横琴国际交易广场项目位于珠海市横琴片区,总建筑面积约9.44万m²。地面以上为1栋35层的办公塔楼和1栋40层的公寓塔楼,两塔楼在底部1～5层通过商业裙楼相连,公寓楼顶部与办公楼29～31层之间设有2层总裁办公区连体。办公塔楼主屋面高度为176.20m,幕墙顶标高为188.20m;公寓塔楼主屋面高度为131.10m;连体屋面高度为151.70m。地面以下设有4层地下室。建筑效果图如图1所示,建筑平面示意图如图2,3所示。

　　 该项目邻近海边,部分角度属A类粗糙度,风荷载较大,50年重现期基本风压为0.85kPa,10年重现期基本风压为0.50kPa。抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第二组,设计基本地震加速度为0.10g,场地类别为Ⅲ类,地震动反应谱特征周期为0.55s。

　　 建筑体型和布置的特殊性给结构设计带来了很大挑战,主要体现在两个方面:1)两栋塔楼高度、平面尺寸、外形差距都较大,两栋楼的平面主轴方向还有45°的夹角,将这样两栋楼在高位相连,不符合连体结构两栋塔楼动力特性应相近的概念^[1,2],采用传统连体做法难以实现;2)两栋塔楼的核心筒尺寸都偏小、高宽比较大,办公楼核心筒高宽比达到16,公寓楼核心筒高宽比则超过25,公寓楼平面高宽比10.7亦大大超过规范限值6.0。同时地下1层层高7m(首层层高5.4m),无法实现首层嵌固,且本地区风荷载大但结构抗风刚度严重不足。

　　 针对上述难点,设计中采取双塔和单塔模型同时满足刚度和承载力要求的策略,先对两个单塔独立模型进行设计,再采用创新的半刚性连体结构,在尽量不增大刚度的前提下设计双塔连体结构,解决了连体结构刚度大且抗震性能较差的难题。

　　 针对两栋塔楼核心筒高宽比较大、抗侧刚度不足的问题,通过对剪力墙布置方案的分析对比,办公楼采用框架-核心筒结构体系,公寓楼则在核心筒外增加外伸剪力墙形成框架-剪力墙结构体系。两栋塔楼标准层结构平面示意如图4所示。

　　 由于核心筒尺寸太小,为提高结构抗侧刚度,唯一的方法是利用避难层设置多个加强层。以办公楼为例,分析发现,办公楼需要利用3个避难层(10,20,29层)来设置伸臂桁架和腰桁架,如图5(a)所示。伸臂桁架及腰桁架构件截面如表1所示。在设置加强层后,标准层以上大部分墙厚度可由1m减小为0.8m,风荷载下X向最大层间位移角为1/608,满足广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92—2013)的层间位移角限值要求。

　　 若在3个避难层都设置伸臂桁架和腰桁架,对建筑功能影响很大,施工也非常困难。在与业主和建筑师反复商议后,设计中取消了伸臂桁架和腰桁架,改为在3个避难层外圈设置钢筋混凝土空腹桁架,如图5(b)所示,空腹桁架构件截面如表1所示。该方案风荷载下X向最大层间位移角为1/598,基本满足规范层间位移角限值要求。取消伸臂桁架和腰桁架不仅有利于建筑布置和施工,对提高结构抗震性能也是有利的。在地震作用和风荷载下,空腹桁架加强层由于自身刚度较大,弯曲变形较小,可有效从外框柱向核心筒传递竖向剪力,使得外框柱与核心筒趋向按平截面假定的方式共同工作形成一个整体抗弯构件,从而大幅提高结构抗侧刚度;而在中震、大震作用下,空腹桁架又能较早屈服,避免加强层出现过大的刚度突变和应力集中,有效保护了加强层附近主体结构。受力上,空腹桁架设计为耗能构件,要求其先于主体结构屈服,且竖腹杆先于弦杆抗弯屈服,以达到抗震延性设计的要求。从图6可以看到,空腹桁架在避难层造成的刚度突变远小于伸臂桁架。从大震弹塑性分析的结果(图7)来看,部分空腹桁架弦杆和竖腹杆出现了轻微～轻度塑性应变(最大0.006),空腹桁架中的竖腹杆能较早屈服耗能。

　　 针对空腹桁架层框架柱变为极短柱后变形能力和耗能性能较差的特点,设计中为了防止脆性剪切破坏,不仅按中震抗剪弹性进行抗剪承载力验算,而且在构造上通过配置加密箍筋或型钢予以加强。

　　 连体平立面如图8,9所示。由于两栋塔楼的高度、体量、主轴方向相差都太大,且公寓塔楼在上部收进了40%,采用两端刚性连接的连体方案显然是不可取的。同样,由于风荷载大且结构高度超过150m,采用两端柔性连接的隔震方案会造成连体侧移过大,同样不可取。而一端固定一端滑动的方案(图10)则会在分缝后形成悬臂,不符合抗震概念且影响建筑立面。因此,传统的柔性和刚性连体方案在本项目都很难实现。

　　 如图9所示,公寓楼在35层以上由于外形要求平面收进,仅有约一半墙柱伸到连体层底部。同时公寓楼顶部避难层层高达到10.8m,抗侧刚度较小。这两个特点对于连体结构来说是非常不利的,但却为实现半刚性连接提供了很好的条件。

　　 如图11所示,最终采用的半刚性连体结构体系主要由钢支撑筒、2m高大跨转换钢梁、上部钢框架3部分组成。设计中利用公寓楼顶部10.8m高的避难层,设置了变形能力很强的钢支撑筒,通过其变形来协调两栋不等高塔楼的相对侧向变形,实现立面上的半刚性连接;同时,考虑到连体层平面总长度达到90m,在连体部分楼面两端与塔楼交界位置楼板上设置了100mm宽的防震缝,以减弱超长不对称平面的扭转和温度效应,实现平面上的半刚性连接。大震作用下连体上部钢框架层与办公楼相邻侧的最大相对位移为17mm,100mm宽防震缝可满足结构变形要求,连体与写字楼相邻一侧不会碰撞。支撑筒柱脚和转换钢梁立面详图如图12所示。

　　 公寓楼顶部钢支撑筒的存在对减小地震剪力非常重要。如表2所示,如果将钢支撑筒替换为普通剪力墙,则连体层的地震剪力将增大约35%,公寓楼顶部剪力墙在中震作用下就出现了不满足抗剪截面情况,且剪力墙越厚地震剪力越大。

　　 设计中也对钢支撑筒的截面敏感性进行了分析。钢支撑截面越大,对控制连体及塔楼的扭转越有利,但对降低层剪力及支座剪力就越不利(表3)。分析结果表明,大部分斜撑截面采用ϕ450×25可以取得刚度与构件内力上的平衡。

　　 半刚性连体的设计目标是要实现“似连非连”的效果,连体尽量不增加结构整体刚度。单塔与双塔整体模型周期及振型如图13所示。与单塔相比,半刚性连体基本没有改变两栋塔楼的平动特性,平动周期的变化很小。连体后办公塔楼的X向平动周期由5.01s变为4.76s,Y向平动周期由3.38s变为3.59s(与公寓塔楼沿对称轴平动混合);公寓塔楼沿对称轴平动周期由3.20s变为3.59s(与办公塔楼Y向平动混合)。连体后两栋塔楼的扭转周期则受到了一定抑制,办公塔楼单塔楼扭转周期为2.59s,公寓塔楼单塔楼扭转周期为1.69s,整体模型中明显的扭转周期在T₆=1.21s才出现。由表4可知,整体模型与单塔模型的扭转位移比非常接近,仅在连体转换层的扭转位移比达到1.25,表明连体并没有加剧两栋塔楼的扭转。

　　 为了分析连体引起的楼层地震剪力变化,设计中从小震模型提取了连体区域的楼层地震剪力来与单塔模型进行对比,连体区域的楼层编号如图14所示。

　　 由表5可看到,两栋塔楼的连体区域层地震剪力变化都比较均匀,无明显突变,各层地震剪力增大的幅度小于10%(公寓塔楼顶层由于单塔模型不含顶部连体,故整体模型顶层地震剪力要大于单塔模型),表明连体基本没有造成两栋塔楼的刚度突变。

　　 7度大震下连体区域构件损伤如图15所示。从大震弹塑性分析的结果来看,连体钢结构具有很好的抗震性能和变形能力,连体层楼板没有明显破坏,与连体相连的混凝土结构也能较容易实现大震不屈服的性能目标。

　　 (1)针对两栋塔楼核心筒高宽比较大、抗侧刚度不足的问题,设计中通过选取合适的结构体系和平面布局,加强层采用了钢筋混凝土空腹桁架代替传统伸臂桁架和腰桁架。既能简化施工,又能避免刚度突变,具有良好的抗震性能。

　　 (2)针对两栋塔楼高度和体型差异较大,传统刚性和柔性连接方案均无法实现的难题,采用了半刚性连体结构方案。这种连体结构体系基本不增加结构刚度,也不会造成地震力突变,同时建筑立面无需设缝,解决了传统不设缝刚性连体刚度越大地震力越大的难题。