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一、 工程概况：
本工程位于江苏省南通市。整个工程包括一栋220.35米高52层办公楼、一栋185米高48层酒店、一栋独立的6层会议中心、酒店与办公楼之间的6层酒店配套设施用房以及酒店北侧的6层展厅单体组成；整个工程由三层地下室连成一体。
本文主要介绍办公楼的设计过程。办公楼为框架核心筒结构，核心筒均为混凝土，外围框架1～29层为钢骨混凝土柱，30～屋顶为钢筋混凝土柱，核心筒与外围框架柱之间均采用钢筋混凝土梁连接，楼板均采用钢筋混凝土现浇板。办公楼建筑面积为81850平方米；结构高度为220.35米，建筑外立面幕墙高239米，52层、椭圆形塔楼，建筑功能为6层以下为办公服务和商业为主，其他各标准层均为办公。
二、 工程超限情况：
本工程位于江苏省南通市，按《建筑抗震设计规范（2008年版）》附录A中的规定，南通基本设防烈度为六度，但根据江苏省地震工程研究院编制的《南通熔盛大厦工程场地地震安全性评价报告》，本工程实际按七度抗震设防，设计基本地震加速度值为0.101g；水平地震影响系数最大值αmax＝0.095。根据《高层建筑技术规程》§4.2.2中表4.2.2－2关于高层建筑最大适用高度的规定本工程最大适用高度180米，而实际结构高度超过220米，高度超限22.2％。
结构高宽比为220.35/38.875=5.67，没有超过《高层建筑技术规程》§4.2.3中7度抗震时A级高度的最大高宽比6的规定。但本工程核心筒外包尺寸为13.2×34.9米，核心筒高宽比为220.35/13.2=16.69，超过超过《高层建筑技术规程》§9.2.1中关于框架核心筒体系结构的核心筒高宽比不宜大于12的规定，故本工程必须采用增强结构整体刚度的措施。
二层由于部分楼板缺失，在偶然偏心地震作用下最大扭转位移比为1.24（X向）和1.10（Y向），其余层最大位移比为1.23(X向)和1.10（Y向），超出《高层建筑技术规程》§4.3.5中关于B级高度高层建筑位移比的规定，平面稍有不规则情况。
二层楼板缺失面积约为22％，虽没有超过《高层建筑技术规程》§4.3.6中关于楼板削弱不超过30％的规定，但本工程外框架共16跨，外框柱共16根，二层楼板开洞造成外框共7跨外框架梁缺失，占总数的43.75％；外框柱与核心筒之间共5根框架梁缺失，占总数的31.25%，仍应看作是平面不规则。
三、 上部结构设计及分析：
上部结构选型设计：本工程结构高度220米，按7度抗震设防，结构材料用钢－混凝土混合结构最为可行，核心筒采用钢筋混凝土材料，为减小断面并考虑经济性，结构中部以下柱采用型钢混凝土柱，上部楼层采用钢筋混凝土柱，加强层桁架均采用钢结构体系，为保证加强桁架与框架柱、核心筒墙可靠连接，在加强层上下三层范围内核心筒、框架柱内均埋设型钢。楼层框架梁采用钢筋混凝土梁，钢筋混凝土现浇楼板。就结构整体而言，更接近钢筋混凝土结构体系。
本工程平面为椭圆形，立面除北侧从34层开始边柱逐层内收外，立面没有其他突变情形，结构层高底层为5米，13、28、43层技术层层高均为5.2米，其余标准层均为4.2米，建筑方案最适合采用框架核心筒结构体系。核心筒平面尺寸为13.2×34.9米，X方向核心筒高宽比为16.69，Y方向核心筒高宽比为6.31，明显X方向刚度弱，因此控制结构X方向的整体刚度是本工程设计的关键，在方案比选时以X方向结构位移角为核心对比参数。因结构高度超规范限值較多，虽结构整体高宽比能满足7度时结构高宽比限值6的要求，但因核心筒高宽比太大，抗弯刚度明显不足，因此需要利用建筑技术层设置加强层加强结构X方向整体刚度。我们做了五个对比方案进行对比：
表1结构方案对比
方案 结构方案描述 第一周期 X风载最大位移角 X地震最大位移角 刚重比
方案一 不设加强层 6.8782 1/546 1/561 1.42
方案二 第13层设四榀伸臂桁架和周边带状桁架 6.4972 1/574 1/569 1.61
方案三 第28层设四榀伸臂桁架和周边带状桁架 6.2895 1/630 1/599 1.63
方案四 第43层设四榀伸臂桁架和周边带状桁架 6.5390 1/622 1/635 1.59
方案五 第28、43层设带状桁架，不设伸臂桁架 6.5906 1/608 1/607 1.54
注：根据《高层建筑技术规程》§4.6.3条，高度220米的高层建筑楼层最大位移与层高之比的限值应为1/565（0.00177）。
从表1以及图2、3可以看出，本工程在风载以及地震作用下的结构位移效应基本相近，当结构刚度偏小时风载位移效应大，当结构刚度增大时，地震位移效应大。对结构地震以及风载效应同时进行对比分析，不设加强层的方案一位移不能满足《高层建筑技术规程》§4.6.3条的要求，方案二～四均满足。方案二～四均设四榀伸臂桁架和周边带状桁架，加强层用钢量完全相同，但对结构的加强效果不一样：（方案二）加强层设置在结构中部第28层时，结构整体刚度最大，整体位移最小，但结构位移角在结构顶部楼层较大。（方案三）加强层设置在结构下部第13层时，110米以下结构位移效应较小外，但110米以上结构位移效应均偏大。（方案四）加强层设置在结构上部第43层时， 156米以下结构位移效应偏大，156米以上结构位移效应最小。
方案五为在28、43层设置带状桁架，减少外围框架柱的“剪力滞后”效应的影响，但对外框柱与核心筒之间的连接没有贡献，设带状加强层对结构整体加强效果不是最明显，但使结构位移效应减小到合理范围内，结构位移角突变更小，说明方案五比其他加强层方案更合理。
结构分析：本工程分析软件选用PKPM系列的SATWE模块，用ETABS进行复核，其中加强层桁架以及斜柱等受力状态复杂的杆件设计主要以ETABS计算结果进行设计。当使用SATWE进行结构分析时，因为本结构含有斜柱、桁架等构件，结构刚度取剪弯刚度算法，结构在底层、技术层层高均比较大，底层框架梁缺失较多，造成结构薄弱层产生，为此通过试算调整，使上述楼层处结构竖向构件截面合理减小，使结构刚度满足规范要求，实际设计时适当加强这些楼层的竖向构件设计。
本工程有三层地下室，判断结构嵌固部位很重要，直接关系到结构底部塑性铰产生的部位，决定整个结构的概念设计以及分析模型的选择。从概念设计的角度：三层地下结构，其中地下二、三层均有人防分区，但地下二层有较大面积的楼板缺失，不宜作为结构的嵌固部位。考虑本工程在三层大底盘地下室上有两栋超高层塔楼，三栋多层建筑，应将大底盘的所有上部结构底部的嵌固部位设计在地下室顶板为宜，使水平地震作用下结构在地下室顶板以上顶部位出现塑性铰，从而使各塔楼之间在地下室范围内相对水平位移减小，多塔效应减弱，结构分析时可以以各个单体模型进行分析，而地下室的多塔效应按概念设计适当加强水平构件的设计。这就要求加强各塔楼地下室抗侧刚度，使各塔楼在单体模型中满足地下室顶板嵌固的刚度比要求。
PKPM系列的SATWE模块对于地下室顶板嵌固有多种模拟方式：第一种是结构模型不将地下室考虑进去；第二种是将地下室部分的回填土对地下室约束相对刚度比填0～5之间的参数，模拟回填土对地下室的约束作用；第三种是将回填土对地下室约束相对刚度比填－N（N为地下室的层数），模拟结构在第N层顶嵌固。这里就有以那种方式模拟结构嵌固部位更合理，上部结构设计的配筋值以那个模型更合理的问题。本工程按带1～3层地下室和不带地下室等四种模型进行了对比分析（结构方案为表1中的方案五，计算时带N层地下室模型回填土对地下室约束相对刚度比填－N），结果比较如下：
表2 分析模型对比
模型描述 第一周期T1 第二周期T2 第三周期T3 X向最大风载位移角 X向最大地震位移角 刚重比 备注
带三层地下室模型1 6.5906 5.3075 3.8302 1/ 608 1/ 607 1.54 结构刚度最小，水平位移最大，构件配筋结果最大
带二层地下室模型2 6.5455 5.2758 3.8017 1/ 613 1/ 611 1.63 结构刚度比较小，水平位移比较大，构件配筋结果比较大
带一层地下室模型3 6.4147 5.2289 3.7726 1/ 629 1/ 621 1.74 结构刚度比较大，水平位移比较小，构件配筋结果比较小
不带地下室模型4 6.2487 5.1564 3.7139 1/ 652 1/ 636 2.00 结构刚度最大，水平位移最小，构件配筋结果最小
根据上面的计算结果可以看出：总高220米（52层）的办公楼，带单层地下室（总深11.6米），以地下室的不同部位为结构的嵌固部位进行计算分析，得出的结构整体计算结构有比较大的差异，随着分析模型由基础～地下室顶板的不同层面为结构嵌固部位，结构周期由长变短，结构刚度由小变大，位移角由小变大，刚重比由小变大；因为随着分析模型的變化，结构位移反应变小，因而构件内力、配筋均有所减少。笔者认为进行基础、地下室、以及上部结构的承载力极限状态和正常使用极限状态计算时取模型1比较合理，在满足《建筑抗震设计规范》§6.1.14条地下室顶板嵌固条件的前提下，结构整体位移以及刚重比计算应取模型4的计算结果更为合理。实际结构在水平力作用下的作用效应应在模型1和模型4的计算结果之间，如果场地土对地下室的挤压作用越强、地下室刚度相对于建筑首层的刚度比越大，那么结构分析模型应越接近模型4的情形，反之亦然。本工程在进行设计时已经使地下室与首层的剪切刚度比大于2，结构的整体反应接近模型4的结果，进行基础、地下室结构设计时显然应用模型1的结果，上部结构采用模型1的计算结果是偏于安全的。因模型1～3均带地下室，而实际水平力作用下地下室的位移反应极小，而这些模型只是强制地下室水平位移反应接近0，但将地下室带在分析模型中导致整个结构刚度比实际小，因此笔者认为结构整体的位移反应取模型4更为合理。
四、 结论及建议：
1、 超高层结构应合理选择加强层，在可能的加强层方案下进行结构方案对比分析，选择最优方案。在满足规范刚度、位移要求的前提下，采用有限加强带状加强层更优，刚度突变小。
2、 采用SATWE分析结构整体刚重比、位移反应同计算模型嵌固部位的选择有很大的关系，选择结构内力配筋等情况时，应按带实际几层地下室的模型分析；但当计算结构整体控制指标时，应以概念设计确定的结构嵌固部位进行分析。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
本工程位于江苏省南通市。整个工程包括一栋220.35米高52层办公楼、一栋185米高48层酒店、一栋独立的6层会议中心、酒店与办公楼之间的6层酒店配套设施用房以及酒店北侧的6层展厅单体组成；整个工程由三层地下室连成一体。
本文主要介绍办公楼的设计过程。办公楼为框架核心筒结构，核心筒均为混凝土，外围框架1～29层为钢骨混凝土柱，30～屋顶为钢筋混凝土柱，核心筒与外围框架柱之间均采用钢筋混凝土梁连接，楼板均采用钢筋混凝土现浇板。办公楼建筑面积为81850平方米；结构高度为220.35米，建筑外立面幕墙高239米，52层、椭圆形塔楼，建筑功能为6层以下为办公服务和商业为主，其他各标准层均为办公。
二、 工程超限情况：
本工程位于江苏省南通市，按《建筑抗震设计规范（2008年版）》附录A中的规定，南通基本设防烈度为六度，但根据江苏省地震工程研究院编制的《南通熔盛大厦工程场地地震安全性评价报告》，本工程实际按七度抗震设防，设计基本地震加速度值为0.101g；水平地震影响系数最大值αmax＝0.095。根据《高层建筑技术规程》§4.2.2中表4.2.2－2关于高层建筑最大适用高度的规定本工程最大适用高度180米，而实际结构高度超过220米，高度超限22.2％。
结构高宽比为220.35/38.875=5.67，没有超过《高层建筑技术规程》§4.2.3中7度抗震时A级高度的最大高宽比6的规定。但本工程核心筒外包尺寸为13.2×34.9米，核心筒高宽比为220.35/13.2=16.69，超过超过《高层建筑技术规程》§9.2.1中关于框架核心筒体系结构的核心筒高宽比不宜大于12的规定，故本工程必须采用增强结构整体刚度的措施。
二层由于部分楼板缺失，在偶然偏心地震作用下最大扭转位移比为1.24（X向）和1.10（Y向），其余层最大位移比为1.23(X向)和1.10（Y向），超出《高层建筑技术规程》§4.3.5中关于B级高度高层建筑位移比的规定，平面稍有不规则情况。
二层楼板缺失面积约为22％，虽没有超过《高层建筑技术规程》§4.3.6中关于楼板削弱不超过30％的规定，但本工程外框架共16跨，外框柱共16根，二层楼板开洞造成外框共7跨外框架梁缺失，占总数的43.75％；外框柱与核心筒之间共5根框架梁缺失，占总数的31.25%，仍应看作是平面不规则。
三、 上部结构设计及分析：
上部结构选型设计：本工程结构高度220米，按7度抗震设防，结构材料用钢－混凝土混合结构最为可行，核心筒采用钢筋混凝土材料，为减小断面并考虑经济性，结构中部以下柱采用型钢混凝土柱，上部楼层采用钢筋混凝土柱，加强层桁架均采用钢结构体系，为保证加强桁架与框架柱、核心筒墙可靠连接，在加强层上下三层范围内核心筒、框架柱内均埋设型钢。楼层框架梁采用钢筋混凝土梁，钢筋混凝土现浇楼板。就结构整体而言，更接近钢筋混凝土结构体系。
本工程平面为椭圆形，立面除北侧从34层开始边柱逐层内收外，立面没有其他突变情形，结构层高底层为5米，13、28、43层技术层层高均为5.2米，其余标准层均为4.2米，建筑方案最适合采用框架核心筒结构体系。核心筒平面尺寸为13.2×34.9米，X方向核心筒高宽比为16.69，Y方向核心筒高宽比为6.31，明显X方向刚度弱，因此控制结构X方向的整体刚度是本工程设计的关键，在方案比选时以X方向结构位移角为核心对比参数。因结构高度超规范限值較多，虽结构整体高宽比能满足7度时结构高宽比限值6的要求，但因核心筒高宽比太大，抗弯刚度明显不足，因此需要利用建筑技术层设置加强层加强结构X方向整体刚度。我们做了五个对比方案进行对比：
表1结构方案对比
方案 结构方案描述 第一周期 X风载最大位移角 X地震最大位移角 刚重比
方案一 不设加强层 6.8782 1/546 1/561 1.42
方案二 第13层设四榀伸臂桁架和周边带状桁架 6.4972 1/574 1/569 1.61
方案三 第28层设四榀伸臂桁架和周边带状桁架 6.2895 1/630 1/599 1.63
方案四 第43层设四榀伸臂桁架和周边带状桁架 6.5390 1/622 1/635 1.59
方案五 第28、43层设带状桁架，不设伸臂桁架 6.5906 1/608 1/607 1.54
注：根据《高层建筑技术规程》§4.6.3条，高度220米的高层建筑楼层最大位移与层高之比的限值应为1/565（0.00177）。
从表1以及图2、3可以看出，本工程在风载以及地震作用下的结构位移效应基本相近，当结构刚度偏小时风载位移效应大，当结构刚度增大时，地震位移效应大。对结构地震以及风载效应同时进行对比分析，不设加强层的方案一位移不能满足《高层建筑技术规程》§4.6.3条的要求，方案二～四均满足。方案二～四均设四榀伸臂桁架和周边带状桁架，加强层用钢量完全相同，但对结构的加强效果不一样：（方案二）加强层设置在结构中部第28层时，结构整体刚度最大，整体位移最小，但结构位移角在结构顶部楼层较大。（方案三）加强层设置在结构下部第13层时，110米以下结构位移效应较小外，但110米以上结构位移效应均偏大。（方案四）加强层设置在结构上部第43层时， 156米以下结构位移效应偏大，156米以上结构位移效应最小。
方案五为在28、43层设置带状桁架，减少外围框架柱的“剪力滞后”效应的影响，但对外框柱与核心筒之间的连接没有贡献，设带状加强层对结构整体加强效果不是最明显，但使结构位移效应减小到合理范围内，结构位移角突变更小，说明方案五比其他加强层方案更合理。
结构分析：本工程分析软件选用PKPM系列的SATWE模块，用ETABS进行复核，其中加强层桁架以及斜柱等受力状态复杂的杆件设计主要以ETABS计算结果进行设计。当使用SATWE进行结构分析时，因为本结构含有斜柱、桁架等构件，结构刚度取剪弯刚度算法，结构在底层、技术层层高均比较大，底层框架梁缺失较多，造成结构薄弱层产生，为此通过试算调整，使上述楼层处结构竖向构件截面合理减小，使结构刚度满足规范要求，实际设计时适当加强这些楼层的竖向构件设计。
本工程有三层地下室，判断结构嵌固部位很重要，直接关系到结构底部塑性铰产生的部位，决定整个结构的概念设计以及分析模型的选择。从概念设计的角度：三层地下结构，其中地下二、三层均有人防分区，但地下二层有较大面积的楼板缺失，不宜作为结构的嵌固部位。考虑本工程在三层大底盘地下室上有两栋超高层塔楼，三栋多层建筑，应将大底盘的所有上部结构底部的嵌固部位设计在地下室顶板为宜，使水平地震作用下结构在地下室顶板以上顶部位出现塑性铰，从而使各塔楼之间在地下室范围内相对水平位移减小，多塔效应减弱，结构分析时可以以各个单体模型进行分析，而地下室的多塔效应按概念设计适当加强水平构件的设计。这就要求加强各塔楼地下室抗侧刚度，使各塔楼在单体模型中满足地下室顶板嵌固的刚度比要求。
PKPM系列的SATWE模块对于地下室顶板嵌固有多种模拟方式：第一种是结构模型不将地下室考虑进去；第二种是将地下室部分的回填土对地下室约束相对刚度比填0～5之间的参数，模拟回填土对地下室的约束作用；第三种是将回填土对地下室约束相对刚度比填－N（N为地下室的层数），模拟结构在第N层顶嵌固。这里就有以那种方式模拟结构嵌固部位更合理，上部结构设计的配筋值以那个模型更合理的问题。本工程按带1～3层地下室和不带地下室等四种模型进行了对比分析（结构方案为表1中的方案五，计算时带N层地下室模型回填土对地下室约束相对刚度比填－N），结果比较如下：
表2 分析模型对比
模型描述 第一周期T1 第二周期T2 第三周期T3 X向最大风载位移角 X向最大地震位移角 刚重比 备注
带三层地下室模型1 6.5906 5.3075 3.8302 1/ 608 1/ 607 1.54 结构刚度最小，水平位移最大，构件配筋结果最大
带二层地下室模型2 6.5455 5.2758 3.8017 1/ 613 1/ 611 1.63 结构刚度比较小，水平位移比较大，构件配筋结果比较大
带一层地下室模型3 6.4147 5.2289 3.7726 1/ 629 1/ 621 1.74 结构刚度比较大，水平位移比较小，构件配筋结果比较小
不带地下室模型4 6.2487 5.1564 3.7139 1/ 652 1/ 636 2.00 结构刚度最大，水平位移最小，构件配筋结果最小
根据上面的计算结果可以看出：总高220米（52层）的办公楼，带单层地下室（总深11.6米），以地下室的不同部位为结构的嵌固部位进行计算分析，得出的结构整体计算结构有比较大的差异，随着分析模型由基础～地下室顶板的不同层面为结构嵌固部位，结构周期由长变短，结构刚度由小变大，位移角由小变大，刚重比由小变大；因为随着分析模型的變化，结构位移反应变小，因而构件内力、配筋均有所减少。笔者认为进行基础、地下室、以及上部结构的承载力极限状态和正常使用极限状态计算时取模型1比较合理，在满足《建筑抗震设计规范》§6.1.14条地下室顶板嵌固条件的前提下，结构整体位移以及刚重比计算应取模型4的计算结果更为合理。实际结构在水平力作用下的作用效应应在模型1和模型4的计算结果之间，如果场地土对地下室的挤压作用越强、地下室刚度相对于建筑首层的刚度比越大，那么结构分析模型应越接近模型4的情形，反之亦然。本工程在进行设计时已经使地下室与首层的剪切刚度比大于2，结构的整体反应接近模型4的结果，进行基础、地下室结构设计时显然应用模型1的结果，上部结构采用模型1的计算结果是偏于安全的。因模型1～3均带地下室，而实际水平力作用下地下室的位移反应极小，而这些模型只是强制地下室水平位移反应接近0，但将地下室带在分析模型中导致整个结构刚度比实际小，因此笔者认为结构整体的位移反应取模型4更为合理。
四、 结论及建议：
1、 超高层结构应合理选择加强层，在可能的加强层方案下进行结构方案对比分析，选择最优方案。在满足规范刚度、位移要求的前提下，采用有限加强带状加强层更优，刚度突变小。
2、 采用SATWE分析结构整体刚重比、位移反应同计算模型嵌固部位的选择有很大的关系，选择结构内力配筋等情况时，应按带实际几层地下室的模型分析；但当计算结构整体控制指标时，应以概念设计确定的结构嵌固部位进行分析。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。