江西商聯中心超限高層基于性能的抗震設計

鄧聲祥 江西省建筑設計研究總院，南昌 330046

1 工程概況

江西商聯中心位于南昌市紅谷灘新區(qū)鳳凰洲，場地東側為贛江北大道、北側為長江路、西側為紅谷北大道、南側為錦江路，場地緊鄰贛江，總建筑面積為260184.11m2。本工程由2座塔式超高層建筑及裙樓組成，如下圖所示，B1塔為237.9m高辦公樓，建筑面積148585m2；B2塔241.7m高商務辦公樓，建筑面積111599.11m2。地下室3層。塔樓主要功能為超5A甲級寫字樓、高端酒店式公寓、超五星酒店和頂級會所，裙樓為高端商業(yè)購物中心，建成后將成為南昌城市的新地標。

江西商聯中心鳥瞰圖

2 結構概念設計

2.1 設計參數

塔樓設計使用年限為50年，建筑安全等級底部加強區(qū)一級，地面粗糙度為B類；地下三層部分區(qū)域按甲類防空地下室設計，抗力等級為核6級，常6級，防化丙級，戰(zhàn)時功能為二等人員掩蔽及物資庫；高度類別為超B級高度，基本風壓值0.45kN/m2（10年一遇），地面粗糙類別為B類，基本雪壓值0.45kN/m2，風載體型系數取1.4；本地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，建筑物地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35S，結構的阻尼比為0.035。中震及罕遇地震的阻尼比取為0.05。

2.2 塔樓結構體系

經過方案計算比選，最終確定采用框架-核心筒體系作為塔超高層寫字樓及酒店結構體系，即采用鋼管混凝土柱+鋼筋混凝土梁（酒店框架梁采用鋼骨混凝土梁）+鋼筋混凝土核心筒（局部墻加構造鋼骨）結構體系。

2.3 結構布置

結構布置，應采用概念清晰、傳力路徑明確的結構布置，避免造成結構扭轉、平面和立面里出外進、豎向傳力構件不連續(xù)、剛度突變等不規(guī)則。注意把握抗震墻布置、結構的協(xié)同工作、上部結構和基礎協(xié)調變形、各結構構件具有合理的承載力和延性等問題。

（1）豎向核心筒、框架柱單元布置

混凝土核心筒是整個結構體系中主要的抗側力構件，承擔著整座大廈的水平荷載的大部分。所以，應使核心筒各個方向具有較大的剛度和一定延性，讓核心筒在整座大廈在抵抗抗推、抗剪、抗扭效應中真正起到“核心”作用。

1）塔樓層平面采用核心式建筑布置方案，將水平豎向交通系統(tǒng)、消防排煙送風系統(tǒng)、供電供水系統(tǒng)全部集中設置在核心筒內，在建筑周邊散落間距為9米的稀疏框架柱。為減小公攤增加得房率，框架柱和核心筒間距達到12～15米。為滿足立面造型沿高度變化，要求框架柱沿著建筑立面平面同樣進行變化，部分框架柱為斜柱。

2）為縮小核心筒面積，達到最大的得房率指標，主要抗側力墻體沿著核心筒筒體周邊布置，并根據受力要求沿高度方向減薄墻體，使得中高區(qū)樓層得房率提高，也使得中高區(qū)地震反應效應減小。同時，主要抗側力墻體沿著核心筒筒體周邊布置也增加了筒體抗推、抗扭剛度，達到節(jié)約材料目的。

3）同理可得，盡量控制核心筒筒體內墻體厚度最小化，達到縮小核心筒面積。

（2）水平框架梁單元布置

1）標準層進行樓面梁布置，恰當安排各層梁板的走向，以便讓盡可能多的樓面重力直接傳遞到核心筒，加大其筒壁的豎向壓應力，以提高核心筒的受剪承載力和抵抗傾覆力矩的能力。

2）地下室頂板作為結構的嵌固部位，必須滿足受力和規(guī)范要求的強柱根原則，保證嵌固端梁承載力和剛度大于框架柱。為此，結合建筑圖，在首層設置截面較大的框架梁。

3）薄弱層進行樓面梁布置時，B1塔樓門廳二層及46、47層酒店大堂通高，二層樓板開洞超過50%且無拉梁，46、47層樓板也有開大洞現象。二層為整棟建筑的底部加強區(qū)，保證該部位結構構件受力性能穩(wěn)定和結構整體牢固性對整棟建筑的抗側體系尤為重要。為了增強對躍層柱的支撐作用，保證躍層柱整體穩(wěn)定性，本案采用型鋼混凝土梁約束鋼管混凝土柱并加大鋼骨梁截面，使其在大震下剛度不退化、保持彈性。

4）避難層進行樓面梁布置，B1塔沿高度方向存在三個層高為4.5米的避難層，層高相對上下相鄰層層高有突變，也即剛度存在突變；該層也作為設備轉換層，樓面荷載相對上下相鄰層較大，也即存在質量突變；鑒于此，適當加大避難層框架梁截面尺寸，加強避難層水平構件剛度，增強外框架柱和核心筒的連接，使結構剛度沿高度方向更加平滑。

（3）剪力墻開洞布置

框架-核心筒結構體系，需要重點強調核心筒的整體牢固性，讓核心筒在承受各方向作用效應下，其承載力和延性一枝獨秀，起到真正核心的作用。加強核心筒的整體牢固性也是區(qū)別框架剪力墻體系的關鍵。

本項目B1塔樓核心筒特點：核心筒平面大致呈等邊切角三角形，空間整體性較好。核心筒平面被低中區(qū)電梯前室、高區(qū)電梯前室剖分為三部分，電梯前室走向均為X方向，核心筒Y向剪力墻開洞較多，Y向筒體剛度較差；核心筒X向剪力墻未被建筑打斷開洞，X向剛度較好。

建筑專業(yè)公司和業(yè)主要求將建筑物各部位樓層使用凈高做到極致，對結構梁高提了很多限制條件。由于核心筒Y向筒體削弱較為嚴重，需加強Y向筒體剛度和承載力，在滿足建筑要求的前提下盡可能加強Y向筒體。由于X向墻體建筑專業(yè)公司幾乎未開洞，剪力墻呈整片設置，導致X向筒體剛度較大，導致X向墻體耗能能力和延性較差，為保證大震下核心筒墻體的安全性，需要在核心筒X向墻體設置性能優(yōu)良的耗能構件，無疑采用在剪力墻開結構洞的方式是比較理想的選擇。連梁的剛度退化既耗散了地震能量，也增加了結構阻尼，達到良好的力學效果和經濟效應。

3 抗震性能設計

3.1 SATWE軟件多遇地震作用下及風荷載作用下主要計算結果

工程為超限高層結構，因此采用了SATWE和MIDAS軟件進行整體計算分析，以保證分析的可靠性。表1給出了多遇地震作用下結構的反應譜法計算結果，兩種程序分析得出的結構反應特征、變化規(guī)律基本吻合，說明選用的程序對結構的空間分析能正確反映結構的內力和變形情況。

3.2 主樓Midas building彈性時程分析

用MIDAS Building進行結構的彈性動力時程分析，選用了一個人工波，即：5063-1波，兩條天然地震波，即：933BIGEAR.SBR_FN_波，2085NENANA.1734_FP_波；每條地震波均分別進行X向與Y向的加載計算。

主樓MIDAS Building彈性時程分析結果如表2所示。

由以上表的結果可見，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%，均滿足規(guī)范的要求。根據《高規(guī)》取三條時程曲線計算時，結構地震作用效應取時程法與振型分解反應譜法的大值。

表1 塔樓結構主要計算結果

表2 彈性時程分析結果

3.3 動力彈塑性時程分析

按抗震性能設計目標，工程進行了第三水準的大震彈塑性分析，以找出罕遇地震作用下的薄弱部位，對其采取加強措施，確定結構大震不倒的安全性，保證預期抗震性能目標的實現。彈塑性動力時程分析采用Midas building來完成，罕遇地震波由江西省地震局提供的兩組天然波和一組人工波，共三組地震波組成，即選用了一個人工波，即：502-2波，兩條天然地震波，即：737LOMAP.AGW_FP波，316WESTMORL.PTS_FP波；采用Midas building軟件進行了罕遇地震作用下的彈塑性時程分析。

國家規(guī)范《高規(guī)》JGJ3-2010第4.3.5條規(guī)定多組時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統(tǒng)計意義上相符。

按照《抗規(guī)》大震下性能4結構層間位移參考指標——結構不嚴重破壞，變形不大于0.9倍塑性變形值，即層間位移角不大于（0.9×1/100=1/111）。3條地震波結果表明結構抗震能力在大震下可以滿足性能目標4的要求。

罕遇地震彈塑性時程分析結論：該結構在大震下框架柱僅有輕微損傷，剪力墻墻身損壞輕微，連梁充分發(fā)揮了耗能作用，結構耗能及抗震耗能機制合理。

1）在考慮重力二階效應及大變形的條件下，結構在地震作用下的最大頂點位移為0.54m，并最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設防要求；

2）主體結構在各組地震波作用下的最大彈塑性層間位移角為1/199，結構的層間位移角曲線無明顯較大的突變，表明結構無明顯的薄弱層，滿足規(guī)范要求；

3）剪力墻中的連梁充分發(fā)揮了耗能作用。剪力墻損傷基本上集中在連梁上。剪力墻邊緣構件損傷輕微，充分地保護了剪力墻墻身安全；

4）在核心筒出現塑性剛度下降后，框架的承載力足夠，未出現明顯損傷，框架可以起到第二道防線的作用。