国泰君安金融中心结构超限设计

唐伟伟

(东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏 南京 210000)

1 工程概况

国泰君安金融中心工程位于南京市河西新城区雨润大街和庐山路交汇处。其中A楼地上29层，建筑高度约129.80 m；B楼地上24层，建筑高度约95.80 m；C楼地上6层，建筑高度约24.0 m。地下设置两层满堂地下室。工程总建筑面积约123 565 m2。根据建筑设计的平面布局，A楼、B楼、C楼各自独立，本文主要展示A楼的结构超限设计情况[1]。

2 设计条件

本工程建筑场地土类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 s。抗震设防烈度为7度，地震分组为第一组，基本地震加速度为0.10g。场地分布有11 m～16 m厚的淤泥质软土层，本场地为建筑抗震不利地段。

依据《抗震规范》[2]，本规程的小震设计地震峰值加速度为35 gal，小震水平地震影响系数最大值取为0.08，场地特征周期按《勘察报告》取为0.45 s，时程分析用地震加速度时程的最大值取35 gal；中震水平地震影响系数最大值取为0.23，场地特征周期按《抗震规范》取为0.45 s，时程分析用地震加速度时程的最大值取100 gal；大震水平地震影响系数最大值取为0.50，场地特征周期为0.50 s，时程分析用地震加速度时程的最大值取220 gal。

按《荷载规范》附录E的规定，南京市50 a基本风压为0.40 kN/m2，地面粗糙度按C类考虑，承载力设计时按基本风压1.1倍采用。50 a一遇的基本雪压为0.65 kN/m2。

在进行多遇地震时程分析时，从附近地震波库中根据类似工程特点选择了四组多遇地震和罕遇地震记录。其中三组6条为天然地震波记录，一组2条为人工合成地震波，详见表1。

表1 时程分析选用地震波表

3 结构概念设计及超限应对措施

3.1 结构体系布置

A楼结构高度为129.80 m，地上29层；出屋面塔楼1层。本工程平面呈矩形，长度为68.1 m，宽度为28.2 m，长宽比2.4，高宽比4.6；根据建筑平面布置及功能要求，结构体系采用钢筋混凝土框架-剪力墙，根据JGJ 3表3.3.1-2，属于B级高度的高层建筑。剪力墙集中布置在结构两端，基本对称。

为了在北侧1层大厅形成大空间，其中有2根框架柱不落地，形成了转换层结构，转换层位于结构的2层，标高9.850 m。

1层南北侧入口大厅居中的5跨柱网范围通高2层，致使夹层楼板的尺寸变化剧烈，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%。为了突出主入口的效果，建筑立面上做了凹入式的处理，形成了南侧4根、北侧2根穿2层的柱子，这些柱子仅单方向(X向)与楼面以框架梁连接，另一个方向(Y向)柱间无联系，导致水平力作用下的长短柱共用。

根据JGJ 3表3.9.4，B级高度框架-剪力墙结构的抗震等级：框架一级,剪力墙一级，局部转换梁、框支柱的抗震等级为特一级。

3.2 结构超限情况判定

根据住建部2015年5月21日建质[2015]67号文“超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点”，依据“要点”中附录表2～4的规定逐项进行结构规则性的判别[3]。

本工程为B级高度钢筋混凝土高层建筑，夹层大部分楼板缺失，楼板不连续，同时2根柱在2层转换，所以本工程具有结构不规则项为2项，需采取相应的抗震加强措施。

3.3 结构性能化设计

为实现主体结构抗震性能目标，针对结构构件拟定具体的性能设计要求如表2所示。

表2 构件的性能设计目标

3.4 主要抗震措施

1)结合楼梯间和外墙设置了抗震墙，且基本对称，减小偏心率，提高了结构的抗扭性能。有效地减小结构扭转位移比，将其控制在1.2的范围内，避免成为扭转不规则结构。

2)本工程为框架-剪力墙结构，框架和剪力墙结构的抗震等级均为一级，局部转换梁、框支柱的抗震等级为特一级。同时复核剪力墙在中震条件下是否出现墙肢拉应力超过ftk的情况，如出现则将剪力墙抗震等级提高到特一级并配置型钢承担拉力。同时剪力墙底部加强区的纵筋按中震不屈服验算结果配筋，水平钢筋按中震弹性验算结果配筋。

3)本工程夹层位于转换层下1层，夹层楼板具有大开洞及局部不连续的情况。针对此情况，本层楼板全部采用220 mm厚板，同时配置了不少于0.25%的双层双向通长钢筋网。并且夹层按计入1层模型计算和夹层不计入模型计算，得到的两个结果进行配筋包络设计。由于开洞造成的穿层柱，进行有针对性的加强。

4)2层的转换构件是整体结构中的极其重要的组成部分，转换梁及框支柱的抗震等级提高到特一级。转换梁、框支柱及被转换框柱的首层全部采用型钢混凝土。剪力墙底部加强区延伸至转换层上两层，约束边缘构件延伸至5层(标高23.000 m)。同时转换层及上下各一层的楼板全部采用220 mm厚板，同时配置了不少于0.25%的双层双向通长钢筋网，以确保地震剪力在相应楼层内的有效传递。

5)本工程由于存在转换结构，尽管在7度区，仍然考虑了竖向地震作用。因此，本工程在所有地震作用分析阶段全部包含了竖向地震作用组合，截面抗震验算的组合方法全部符合《抗震规范》第5.4.1条的规定。

6)通过本工程在中震作用下的分析，证明本结构体系是合理的。在中震来袭时，其主要构件均具有足够的安全储备，在罕遇地震的作用下，结构的变形也满足规范的要求。

4 多遇地震作用下弹性分析

结构在多遇地震作用下的响应，采用振型分解反应谱方法，辅以时程分析方法进行校核。

由盈建科和PKPM计算出的最大层间位移和最大层间位移角等分析结果都比较接近，地震作用及风荷载作用下最大扭转位移比均小于1.2，为扭转规则结构。

根据前文选定的地震波数据，分别进行了三向地震激励的时程分析，重点考察地震波选择的合适性。每条时程曲线计算所得结构底部剪力和平均值均满足抗震规范限值的要求。

各条时程曲线分析得出的最大层间位移平均值小于1/800，满足GB 50011第5.5.1条的要求。各楼层反应谱分析的层间位移能够完全包络各条波时程分析的层间位移平均值(见图1)。

5 设防烈度地震反应谱分析

为满足结构在设防烈度地震作用下的性能目标，利用SATWE软件采用中震反应谱方法进行弹性计算，针对具体构件的性能化要求进行设计。

对底部墙肢进行中震下的应力复核，部分剪力墙体的墙肢在中震下出现拉应力，且最大拉应力为5.66 MPa，超过了混凝土的抗拉强度标准值。依据超限高层抗震专项审查技术要点的第十二条第四款的要求，对出现小偏心受拉的构件采用特一级构造，并配置型钢承担全部拉力。按弹性模量换算考虑型钢的作用后，所有墙肢中最大的名义拉应力为5.16 MPa<2ftk。

按照表2对结构构件的性能化设计要求，底部加强区墙肢的正截面承载力均应满足中震不屈服的要求，底部加强部位的墙肢正截面按中震不屈服设计的纵筋配筋，实际配置的纵筋能够满足中震不屈服要求。

底部加强区剪力墙的受剪承载力均满足中震弹性的要求，设置的水平抗剪钢筋满足中震弹性的要求。

6 罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析

采用SAUSAGE软件进行弹塑性动力时程分析，观察结构弹塑性位移以及结构损伤的情况。

6.1 结构位移

1)在罕遇地震作用下，结构X向最大顶点位移为527 mm，Y向位移为431 mm，主体结构未见倒塌，满足“大震不倒”的性能化要求。

2)主体结构X向最大弹塑性层间位移角为1/181，Y向为1/132，满足1/100的规范限值要求。

3)弹塑性分析结果显示，结构的层间位移角曲线总体较光滑。

6.2 结构损伤情况

选取结构整体响应最大的工况，展示该工况下结构损伤情况(见图2)。

结构损伤情况汇总如下：

1)由于本工程剪力墙布置较为集中，设置合理的剪力墙连梁，连梁在大震作用下损伤，耗能效果明显，从而保护了主体抗震墙肢，大部分主体抗震墙未出现重大的损伤。

2)大震作用下，仅个别框架柱和框架梁出现轻微的受损，大部分框架柱和框架梁仍处于弹性状态；抗震墙进入塑性后框架可以起到二道防线的作用。

3)屋顶层的剪力墙附近的角部楼板区域由于应力集中出现局部比较严重受压损伤外，其余为轻微损伤，不会影响地震力的传递，总体上可定义为轻度损坏，设计时可考虑针对性地予以配筋加强。

本工程结构具有良好的抗震性能，能够达到大震作用下的抗震性能要求。

7 转换构件设计

根据前文确定的构件性能目标，转换构件(转换梁及框支柱)应满足中震弹性的要求。转换构件的抗震等级均为特一级。转换梁及框支柱的布置，见图3。

转换梁及框支柱构件截面如表3所示。

表3 转换梁及框支柱截面表 mm

转换构件全部按中震弹性的配筋结果进行配筋设计，按长期荷载效应考虑，转换梁的挠度为1/835，远小于规范对挠度有较高要求的限值1/400，且在模型计算时考虑了按模拟施工3加荷计算，充分考虑了竖向变形对转换梁及框支柱受力的影响。

同时考察罕遇地震作用下的转换构件以及相关构件的受损情况，如图4所示。

如图4所示，转换梁部分区域损伤因子大于0.1，最大的小于0.2，但其分布范围小于10%，剪力墙内埋置的钢骨均未发生塑性应变，综合考虑可以认为转换梁为轻度损伤。框支柱仍处于弹性范围，在大震作用下的承载力仍有较大富余。

8 结语

本工程A楼为B级高度带转换层的高层建筑，由于两翼布置的剪力墙基本对称，形成扭转规则的框架剪力墙结构。通过进行多遇地震、设防地震、罕遇地震条件下结构分析计算，采取了多个有针对性的抗震加强措施，实现了抗震性能化设计目标。对采用型钢混凝土组合结构的转换结构进行重点分析，满足中震弹性的同时，罕遇地震作用下转换结构仅有轻微受损。