华南理工大学建筑设计研究院有限公司 广州市 510641
摘要：南宁GIG国际金融资本中心塔楼结构高度199.95米，采用框架-核心筒结构体系，属于B级高度超高层建筑，同时存在偏心布置、局部跃层柱、二层楼板不连续3项平面不规则项。采用基于性能的抗震设计方法，设定结构抗震性能目标要求为C级，进行整体结构弹性计算、弹性时程分析、抗震性能验算以及罕遇地震作用下的动力弹塑性分析，结合计算分析结果，在采取有针对性的抗震加强措施下确保结构安全可行。
关键词：超高层建筑；框架-核心筒结构；抗震性能设计
The Structural Design and Seismic Performance Analysis of the T1 Tower of GIG International Financial Capital Center in Nanning
Yang Shenyin，Chen Zhicheng
（Architectural Design and Research Institute of South China University of Technology Co.，LTD，Guangzhou P.R.China，510641）
Abstract：The Nanning GIG international financial capital center，with a height of 199.95 meters and a frame-core wall structure，is classified as a super high-rise building of Grade B height.It has 3 irregularities at eccentric arrangement、partial crossing columns and discontinuous slab of the second floor.A performance-based seismic design method is adopted，with the seismic performance target set at Grade C.Through the elasticity calculations of the overall structure，elastic time history analysis，seismic performance checking，and dynamic elastic-plastic analysis under rare earthquake conditions，targeted anti-seismic strengthening measures are taken to ensure the safety and feasibility of the structure.
Keywords：super high-rise building；frame-corewall structure；seismic performance design
1 工程概况
本工程位于南宁市五象新区，总建筑面积为19.59万平方米。地下5层，底板面标高-18.20m，±0.00以上通过设置抗震缝分为T1塔楼、T2塔楼、商业裙楼三个结构单元，本文着重介绍T1塔楼超限情况。
T1塔楼地上43层，建筑面积约7.65万平米，主要使用功能为办公楼，其中3层及以下为商业裙楼及大跨度会议室，裙楼顶部标高为19.55m；塔楼为甲级写字楼，标准层层高为4.5m；主屋面建筑标高为199.95m，出屋面为电梯机房及幕墙塔冠，计入出屋面后的高度为213.45m，建筑效果如图1示。
2 结构主要设计参数
本工程结构设计基本周期为50年，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为γ0=1.0，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，
图2 T1塔楼结构整体模型及主要抗侧力构件
T1塔楼地上建筑平面呈矩形，标准层平面尺寸为33.6m×46.2m，屋面层高度为199.35m，高宽比X=5.93，Y=4.31，核心筒尺寸为14.2m×29.8m，高宽比X=14.04，Y=6.69。
本工程采用框架-核心筒结构，在楼梯、电梯及设备间设置剪力墙核心筒。第33层及以下楼层的外框柱采用钢管混凝土柱，第34～顶层外框柱为钢筋混凝土圆柱。外框柱间距为9.6m，外框柱与核心筒之间跨度约9.7m，T1塔楼的结构整体模型及主要抗侧力竖向结构如图2所示。塔楼的钢管混凝土柱截面为1300×20（外径×壁厚mm）~900×12（外径×壁厚mm），内填C60砼，混凝土圆柱截面为φ1020~φ800mm，混凝土强度等级沿楼层高度由C60
图4 T1塔楼标准层平面
4 结构超限判别和抗震性能设计
4.1 结构超限判别
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]（JGJ3-2010）、《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[3]，T1塔楼属于超限高层建筑，具体超限情况如表1所示。
表1 工程超限情况
5 结构抗震性能分析
5.1 小震阶段弹性分析
本工程分别采用YJK和ETABS设计软件进行小震作用下的结构整体指标的对比计算，其中T1塔楼的计算嵌固端设在地下二层，统计结构重量、基底剪力、基底弯矩等整体指标时仍取首层。计算结果如表3所示，两个程序的主要计算结果比较接近，结构总质量和前三个周期误差均在5%以内，满足工程计算的精度要求，计算结果可信。
表3 结构主要整体指标
（1）T1塔楼的结构第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85，满足规范要求，结构扭转耦联效应不明显；楼层地震剪力系数计算值小于0.6%，程序自动按规程取0.6%进行楼层地震剪力调整。
（2）地震作用下的最大层间位移角为1/1427（Ex）、1/1955（Ey），风荷载作用下的最大层间位移角为1/911（Wx）、1/1846（Wy），均不大于规范限值1/616的要求，同时，T1塔楼在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下位移比均不大于1.20，表明塔楼结构布置较合理。
（3）T1塔楼的结构刚重比为1.69（X向）、2.38（Y向），均不小于1.4，满足结构整体稳定性要求；同时进行考虑P-△效应和不考虑P-△效应的对比计算（1.2D+1.4L工况），分析结构在风荷载和小震作用下的楼层侧向位移和倾覆力矩的二阶效应，结果表明，在水平荷载作用下，考虑P-△二阶效应后结构的侧移、倾覆力矩增幅均小于5%，满足规范要求。
（4）T1塔楼各楼层抗侧力结构的层间受剪承载力均大于其相邻上一层受剪承载力的75%，没有楼层承载力突变的情况，满足规程要求。
5.2 小震阶段弹性时程分析及结果
本工程根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[4]4.3.4条规定进行小震弹性时程分析，按设计地震分组、建筑场地类别选取5组天然地震波和2组人工波，将各时程的有效峰值加速度调整为18gal，其余各时间点的加速度按等比例进行放大或缩小进行验算，主要计算结果如下：
图5 弹性时程楼层剪力平均值与规范谱剪力比较结果
（1）小震弹性时程分析所得的地震效应平均值曲线形状与CQC法所得的地震效应曲线形状相似，趋势一致。
（2）计算结果表明，多遇地震时，7组地震波计算所得的首层地震剪力均不小于CQC法的65％，计算所得的首层地震剪力平均值均不小于CQC法的80％，计算结果满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）4.3.5条的要求。
（3）小震弹性时程分析时，7组地震波的平均作用效应基本上小于CQC法的计算结果，仅在顶部少数楼层稍大于CQC法的计算结果。小震弹性阶段计算时可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。
5.3 中震阶段等效弹性分析
中震下的内力计算采用等效弹性方法，具体参数为：水平地震影响系数最大值取0.12，场地特征周期取0.35s，周期折减系数取为1，中梁刚度放大系数取为1.8，连梁刚度折减系数取为0.5，结构阻尼比取为0.05。
计算结果表明，核心筒剪力墙基本为构造配筋，钢管混凝土柱承载力N/Nu=0.41～0.84，可以满足中震抗剪弹性、压弯弹性的性能目标要求；绝大部分框架梁和连梁已达到中震抗剪弹性、受弯不屈服的性能目标要求，结构满足中震下的C级性能目标要求。
以核心筒北侧的某一槽形组合墙肢进行中震作用下的整截面承载力校核，剪力墙分布钢筋配筋率按0.6%，暗柱配筋率设置为1.5%，查询ETABS程序计算得到的该墙肢在1.0D+0.5L±1.0E（中震）组合下的内力标准值，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）附录E的方法，采用XTRACT截面分析软件，按照墙肢实际配筋量和材料的本构关系计算得到墙肢截面承载力标准值，从而得到该墙肢的P-Mx-My包络曲线，最后将组合内力标准值与之比较得到结果[5][6][7]，组合墙肢纤维截面模型如图6所示，计算结果如图7所示。计算结果表明，通过加大核心筒底部加强区剪力墙竖向分布筋配筋率至0.6％，核心筒底部加强区剪力墙暗柱的竖向钢筋率加强至1.5%，即核心筒剪力墙可满足中震压弯不屈服的性能目标，其它墙肢类似。
图8 穿层柱位置示意图
T1塔楼在二、三层楼板缺失处有2层高的穿层柱，如图8所示，1＃～8＃穿层柱为φ1300×20钢管混凝土柱，在2、3层楼面X、Y向均无水平构
件连接。利用SAP2000软件进行D+L组合下的整体屈曲分析，得出各穿层柱的屈曲荷载并根据欧拉公式Fcr=π2EI/（μl）2反算出其计算长度系数μ，计算结果如表4所示。各穿层柱的计算长度系数均小于1，偏于安全在施工图设计阶段仍将其计算长度系数取为1.25进行构件承载力校核验算。
表4 穿层柱屈曲分析
5.5 地震作用下楼板应力分析
本工程采用ETABS程序进行水平地震作用下楼板的应力分析。
小震作用下，除核心筒角点楼板应力集中拉压应力达到0.38MPa，裙楼楼板拉压应力一般不超过0.20MPa，剪应力一般不超过0.20MPa；塔楼标准层楼板拉压应力一般不超过0.15MPa，剪应力一般不超过0.15MPa。可见，水平地震作用下，楼板的应力水平较低，楼板面内变形不明显，可采用刚性楼板进行结构计算。中震作用时，直接把小震的地震效应放大3倍（该系数为中震最大地震影响系数0.12与小震规范反应谱最大地震影响系数0.04的比值），则塔楼楼板在中震作用下，除角部部分应力集中处，最大应力标准值不超过1.0MPa，楼板受拉可以满足中震弹性的性能要求。
5.6 基于PERFORM 3D的大震动力弹塑性分析[9][10]
采用PERFORM 3D有限元软件对T1塔楼进行大震作用下的动力弹塑性分析，计算结果如下所示：
（1）大震作用下，T1塔楼仍保持直立，其最大层间位移角为1/380（X向）、1/345（Y向），小于大震作用下最大层间位移角1/100的限值，满足 “大震不倒”的抗震设防要求；
（2）大震作用下，T1塔楼的首层基底剪力约为小震作用下首层基底剪力的3.20~4.46倍，表明结构部分构件通过塑性损伤导致的刚度退化来削减地震作用，在大震作用下的整体宏观变形能满足规范要求。
6 抗震技术措施
本工程结构抗震性能目标设定为C级，结构在小震、中震、大震下的抗震性能水准分别为水准1、水准3、水准4，结合超限情况及计算分析结果采用以下加强措施：
（1）加强剪力墙核心筒：适当提高剪力墙配筋率，底部加强区剪力墙分布筋配筋率一般为0.6%，暗柱的配筋率加大至1.5％；严格控制底部加强区剪力墙轴压比及大震作用下的剪应力水平，确保核心筒在大震作用下有较大的延性及承载力安全储备。
（2）加强外框柱：控制钢管混凝土柱的承载力利用系数，加强底部区域的框架柱（含穿层柱），提高整体结构的延性性能，并保证外框柱有较大的承载力安全度；对穿层柱进行稳定屈曲分析，偏保守地设定其计算长度系数，保证其稳定承载力安全度；确保外框柱作为抗震第二道防线的框架具有足够的抗侧能力。
（3）加强楼板：核心筒外楼板厚度不小于110mm，核心筒内楼板厚度不小于130mm，适当提高塔楼角部及核心筒内部楼板的配筋率，保证楼板在外框柱与核心筒剪力墙之间传递水平力的能力，提高结构整体性。
本工程采用以上针对超限情况的加强措施，分析结果表明，结构抗震性能优良，可达到预期的C级的抗震性能目标要求。
7 结论
本工程T1塔楼为高度199.95m的钢筋混凝土框架—核心筒结构，属B级高度高层建筑，同时结构存在偏心布置、局部跃层柱、二层楼板不连续3项平面不规则，为抗震设防超限的高层建筑。采用YJK、ETABS、SAP2000等多个计算软件进行竖向荷载、风荷载、地震作用的弹性计算，采用针对超限情况的加强措施，分析结果表明，结构抗震性能优良，可达到预期的C级的抗震性能目标要求。
参考文献
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论文作者:杨慎银,陈志城
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年5期
论文发表时间:2019/7/1
标签：塔楼论文; 结构论文; 楼板论文; 承载力论文; 应力论文; 核心论文; 性能论文; 《建筑学研究前沿》2019年5期论文;