國泰君安金融中心結構超限設計

唐偉偉

(東南大學建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

國泰君安金融中心工程位于南京市河西新城區雨潤大街和廬山路交匯處。其中A樓地上29層，建筑高度約129.80 m；B樓地上24層，建筑高度約95.80 m；C樓地上6層，建筑高度約24.0 m。地下設置兩層滿堂地下室。工程總建筑面積約123 565 m2。根據建筑設計的平面布局，A樓、B樓、C樓各自獨立，本文主要展示A樓的結構超限設計情況[1]。

2 設計條件

本工程建筑場地土類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.45 s。抗震設防烈度為7度，地震分組為第一組，基本地震加速度為0.10g。場地分布有11 m～16 m厚的淤泥質軟土層，本場地為建筑抗震不利地段。

依據《抗震規范》[2]，本規程的小震設計地震峰值加速度為35 gal，小震水平地震影響系數最大值取為0.08，場地特征周期按《勘察報告》取為0.45 s，時程分析用地震加速度時程的最大值取35 gal；中震水平地震影響系數最大值取為0.23，場地特征周期按《抗震規范》取為0.45 s，時程分析用地震加速度時程的最大值取100 gal；大震水平地震影響系數最大值取為0.50，場地特征周期為0.50 s，時程分析用地震加速度時程的最大值取220 gal。

按《荷載規范》附錄E的規定，南京市50 a基本風壓為0.40 kN/m2，地面粗糙度按C類考慮，承載力設計時按基本風壓1.1倍采用。50 a一遇的基本雪壓為0.65 kN/m2。

在進行多遇地震時程分析時，從附近地震波庫中根據類似工程特點選擇了四組多遇地震和罕遇地震記錄。其中三組6條為天然地震波記錄，一組2條為人工合成地震波，詳見表1。

表1 時程分析選用地震波表

3 結構概念設計及超限應對措施

3.1 結構體系布置

A樓結構高度為129.80 m，地上29層；出屋面塔樓1層。本工程平面呈矩形，長度為68.1 m，寬度為28.2 m，長寬比2.4，高寬比4.6；根據建筑平面布置及功能要求，結構體系采用鋼筋混凝土框架-剪力墻，根據JGJ 3表3.3.1-2，屬于B級高度的高層建筑。剪力墻集中布置在結構兩端，基本對稱。

為了在北側1層大廳形成大空間，其中有2根框架柱不落地，形成了轉換層結構，轉換層位于結構的2層，標高9.850 m。

1層南北側入口大廳居中的5跨柱網范圍通高2層，致使夾層樓板的尺寸變化劇烈，有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%。為了突出主入口的效果，建筑立面上做了凹入式的處理，形成了南側4根、北側2根穿2層的柱子，這些柱子僅單方向(X向)與樓面以框架梁連接，另一個方向(Y向)柱間無聯系，導致水平力作用下的長短柱共用。

根據JGJ 3表3.9.4，B級高度框架-剪力墻結構的抗震等級：框架一級,剪力墻一級，局部轉換梁、框支柱的抗震等級為特一級。

3.2 結構超限情況判定

根據住建部2015年5月21日建質[2015]67號文“超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點”，依據“要點”中附錄表2～4的規定逐項進行結構規則性的判別[3]。

本工程為B級高度鋼筋混凝土高層建筑，夾層大部分樓板缺失，樓板不連續，同時2根柱在2層轉換，所以本工程具有結構不規則項為2項，需采取相應的抗震加強措施。

3.3 結構性能化設計

為實現主體結構抗震性能目標，針對結構構件擬定具體的性能設計要求如表2所示。

表2 構件的性能設計目標

3.4 主要抗震措施

1)結合樓梯間和外墻設置了抗震墻，且基本對稱，減小偏心率，提高了結構的抗扭性能。有效地減小結構扭轉位移比，將其控制在1.2的范圍內，避免成為扭轉不規則結構。

2)本工程為框架-剪力墻結構，框架和剪力墻結構的抗震等級均為一級，局部轉換梁、框支柱的抗震等級為特一級。同時復核剪力墻在中震條件下是否出現墻肢拉應力超過ftk的情況，如出現則將剪力墻抗震等級提高到特一級并配置型鋼承擔拉力。同時剪力墻底部加強區的縱筋按中震不屈服驗算結果配筋，水平鋼筋按中震彈性驗算結果配筋。

3)本工程夾層位于轉換層下1層，夾層樓板具有大開洞及局部不連續的情況。針對此情況，本層樓板全部采用220 mm厚板，同時配置了不少于0.25%的雙層雙向通長鋼筋網。并且夾層按計入1層模型計算和夾層不計入模型計算，得到的兩個結果進行配筋包絡設計。由于開洞造成的穿層柱，進行有針對性的加強。

4)2層的轉換構件是整體結構中的極其重要的組成部分，轉換梁及框支柱的抗震等級提高到特一級。轉換梁、框支柱及被轉換框柱的首層全部采用型鋼混凝土。剪力墻底部加強區延伸至轉換層上兩層，約束邊緣構件延伸至5層(標高23.000 m)。同時轉換層及上下各一層的樓板全部采用220 mm厚板，同時配置了不少于0.25%的雙層雙向通長鋼筋網，以確保地震剪力在相應樓層內的有效傳遞。

5)本工程由于存在轉換結構，盡管在7度區，仍然考慮了豎向地震作用。因此，本工程在所有地震作用分析階段全部包含了豎向地震作用組合，截面抗震驗算的組合方法全部符合《抗震規范》第5.4.1條的規定。

6)通過本工程在中震作用下的分析，證明本結構體系是合理的。在中震來襲時，其主要構件均具有足夠的安全儲備，在罕遇地震的作用下，結構的變形也滿足規范的要求。

4 多遇地震作用下彈性分析

結構在多遇地震作用下的響應，采用振型分解反應譜方法，輔以時程分析方法進行校核。

由盈建科和PKPM計算出的最大層間位移和最大層間位移角等分析結果都比較接近，地震作用及風荷載作用下最大扭轉位移比均小于1.2，為扭轉規則結構。

根據前文選定的地震波數據，分別進行了三向地震激勵的時程分析，重點考察地震波選擇的合適性。每條時程曲線計算所得結構底部剪力和平均值均滿足抗震規范限值的要求。

各條時程曲線分析得出的最大層間位移平均值小于1/800，滿足GB 50011第5.5.1條的要求。各樓層反應譜分析的層間位移能夠完全包絡各條波時程分析的層間位移平均值(見圖1)。

5 設防烈度地震反應譜分析

為滿足結構在設防烈度地震作用下的性能目標，利用SATWE軟件采用中震反應譜方法進行彈性計算，針對具體構件的性能化要求進行設計。

對底部墻肢進行中震下的應力復核，部分剪力墻體的墻肢在中震下出現拉應力，且最大拉應力為5.66 MPa，超過了混凝土的抗拉強度標準值。依據超限高層抗震專項審查技術要點的第十二條第四款的要求，對出現小偏心受拉的構件采用特一級構造，并配置型鋼承擔全部拉力。按彈性模量換算考慮型鋼的作用后，所有墻肢中最大的名義拉應力為5.16 MPa<2ftk。

按照表2對結構構件的性能化設計要求，底部加強區墻肢的正截面承載力均應滿足中震不屈服的要求，底部加強部位的墻肢正截面按中震不屈服設計的縱筋配筋，實際配置的縱筋能夠滿足中震不屈服要求。

底部加強區剪力墻的受剪承載力均滿足中震彈性的要求，設置的水平抗剪鋼筋滿足中震彈性的要求。

6 罕遇地震作用下的彈塑性動力時程分析

采用SAUSAGE軟件進行彈塑性動力時程分析，觀察結構彈塑性位移以及結構損傷的情況。

6.1 結構位移

1)在罕遇地震作用下，結構X向最大頂點位移為527 mm，Y向位移為431 mm，主體結構未見倒塌，滿足“大震不倒”的性能化要求。

2)主體結構X向最大彈塑性層間位移角為1/181，Y向為1/132，滿足1/100的規范限值要求。

3)彈塑性分析結果顯示，結構的層間位移角曲線總體較光滑。

6.2 結構損傷情況

選取結構整體響應最大的工況，展示該工況下結構損傷情況(見圖2)。

結構損傷情況匯總如下：

1)由于本工程剪力墻布置較為集中，設置合理的剪力墻連梁，連梁在大震作用下損傷，耗能效果明顯，從而保護了主體抗震墻肢，大部分主體抗震墻未出現重大的損傷。

2)大震作用下，僅個別框架柱和框架梁出現輕微的受損，大部分框架柱和框架梁仍處于彈性狀態；抗震墻進入塑性后框架可以起到二道防線的作用。

3)屋頂層的剪力墻附近的角部樓板區域由于應力集中出現局部比較嚴重受壓損傷外，其余為輕微損傷，不會影響地震力的傳遞，總體上可定義為輕度損壞，設計時可考慮針對性地予以配筋加強。

本工程結構具有良好的抗震性能，能夠達到大震作用下的抗震性能要求。

7 轉換構件設計

根據前文確定的構件性能目標，轉換構件(轉換梁及框支柱)應滿足中震彈性的要求。轉換構件的抗震等級均為特一級。轉換梁及框支柱的布置，見圖3。

轉換梁及框支柱構件截面如表3所示。

表3 轉換梁及框支柱截面表 mm

轉換構件全部按中震彈性的配筋結果進行配筋設計，按長期荷載效應考慮，轉換梁的撓度為1/835，遠小于規范對撓度有較高要求的限值1/400，且在模型計算時考慮了按模擬施工3加荷計算，充分考慮了豎向變形對轉換梁及框支柱受力的影響。

同時考察罕遇地震作用下的轉換構件以及相關構件的受損情況，如圖4所示。

如圖4所示，轉換梁部分區域損傷因子大于0.1，最大的小于0.2，但其分布范圍小于10%，剪力墻內埋置的鋼骨均未發生塑性應變，綜合考慮可以認為轉換梁為輕度損傷。框支柱仍處于彈性范圍，在大震作用下的承載力仍有較大富余。

8 結語

本工程A樓為B級高度帶轉換層的高層建筑，由于兩翼布置的剪力墻基本對稱，形成扭轉規則的框架剪力墻結構。通過進行多遇地震、設防地震、罕遇地震條件下結構分析計算，采取了多個有針對性的抗震加強措施，實現了抗震性能化設計目標。對采用型鋼混凝土組合結構的轉換結構進行重點分析，滿足中震彈性的同時，罕遇地震作用下轉換結構僅有輕微受損。