哈尔滨市建筑设计院 黑龙江省哈尔滨市 150010
摘要：一栋总高度为416米、共86层的超高层建筑在第63层和第79层被接纳。首先介绍结构布置和结构体系，然后对结构超限进行分析判断，并采取相应的加固措施，提出设计性能目标。然后，给出了结构弹性分析的主要结果。根据本工程不对称回缩的特点，进行了竖向荷载下的水平位移分析、回缩位置的剪力墙应力分析、扭转位移分析和顶部鞭梢效应分析，并采取了相应的加固措施。介绍了伸臂桁架和环梁桁架的布置、截面选择和节点设计。
关键词：超高层，立面不对称收进，超限，加强措施
1结构超限分析和性能目标
塔楼屋顶高度412.0米，超过适用于钢筋混凝土框架-钢筋混凝土核心筒的最大高度190米；扭转位移比1.28，大于1.2，构成扭转不平顺；楼层2、62、79缺失，楼层一个方向有效宽度小于50%，构成楼层不连续；62层以上，平面少了一个角，80层以上，平面只剩一个角，构成大小突变；62层转角柱采用环带桁架改造，布置2个支腿桁架+环带桁架，另有2个环带桁架形成构件间断；50层和77层有伸臂桁架或环带桁架，49层和76层与其上层的抗剪承载力比分别为0.70和0.75，小于0.8，构成抗剪承载力突变。有6项超过限制[3]。针对上述情况，从整体结构体系布置、加强计算分析、调整设计内力、提高重要构件延性等方面采取了相应措施，确保了本工程的安全性、可靠性和经济性。
根据《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3-2010），根据专家对超限检查的意见，综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构体系特点及超限情况、工程造价、震后损失及修复难度等多种因素，确定本工程的抗震性能目标。
本文采用损伤因子和塑性变形等参数来评价钢筋混凝土构件的性能，并在现行《高层建筑混凝土结构技术规范》对构件损伤程度描述的基础上，建立了各性能等级的量化参数。
2结构弹性分析的主要结果
PKPM2010SATWE模块，YJK1.8.2.3和ETABS16.1.0用于对比分析和部件设计。考虑扭转耦合，采用反应谱法进行抗震分析。计算中考虑了前60阶振型，周期折减系数为0.9，并分别考虑了偶然偏心、双向地震扭转效应和P效应的影响。在频繁地震下的弹性分析中，阻尼比为0.04；计算风荷载时，阻尼比为0.02。结构周期超过6s。参照南京紫峰、武汉中心、无锡码头等类似工程的经验，设计反应谱超过6s后变平，得到评审专家的认可。
本项目进行了风洞试验。风洞试验中考虑了顺风和侧风的风荷载。塔架X轴风荷载试验值沿顺风方向比计算值大18%，沿侧风方向比计算值小。Y轴风荷载的试验值在顺风方向比计算值大2%，在侧风方向比计算值小。考虑到建筑高度在400米以上，形状复杂，规范中的跨风向风荷载计算不适用于本工程，风洞试验考虑了跨风向风荷载，因此结构设计采用风洞试验结果。x方向倾覆力矩最大风向角为320°，y方向倾覆力矩最大风向角为50°。
3不对称分析
塔楼立面不对称回缩会导致结构在竖向荷载作用下产生水平变形，回缩时剪力墙产生较大应力，产生扭转效应和鞭状效应。下面将描述这些问题和对策。
3.1垂直荷载下的水平变形分析
竖向荷载作用下，竖向构件的压缩变形不同。考虑混凝土收缩徐变，施工模拟分析表明，施工两年后，X方向最大变形为96mm，Y方向最大变形为145mm。但在施工过程中，根据施工过程中的观测数据，施工到达该层时已经发生的水平变形会被调回来，该层以上的荷载引起的水平变形和该层施工后混凝土收缩徐变引起的变形都会发生。根据施工过程中的观测数据进行调整后，仍会发生的水平变形约为上述计算值的40% ~ 60%[4]。
为了减小竖向变形，在结构布置上根据竖向力选择合适的截面，使竖向构件的轴压比接近；在塔体设计中，群桩质心与上塔重心重合，减少不均匀沉降；在施工过程中，配合施工单位采取必要的反向预调整措施[5]。由于反向预设值难以准确计算和施工，需要注意的是，在穿越底层和顶层的消防电梯中，电梯井可能会发生轻微倾斜，需要预留一定的间隙，以避免电梯安装可能出现的困难。
3.2剪力墙后退时的应力分析
分析了57F~65F和77F~83F收缩位置墙体在竖向力和中等地震作用下的剪应力。根据计算结果，第一入口F61附近相关墙肢的H1剪应力和V4剪应力较小，与其他楼层相近。
地震作用下H2东侧墙肢顶部剪应力为2兆帕；V3墙肢南北两侧变形差异协调，厚度小，剪应力大。V3墙肢的最大剪应力在恒载下可达4兆帕，在Y向地震下可达6兆帕。设计中应加强高剪应力剪力墙和连梁的配筋，连梁应加钢骨。相关墙肢在第二次回缩时的应力较小，剪应力没有明显的突变。
3.3扭转效应分析
立面偏心回缩会造成一定的扭转效应。下面我们来考察一下扭转效应。上下楼层在回缩位置的位移连续变化，没有明显的楼层扭转和位移突变，说明虽然不对称标高回缩后结构会产生较大的扭转力，但核心筒仍然存在并处于闭合状态，因此结构具有足够的抗扭能力。
3.4顶鞭效应及对策
从80层到屋顶层，结构只保留右下角的平面，核心筒在拐角处偏移，会有一定的鞭梢效应和扭转效应，顶部楼层之间的位移角也较大。为减小鞭梢效应，结构层间位移角控制在1/500以内，86层设备层增加斜杆，增强顶层结构的抗侧刚度和抗扭刚度；收进后，楼板核心筒下侧剪力墙厚度由600mm增加到950mm，插入三层；中强地震计算中考虑了时程分析的剪切放大系数；根据大震弹塑性分析结果，在上下三层剪力墙的回缩位置增加1.5%~3.0%配筋率的钢肋。
4支腿环带桁架设计
本工程设置伸臂桁架和环梁桁架是根据建筑平面和立面布置特点采取的措施，用于增加结构刚度，满足规范对层间位移角和刚度重量比的要求[6]。伸臂桁架和腰桁架的内力很大，截面选择和节点设计是关键问题之一。参考类似工程的节点设计，从直接传力的角度出发，选择腹板为主要传力的箱形截面[7]。
典型伸臂桁架的弦截面为1200 × 400 × 100 × 20，斜腹杆为1100 × 400 × 100 × 20。典型腰桁架弦截面为900 × 500 × 60 × 20，斜腹截面为800 × 500 × 60 × 20，构件均采用Q420GJC。这些截面的特点是翼缘薄，腹板厚，即考虑到构件进入剪力墙时力主要通过腹板传递，剪力墙的外翼缘主要保持构件稳定在平面外，剪力墙的内翼缘需要间歇设置，以便于混凝土浇筑到构件中。支腿桁架施工时，应先采取临时固定措施，待上一个支腿桁架或结构封顶后，再最终固定下一个支腿桁架。
5结论
（1）根据建筑体型特点，超高层建筑选择了框架-核心筒-伸臂-环梁桁架结构体系。
（2）塔内有高度超限、扭转不规则、局部楼层不连续、尺寸突变、构件不连续、抗剪承载力突变等6个超限项目。针对超限情况，从整体结构体系布置、加强计算分析、提高重要构件延性等方面采取了相应措施。，并提出了相应的抗震设计性能指标。
（3）结构的周期、振型质量参数和系数、剪重比、刚度重量比、位移角等整体计算指标。，满足规范要求且在合理范围内。
（4）针对本工程立面的不对称回缩，进行了竖向荷载下的水平位移分析、回缩位置剪力墙的应力分析、扭转位移分析和鞭效应分析，并采取了相应的加固和应对措施。
（5）支腿和环梁桁架的合理布置、截面选择和节点设计保证了本工程的刚度和承载力。
（6）弹塑性分析结果表明，整个结构层间位移角在规范允许范围内，主要结构构件的损伤程度可控。
参考文献：
[1]华东建筑设计研究院有限公司，南京金融城二期东区该塔楼结构超限审查报告[D]，2017年11月。
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]刘晴云，闫锋，等.上海白玉兰广场超高层混合结构设计，建筑结构，2012，42（5）：83-86.DOI：10.19701/j.jzjg.2012.03.017.
[4]周建龙，闫锋.超高层结构竖向变形及差异问题分析与处理[J]，建筑结构，2007，37（5）：100-103.DOI：10.19701
[5]徐培福，复杂高层建筑结构设计[M]，北京：中国建筑工业出版社，2005年。