南京研创园某超限高层建筑的结构设计

刘浏

（南京金宸建筑设计有限公司，南京 210019）

1 项目简要

本工程项目位于南京市江北新区研创园内，地面以下3 层，地上35 层，主要屋面高度149.950 m，使用功能为办公。根据《超限高层专项审查要点》（建质〔2015〕67 号）的规定：本工程属于B 级高度超限高层建筑，需进行抗震设防专项审查。除了高度超限以外，本工程有2 项一般不规则：（1）扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2；（2）局部不规则，局部布置穿层柱、斜柱；无严重不规则情况，见图1。

本工程的结构体系为框架-核心筒结构，整体结构的立面有一个显著的特点，就是右上角部向上逐层收进，由底部楼层的大悬挑楼板，逐层收进后，平面开始内收，从15 层至21 层，右上角布置斜柱，再往上楼层布置悬挑楼板，并继续内收，直至屋面。

2 结构的计算分析

针对结构超限，本工程主要采取了以下几项分析措施来保证结构的安全性：（1）多遇地震作用下采用2 种不同计算软件对结构进行分析；（2）多遇地震作用下弹性时程分析；（3）罕遇地震作用下弹塑性时程分析；（4）对结构的关键构件和特殊构件进行抗震性能设计。

2.1 多遇地震作用下2 种不同计算软件对结构进行分析

本工程采用SATWE 和Midas Building 2 种结构计算程序分别建模计算，并对结果进行对比。SATWE 计算结构总质量81056.531 t，Midas Building 计算结构总质量80841.487 t，楼层质量较为接近，总质量差值约0.27%。取前6 个振型进行比较，计算信息见表1。

表1 6 个振型计算信息

2 种软件的计算结果相近，结果相差在5%以内；建筑的前6 个振型表达了结构的基本特性，本工程前6 阶振型和周期基本一致，其余振型2 软件计算结果也很相似；本工程周期比满足高层规范要求，同时第二周期与第一周期的比值接近1.0，平面抗侧力构件布置较合理，结构具有良好的抗扭刚度。2种软件计算多遇地震反应谱分析结果差异很小，说明结构力学模型正确可靠。

2.2 多遇地震作用下弹性时程分析

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016 年版)（以下简称《抗震规范》）规定，本工程用SATWE 进行了弹性动力时程分析，采用SATWE 自带的2 条人工波和5 条天然波。计算结果显示，每条时程曲线计算所得结构底部剪力大于振型分解反应谱法计算结果的65%，小于135%；7 条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算结果的80%，小于120%。满足《抗震规范》规定。结构设计取用波平均计算结果与振型分解反应谱法的包络值，保证各构件满足多遇地震弹性要求。

2.3 罕遇地震作用下弹塑性时程分析

根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》（以下简称《高规》）规定，B 级高度高层建筑结构，宜采用弹塑性静力或弹塑性动力分析方法补充计算。本工程采用结构动力弹塑性计算软件SAUSAGE 进行分析，罕遇地震作用下结构总体变形控制目标为：大震不倒（层间位移角限值1/100）。《高规》结构抗震性能设计，将结构的抗震性能分为5 个水准，对应的构件损坏程度则分为“无损坏、轻微损坏、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏”5 个级别。罕遇地震作用下，对结构各类构件损坏级别进行分析[1]。大震弹塑性分析，基本结果如下：

1）3 条地震动作用下结构X向和Y向最大层间位移角分别为1/237 和1/248，均小于1/100，满足规范大震弹塑性层间位移角要求。

2）罕遇地震时程分析基底剪力与振型反应谱法所求基底剪力之比在合理比值范围内（罕遇地震动力弹塑性与小震弹性时程分析的基底剪力之比约为2.88～4.08 倍）。

3）在罕遇地震作用下，整体结构处于轻微～中度损伤，有一定的变形和承载力富余。

4）结构中大部分框架梁处于轻微到轻度损坏，少部分框架梁达到中度以上损坏。框架梁受压损伤最大值出现在顶部3层，说明顶部楼层由于鞭梢效应结构损伤较大。

5）结构中大部分框架柱处于轻度以下损坏，仅顶部3 层少量框架柱出现中度损坏。出现在顶部3 层，说明顶部楼层由于鞭梢效应结构损伤较大。

6）剪力墙连梁大部分出现中度以上损伤，较好的起到了保险丝的作用。剪力墙大部分处于轻度以下损伤。底层少量剪力墙出现中度以上损伤，由于底部剪力墙为关键构件，因而对于底部剪力墙要进行适度加强，如剪力墙端部设置型钢柱等。

2.4 对结构的关键构件和特殊构件进行抗震性能设计

根据《高规》性能设计要求，本工程采用D+级抗震性能目标，在多遇地震、设防烈度地震、预估的罕遇地震作用下，应分别达到不低于1 级、4 级、5 级抗震性能水准。

底部加强区范围内的剪力墙和框架柱按照中震下抗剪弹性、抗弯不屈服，大震下抗剪不屈服进行验算[2]；抗剪水平筋或箍筋按中震弹性和大震不屈服的大值进行配筋；抗弯钢筋按小震弹性和中震不屈服的大值进行配筋；按特一级构造。底部加强区以上的其他楼层，在中震下小偏心受拉的剪力墙和框架柱按特一级构造。

对斜柱、与斜柱倾斜方向连接的框架梁、相邻下一层的框架柱以及框架梁考虑中震下抗剪、抗弯弹性、大震下抗剪不屈服的性能目标，斜柱及与之连接的下一层框架柱抗震构造提高至特一级；穿层柱按中震下抗剪、抗弯弹性、大震下抗剪不屈服的性能目标，穿层柱设计剪力和弯矩取值不小于该层其他柱的剪力和弯矩设计值；长悬挑梁计入竖向地震作用，挑梁根柱按中震下抗剪、抗弯弹性、大震下抗剪不屈服的性能目标。

3 结构设计过程中的疑问

3.1 剪重比计算结果不满足规范要求时解决办法

根据以往的工程经验，调整剪重比主要方法有2 种。（1）程序调整：勾选按《抗震规范》调整各楼层地震内力，程序自动将楼层最小地震剪力系数直接乘以该层及以上重力荷载代表值之和，用以调整该楼层地震剪力；在全楼地震作用放大系数中输入大于1 的系数，增大地震作用。（2）结构调整：加大竖向构件，加强墙、柱等竖向构件的刚度。

本工程在初步计算时，通过增大底部几层的剪力墙的墙厚以及框架柱，框架梁的截面来增加结构的刚度，但发现，仅增大结构下部少数楼层的侧移刚度时，结构的基本周期变化不大，水平地震作用增幅有限。同时，因为结构构件尺寸的增大，使结构的质量有增加，结构质量增加的比率大于水平地震作用的增大比率，反而导致“剪重比”减小。当结构大多数楼层直至全高加大抗侧刚度时，结构基本周期的减小愈发显著，结构水平地震作用的增大比率大于结构质量的增大比率，结构的“剪重比”也随之增大。

但是，从常理来看，结构从底部到上部，剪力墙、框架柱等构件截面尺寸应该是逐步减小的，如果采用上述从下到上均加大构件尺寸的调整剪重比的方法，是不合理的，也是不经济的。

因此，需要转变角度，以上调整剪重比的方法都是从“增”的角度来思考，即通过增大结构刚度来增大结构的抗剪力，从而增大剪重比，也就是说侧重于增加剪重比的分子，那么如果侧重于减小剪重比的分母，是否也能达到增大剪重比的值呢？从数学理论来说，是完全可行的。

如何减小分母，就是要减小结构的质量，可以把对结构抗侧刚度影响较小的构件尽量减小，如次梁、悬挑板、封边梁、平面中间部位的框架梁，以及对结构整体荷载进行精算，每层减少一点质量，对于几十层的高层建筑来说，累积起来是相当可观的。用这种方法，通过细致的调整，最终剪重比的计算结果是满足规范的要求的。

3.2 剪力墙门洞位置墙体按梁布置和按墙体门洞布置的差异

本工程在初步计算时，在剪力墙开洞部位采取了按梁布置的方案，后来通过对比按剪力墙开洞布置的计算结果，显示有2 方面的影响：（1）按梁布置结构整体刚度的偏小，即使根据跨高比控制，按壳单元计算，也偏小；（2）洞口处用梁布置的SATWE 计算与Midas Building 计算对比，周期差值较大，超过了5%。

3.3 结构布置的合理优化

通常结构方案是按照建筑方案的条件来确定的，但是在结构方案确定过程中，如果完全按照建筑条件图的布置来设计结构方案，会有一些不合理的地方，比如，核心筒位置的剪力墙布置，对结构的整体刚度影响较大，应和建筑专业充分讨论，在满足建筑专业标准和使用功能的条件下，优化结构布置，以利于整体的结构设计。

4 结语

以上是本工程的结构超限设计的主要内容。通过本项目的结构设计，对设计过程中遇到的问题及解决办法进行解析和总结，希望对以后遇到类似的项目设计或者遇到同类问题的结构工程师能够提供参考。