個振型計算信息

2 種軟件的計算結果相近，結果相差在5%以內；建筑的前6 個振型表達了結構的基本特性，本工程前6 階振型和周期基本一致，其余振型2 軟件計算結果也很相似；本工程周期比滿足高層規范要求，同時第二周期與第一周期的比值接近1.0，平面抗側力構件布置較合理，結構具有良好的抗扭剛度。2種軟件計算多遇地震反應譜分析結果差異很小，說明結構力學模型正確可靠。

2.2 多遇地震作用下彈性時程分析

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》(2016 年版)（以下簡稱《抗震規范》）規定，本工程用SATWE 進行了彈性動力時程分析，采用SATWE 自帶的2 條人工波和5 條天然波。計算結果顯示，每條時程曲線計算所得結構底部剪力大于振型分解反應譜法計算結果的65%，小于135%；7 條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法計算結果的80%，小于120%。滿足《抗震規范》規定。結構設計取用波平均計算結果與振型分解反應譜法的包絡值，保證各構件滿足多遇地震彈性要求。

2.3 罕遇地震作用下彈塑性時程分析

根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》（以下簡稱《高規》）規定，B 級高度高層建筑結構，宜采用彈塑性靜力或彈塑性動力分析方法補充計算。本工程采用結構動力彈塑性計算軟件SAUSAGE 進行分析，罕遇地震作用下結構總體變形控制目標為：大震不倒（層間位移角限值1/100）。《高規》結構抗震性能設計，將結構的抗震性能分為5 個水準，對應的構件損壞程度則分為“無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴重損壞”5 個級別。罕遇地震作用下，對結構各類構件損壞級別進行分析[1]。大震彈塑性分析，基本結果如下：

1）3 條地震動作用下結構X向和Y向最大層間位移角分別為1/237 和1/248，均小于1/100，滿足規范大震彈塑性層間位移角要求。

2）罕遇地震時程分析基底剪力與振型反應譜法所求基底剪力之比在合理比值范圍內（罕遇地震動力彈塑性與小震彈性時程分析的基底剪力之比約為2.88～4.08 倍）。

3）在罕遇地震作用下，整體結構處于輕微～中度損傷，有一定的變形和承載力富余。

4）結構中大部分框架梁處于輕微到輕度損壞，少部分框架梁達到中度以上損壞。框架梁受壓損傷最大值出現在頂部3層，說明頂部樓層由于鞭梢效應結構損傷較大。

5）結構中大部分框架柱處于輕度以下損壞，僅頂部3 層少量框架柱出現中度損壞。出現在頂部3 層，說明頂部樓層由于鞭梢效應結構損傷較大。

6）剪力墻連梁大部分出現中度以上損傷，較好的起到了保險絲的作用。剪力墻大部分處于輕度以下損傷。底層少量剪力墻出現中度以上損傷，由于底部剪力墻為關鍵構件，因而對于底部剪力墻要進行適度加強，如剪力墻端部設置型鋼柱等。

2.4 對結構的關鍵構件和特殊構件進行抗震性能設計

根據《高規》性能設計要求，本工程采用D+級抗震性能目標，在多遇地震、設防烈度地震、預估的罕遇地震作用下，應分別達到不低于1 級、4 級、5 級抗震性能水準。

底部加強區范圍內的剪力墻和框架柱按照中震下抗剪彈性、抗彎不屈服，大震下抗剪不屈服進行驗算[2]；抗剪水平筋或箍筋按中震彈性和大震不屈服的大值進行配筋；抗彎鋼筋按小震彈性和中震不屈服的大值進行配筋；按特一級構造。底部加強區以上的其他樓層，在中震下小偏心受拉的剪力墻和框架柱按特一級構造。

對斜柱、與斜柱傾斜方向連接的框架梁、相鄰下一層的框架柱以及框架梁考慮中震下抗剪、抗彎彈性、大震下抗剪不屈服的性能目標，斜柱及與之連接的下一層框架柱抗震構造提高至特一級；穿層柱按中震下抗剪、抗彎彈性、大震下抗剪不屈服的性能目標，穿層柱設計剪力和彎矩取值不小于該層其他柱的剪力和彎矩設計值；長懸挑梁計入豎向地震作用，挑梁根柱按中震下抗剪、抗彎彈性、大震下抗剪不屈服的性能目標。

3 結構設計過程中的疑問

3.1 剪重比計算結果不滿足規范要求時解決辦法

根據以往的工程經驗，調整剪重比主要方法有2 種。（1）程序調整：勾選按《抗震規范》調整各樓層地震內力，程序自動將樓層最小地震剪力系數直接乘以該層及以上重力荷載代表值之和，用以調整該樓層地震剪力；在全樓地震作用放大系數中輸入大于1 的系數，增大地震作用。（2）結構調整：加大豎向構件，加強墻、柱等豎向構件的剛度。

本工程在初步計算時，通過增大底部幾層的剪力墻的墻厚以及框架柱，框架梁的截面來增加結構的剛度，但發現，僅增大結構下部少數樓層的側移剛度時，結構的基本周期變化不大，水平地震作用增幅有限。同時，因為結構構件尺寸的增大，使結構的質量有增加，結構質量增加的比率大于水平地震作用的增大比率，反而導致“剪重比”減小。當結構大多數樓層直至全高加大抗側剛度時，結構基本周期的減小愈發顯著，結構水平地震作用的增大比率大于結構質量的增大比率，結構的“剪重比”也隨之增大。

但是，從常理來看，結構從底部到上部，剪力墻、框架柱等構件截面尺寸應該是逐步減小的，如果采用上述從下到上均加大構件尺寸的調整剪重比的方法，是不合理的，也是不經濟的。

因此，需要轉變角度，以上調整剪重比的方法都是從“增”的角度來思考，即通過增大結構剛度來增大結構的抗剪力，從而增大剪重比，也就是說側重于增加剪重比的分子，那么如果側重于減小剪重比的分母，是否也能達到增大剪重比的值呢？從數學理論來說，是完全可行的。

如何減小分母，就是要減小結構的質量，可以把對結構抗側剛度影響較小的構件盡量減小，如次梁、懸挑板、封邊梁、平面中間部位的框架梁，以及對結構整體荷載進行精算，每層減少一點質量，對于幾十層的高層建筑來說，累積起來是相當可觀的。用這種方法，通過細致的調整，最終剪重比的計算結果是滿足規范的要求的。

3.2 剪力墻門洞位置墻體按梁布置和按墻體門洞布置的差異

本工程在初步計算時，在剪力墻開洞部位采取了按梁布置的方案，后來通過對比按剪力墻開洞布置的計算結果，顯示有2 方面的影響：（1）按梁布置結構整體剛度的偏小，即使根據跨高比控制，按殼單元計算，也偏小；（2）洞口處用梁布置的SATWE 計算與Midas Building 計算對比，周期差值較大，超過了5%。

3.3 結構布置的合理優化

通常結構方案是按照建筑方案的條件來確定的，但是在結構方案確定過程中，如果完全按照建筑條件圖的布置來設計結構方案，會有一些不合理的地方，比如，核心筒位置的剪力墻布置，對結構的整體剛度影響較大，應和建筑專業充分討論，在滿足建筑專業標準和使用功能的條件下，優化結構布置，以利于整體的結構設計。

4 結語

以上是本工程的結構超限設計的主要內容。通過本項目的結構設計，對設計過程中遇到的問題及解決辦法進行解析和總結，希望對以后遇到類似的項目設計或者遇到同類問題的結構工程師能夠提供參考。