南京金融城二期C3塔楼结构分析与设计

付宗超

（华东建筑设计研究总院，上海 200002）

1 工程概况

南京金融城二期项目位于江苏省南京市建邺区河西新城的中轴线上，嘉陵江东街以南，雨润大街以北、东至庐山路、西至江东中路。本项目C3塔楼建筑大屋面高为188.6 m，建筑面积约8.43万m2。地下5层，主要建筑功能为设备用房与车库；塔楼地上49层，1～4层为商业，层高为4.5 m，5层以上为公寓，标准层层高为3.6 m。建筑平面在41层及之上收进右侧半个平面，仅留下左侧半个平面延伸到顶部49层。建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural effect drawing

本工程结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。抗震烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 s，抗震设防类别为标准设防类。风荷载的地面粗糙度为C类，50年一遇基本风压为 0.4 kN/m2[1]。

2 结构体系

塔楼采用框架-核心筒结构体系，其中框架由钢骨混凝土柱、钢梁组成，核心筒为钢筋混凝土核心筒，塔楼结构体系构成如图2所示。核心筒左侧外围墙肢厚度由底部900 mm向上减至500 mm，右侧外围墙肢厚度由底部800 mm向上减至400 mm，内部墙肢厚度350 mm；框架柱截面根据上部楼层高度，左侧柱截面由1 400 mm×1 400 mm往上收至1 100 mm×1 100 mm，右侧柱截面由底层的1 300 mm×1 300 mm往上收至1 000 mm×1 000 mm。

图2 塔楼结构体系示意图Fig.2 Diagram of tower structural system

结构底部平面尺寸约为45.2 m×40.7 m，结构高宽比约为5.0，未超过规范规定最大高宽比7.0的要求。核心筒底部尺寸约为19.0 m×16.5 m，核心筒高宽比约为11.4，未超过规范不宜大于12的要求。结构在标高159.5 m以下是外边进行造型处理的接近矩形平面，标高159.5 m～188.6 m变成一个右半边收掉的平面，结构典形楼层平面图见图3所示。

图3 结构平面布置图Fig.3 Structural layout plan

3 结构超限判别及抗震性能目标

按建质[2015]67号《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》，C3塔楼结构高度188.6 m＜190 m，高度不超限，但存在以下不规则项：1a）扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2；1b）偏心布置，41F以上楼层偏心率大于15%；2）楼板不连续，2F楼板有效宽度小于50%；3）尺寸突变，41F以上竖向构件缩进约50%；4）局部构件转换。

根据塔楼的超限情况，结合项目抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构特点、建造费用、震后损失和修复难易程度等[2]各项因素后确定塔楼的抗震性能目标见表1。

表1 结构抗震性能目标[3]Table 1 Seismic performance of structure

4 结构分析

4.1 小震弹性反应谱分析

采用YJK和ETABS两件软件进行小震下的结构对比分析，计算结果汇总见表2。由计算结果可知，两种软件的计算结果比较接近。结构的周期比、位移角、剪重比等指标均能满足高规的相应要求。

表2 结构整体分析结果Table 2 Whole structure dynameic characteristic

4.2 小震弹性时程分析

选用五条天然波和两条人工波，地震波的加速度时程曲线及其反应谱与安评反应谱的对比如图4所示，天然波及人工波的加速度时程曲线的有效时长均大于结构基本周期的5倍且不小于15 s，7条地震波作用下的底部剪力平均值不大于振型分解反应谱法得到的相应楼层剪力值，且不小于反应谱所得值的80%，满足规范要求。7条波的平均值显示，两个方向的最大层间位移角均小于规范限值1/650，弹性时程分析的楼层位移角曲线见图5。

图4 加速度时程反应谱与设计反应谱比较Fig.4 Comparison between acceleration time history response spectrum and design response spectrum

图5 弹性时程分析楼层位移角曲线Fig.5 Interlayer displacement angle curve of elastic time history analysis

长周期高柔结构在高阶振型的影响下，其顶部楼层的鞭梢效应开始显现，动力时程分析往往较反应谱法得到的地震层剪力大。根据以上7条地震波作用下各层剪力的平均值与反应谱法得到的地震层剪力的比较，顶部楼层的时程结果相对较大，须对反应谱法所得值进行调整，调整系数详表3。从表中可以看出，由于结构在41F以上X方向存在立面收进，X方向的鞭梢效应相对更加显著。

表3 地震剪力调整系数Table 3 Adjustment factor of seismic shear force

4.3 中震等效弹性反应谱分析

根据抗震性能目标，中震下底层墙肢抗剪弹性抗弯不屈服，立面收进处抗弯弹性。对结构进行等效弹性的反应谱分析，参数设置如表4所示。

表4 中震等效弹性分析参数Table 4 Equivalent elastic analysis parameters of moderate earthquakes

中震下结构最大为位移角为1/286（x向）、1/275（y向），核心筒墙肢在1F及41F（立面收进层）出现拉应力，通过在核心筒角部设置型钢，控制墙肢等效拉应力小于2ftk（墙体混凝土抗拉强度标准值）。墙肢拉应力与2ftk之比的分布如图6、图7所示。

图6 中震作用下1F墙肢拉应力/2ftkFig.6 Tensile stress of 1F wall under moderate earthquake/2ftk

图7 中震作用下41F墙肢拉应力/2ftkFig.7 Tensile stress of 41F wall under moderate earthquake/2ftk

4.4 罕遇地震动力弹塑性时程分析

采用基于抗震性能设计（PBSD）为目标的结构非线性分析与性能评估软件Perform-3D软件对整体结构进行了大震弹塑性时程分析。共计算7组地震波，并对结构性能进行评价，结构在七组地震波作用下的楼层位移角曲线如图8所示，主体结构的最大弹塑性层间位移角X向为1/155，Y向为1/151，满足框架-核心筒结构体系1/100的规范限值要求，结构最终仍能保持直立，满足“大震不倒”的设防要求。

图8 不同波组对应的层间位移角曲线Fig.8 Story drift curves corresponding to different wave groups

结构在典型大震弹塑性时程工况下的顶点位移与大震弹性时程况下的顶点位移曲线对比如图9所示，从图中可以看出，大震弹塑性分析顶点位移小于大震弹性分析结果，经过第一个较大位移峰值后，弹塑性分析顶点时程曲线峰值向后推移，说明随着结构损伤的发展，结构的刚度有所减小、周期有所增加。

图9 典型地震波工况下塔楼顶点位移时程曲线Fig.9 Top displacement time history curve of tower under typical seismic wave

在罕遇地震作用下，塔楼结构仅少部分外框梁出现轻微的塑性损坏，大部分外框梁和全部外框柱基本处于弹性工作状态，塔楼外框架可以起到抗震二道防线的作用；核心筒连梁整体损坏程度比较严重，连梁屈服后，形成较好的耗能机制，可以有效地耗散地震输入的能量，并保护了核心筒墙肢；核心筒墙肢整体损坏程度较轻，竖向和水平钢筋均未屈服，混凝土受压应变不超过其受压峰值应变，满足预设性能目标的要求；塔楼钢骨混凝土柱性能满足和大震轻度损坏；塔楼钢梁的性能可满足大震轻度损坏[4]。塔楼核心筒墙肢性能状态如图10所示。

图10 核心筒剪力墙墙肢性能状态Fig.10 Performance state of core tube shear wall

综上所述，本结构抗震性能良好，结构在罕遇地震作用下基本达到抗震性能目标，满足所设定的抗震性能要求。

5 针对立面收进专项分析

5.1 竖向荷载下的水平位移

由于结构立面收进，收进层以上竖向荷载对结构产生偏心作用，为减少荷载重心偏置的影响，增加了结构西侧的框架柱及核心筒墙体的截面，使各楼层的竖向构件轴压比尽量均匀。

尽管采取了对竖向构件的调整措施，但在竖向荷载偏心作用下，上部结构的偏心压力对收进位置以下的平面会产生附加倾覆力矩，为了平衡，收进位置附近楼层的梁板平面内会形成拉力或压力，即对竖向构件产生一定的水平剪力，结构在楼层附加水平剪力作用下产生了水平位移，而且越靠近收进部位的楼层其水平位移越大[6]。恒活标准组合工况下，结构收进层（F41层）的X向水平位移最大，最大值约为35 mm。

竖向荷载偏心作用产生的结构水平变形会影响电梯井、设备管井等竖向井道的使用，应当引起重视。基础设计时塔楼的群桩的形心应与荷载重心重合，需要在施工过程中采取一定的预调整措施。

图11 竖向荷载作用下的结构水平变形Fig.11 Horizontal deformation of structure under vertical load

5.2 立面收进楼层楼板应力分析

YJK的楼板应力分析功能，对楼面收进底部楼层（40F）指定为弹性板6，按中震弹性性能目标验算楼板应力。在中震作用下，楼板应力分布如图12所示。在中震标准值作用下，除墙角、柱角等处楼板出现了应力集中，大部分楼板的应力在1.0 MPa以内，部分应力集中处楼板应力最大值达到4 MPa，大于楼板的混凝土抗拉强度标准值，需配置附加钢筋以抵抗相应水平内力。40F楼板设计厚度180 mm，除考虑竖向荷载作用下的配筋外，另配置双层双向附加钢筋14@150以抵抗水平内力。

图12 40F（收进起始层）X方向中震楼板应力图Fig.12 Stress diagram of 40F（retracted floor）floor with moderate earthquake in X direction

5.3 立面收进墙体应力分析

在竖向荷载和双向地震作用下，大部分墙肢的剪应力水平较低，墙体剪应力并未因出现立面收进层而发生明显突变。对于竖向荷载和地震作用引起的剪应力集中（主要出现在梁端和洞口角部），可通过适当增加洞边边缘构件和梁端暗柱及连梁配筋来对墙体进行加强[7]。通过对墙体的正应力可以看出，在1.0恒载+0.5活+1.0中震工况，除去连梁梁端的应力集中，部分墙肢会出现拉应力，拉应力在立面收进处出现峰值。墙肢拉应力峰值出现在立面收进处的角部，但平均拉应力水平较低。在X方向地震力作用下，立面收进层的墙肢拉应力峰值达到5 MPa，但受拉墙肢的平均拉应力小于2倍的混凝土轴心抗拉强度标准值（混凝土强度等级为C50，2ftk=5.28 MPa）。这和墙肢的轴拉力分析结果也基本一致。对这些立面收进层及相邻层出现拉应力的墙肢，通过加强配置竖向钢筋予以加强。

5.4 针对立面收进的结构加强措施

针对塔楼立面收进层的特点，结构设计时根据结构整体计算分析的结果采取了以下加强措施：

图13 40层（收进起始层）Y方向中震楼板应力图Fig.13 Stress diagram of 40F（retracted floor）floor with moderate earthquake in Y direction

图14 收进上下楼层处墙肢的剪应力分布Fig.14 Shear stress distribution of wall limb at the upper and lower floors of retraction

（1）收进后的剪力墙布置成闭合的筒体。

（2）结构上部楼层的地震剪力按弹性时程的增大系数，充分计算结构顶部的鞭梢效应。

（3）对收进起始楼层楼板进行应力分析，收进层楼板厚度适当加大，采用双层双向配筋。

（4）对收进层及相邻上下多层进行剪力墙应力分析，加强墙肢和连梁的配筋。对于尺寸突变的41层下部两层和上部两层的核心筒剪力墙采用约束边缘构件。收进处柱子截面不减小往上延伸两层，柱配筋增加至2.5%，柱箍筋直径提高一档配置；收进处以上两层墙肢根据计算增设型钢，控制中震弹性工况下的截面名义拉应力不大于ftk，同时竖向钢筋配筋率增大至1.5%，并延伸至收进处下二层墙体。

6 结论

（1）C3塔楼采用了成熟的型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系，平面基本规则、竖向刚度无较大突变。按照相关规范和超限高层结构审查技术要点，采取了针对性的抗震构造措施；整体结构及构件设计采用了性能化设计方法，主要抗侧力构件满足设定的性能化目标；周边框架柱和轴压比不满足规范要求的墙肢中设置了钢骨，控制截面尺寸，提高了构件延性。

（2）对结构进行了大震弹塑性时程分析，分析结果表明，大震下核心筒连梁首先进入塑性耗能，保护了核心筒墙肢，核心筒墙肢及外框架整体损坏程度较轻。主体结构的最大弹塑性层间位移角满足框架-核心筒结构体系1/100的规范限值要求，满足“大震不倒”的设防要求。

（3）塔楼建筑在较高的部位存在不对称的立面收进，针对顶部的立面偏心收进，采取了控制每层墙、柱轴压比差合理选择截面，将收进层的下部两层和上部两层的竖向构件设置为关键构件，提高其抗震性能目标，并进行收进层的楼板应力分析、剪力墙应力分析，根据分析的结果采取相应的加强措施，保证结构的整体安全性，能满足预期的建筑使用功能要求。

（4）在竖向荷载作用下，塔楼不对称立面收进会导致结构产生水平位移，这对于超高层建筑中的电梯井、设备管井等竖向井道的使用会产生一定的影响，需要在施工过程中采取相应的预调整措施。