盛京金融广场项目位于辽宁省沈阳市和平区,T2塔楼地下4层,层高均为6m;地上64层,1,2层层高6m,3～6层、38～41层、63层、64层层高5.4m,7～37层、42～62层层高4.2m;结构主要屋面高度为298.89m,直升机停机坪高度为318.89m,平面尺寸为46m×46m。主楼高宽比为6.93,长宽比为1。主要屋面处核心筒高宽比为13.2,停机坪处核心筒高宽比为14.1。抗震设防烈度为7度,多遇地震下设计基本地震加速度值为41cm/s²,设计地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类,设计特征周期为0.38s。场地饱和砂土不液化,为建筑抗震有利地段。建筑抗震设防类别为标准设防类。结构体系采用方钢管混凝土柱框架+钢筋混凝土核心筒。

　　 建筑方案初期核心筒布置为内墙偏置(图2),由于结构不对称,振型分量明显(图3、表1),第1振型表现为近对角线方向的平动。审查专家指出以此振动方向统计出的X,Y向的结构内力及整体指标并非真实可信,且结构概念设计不合理。弹塑性分析 ^[1]表明:大震作用下随着连梁破坏、刚度降低,内墙偏置时角点位移不同步,其中上部楼层A点与B点(图2)的层间位移角相差近30%,结构具有扭转效应,见表2。为此核心筒调整为内墙对称布置,大震下核心筒角点位移趋于同步,A点与B点的层间位移角相差不大于10%,结构概念合理。

　　 X向核心筒高宽比为14.1,核心筒刚度稍弱,采用均匀外框架时,X向基本周期接近7s。X向底部不满足安评谱作用下楼层最小地震剪力系数的楼层数约为18层,大于总楼层数的20%(64×20%=13层),不满足规范最小地震剪力系数要求的楼层数较多。为此需增加结构整体刚度,可采用增加核心筒刚度或增加外框架刚度的措施。鉴于外框架承担剪力为基底剪力的8%～10%,二道防线柔弱,如采取增加筒体刚度,框架将难以形成二道设防体系,故采取增加外框架刚度方案。本项目对比分析了两种方案:1)环向桁架(又称虚拟伸臂 ^[2])方案,即在30层、40层、60层避难层设置环向桁架,如图4所示;2)有限刚度加强层 ^[3]方案,即在10层、20层、30层、40层、50层、60层共计6个避难层环向设置刚度较大环梁。

　　 环向桁架方案通过环向桁架协同框柱共同工作,能够增大结构力臂,结构效率较高。关键构件平面布置示意见图5,X向地震作用下柱C、墙A内力对比见图6,框架承担剪力与承担弯矩对比见图7。可以看出,采用环向桁架方案时基底框架柱承担的倾覆力矩百分比为30%,大于有限刚度加强层方案的24%。但是采用环向桁架方案时,框架柱剪力、弯矩、核心筒墙肢剪力在加强层处均具有较大的内力突变,如图7、图8所示。

　　 由表3可见,采取环向桁架方案与有限刚度加强层方案时结构整体指标相差不多,均能达到超限审查的性能要求。鉴于布置环向桁架对建筑功能有一定影响,并且框架柱、墙肢在加强层处均存在较大内力突变,本工程最终选用有限刚度加强层方案。

　　 依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)(简称高规)规定:高度超过300m的结构应由两个独立的单位进行弹塑性性能分析。大震作用下结构弹塑性性能分析表明:1)框架-核心筒结构中框架起着至关重要的二道防线作用;2)地震作用下亦可能发生类共振反应;3)应详细分析内筒与外框架之间大开洞楼板,以保证二者共同工作。

　　 核心筒外围的框架主要承受竖向荷载和按刚度分配的剪力,在中震和大震作用下随着核心筒刚度降低,外框架承担剪力相应有所增加 ^[4]。因此外框架应具有足够的承载力以保证在罕遇地震或极罕遇地震下形成二道抗震防线。本工程大震弹塑性分析表明:随着核心筒刚度退化,局部楼层框架剪力大幅提高,接近基底剪力的20%(约为弹性时的2倍),如图9所示。

　　 本工程设计阶段采取如下措施进行外框架-剪力墙力调整:框架柱剪力按底部地震剪力的20%与框架部分楼层地震剪力中最大值的1.5倍的二者较大值进行调整,框架梁按二者的较小值进行调整,高于现行高规的相关规定。弹塑性分析结果表明:大震作用下外框梁轻微进入塑形,框架柱基本处于弹性状态,具有良好的承载力,起到二道抗震防线的作用,保证结构大震不倒。

　　 地震动具有随机性,不可预测性,超出设防地震的大震时有发生。远场地区即使地面加速度不大,亦可能发生类共振反应,墨西哥地震就是典型的类共振引起的灾难 ^[5]。孙飞飞等 ^[6]通过地震波调幅方法获取用于激发结构类共振反应的地震波,并进行了一个56层的芯筒-刚臂结构类共振作用下的振动台试验,探讨了结构发生类共振反应时的结构性能。由于此方面的研究较少,超高层建筑如何考虑高阶振型类共振反应亟待解决。本工程选取了5条天然波、2条人工波进行结构弹塑性性能分析,发现结构薄弱环节。其中在L0031(主方向)/L0032(次方向)地震波作用下结构激发了二阶平动的类共振反应。为进一步对比分析,选取L0703(主方向)/L0704(次方向)地震波与L0031(主方向)/L0032(次方向)地震波作用下的反应进行比较,其主要分析结果如图10、表4所示。

　　 由图10、表4可见,虽然两条波作用下结构基底剪力趋于一致,但频谱特性差别较大,结构反应具有显著差异,其弹性顶点位移相差百分比23%,弹塑性顶点位移相差百分比近56%。L0703/L0704地震波频谱特性与规范反应谱趋于一致,大震时结构反应表现为结构顶点位移较大、结构底部墙肢混凝土塑性损伤较大(图11)。为此,在底部加强区核心筒剪力墙四角、大洞口的边缘、内外墙交接处均设置型钢,以抵抗大震作用下核心筒产生的拉力、延缓混凝土裂缝开展、增加抗剪能力、提高结构的延性。L0031/L0032地震波频谱特性在结构第2阶平动周期(1.60s)处具有明显的小峰值,其响应系数远大于规范反应谱,整体结构发生2阶平动的类共振反应。结构顶点位移较小、顶部墙体混凝土出现较大损伤图11)。为此,采取将核心筒四角型钢一直延伸至屋面,顶部损伤较大的墙肢设置约束边缘构件、提高分布筋配筋率等措施以确保结构在发生类共振反应时的安全。

　　 塔楼核心筒外由于设置电梯井道及设备管井,楼板开洞较大,楼板作为协调外框与核心筒共同工作的关键构件应确保大震下楼板不被拉坏。本工程标准层楼板厚度为120mm,有限刚度加强层处楼板厚度为150mm,楼板双层双向配筋率不小于0.2%。由弹塑性分析可知,楼板钢筋塑性应变较小,核心筒连梁处楼板塑性应变较大(图12)。42层设置空中大堂造成楼板缺失,为此在楼板缺失的外框柱之间设置刚度加大的钢梁,以传递水平力协同各竖向构件之间的共同工作。

　　 钢管混凝土柱具有优越的结构性能及施工方便性,在建筑领域中广泛使用 ^[7]。方钢管混凝土柱虽然约束效果不如圆钢管混凝土柱显著,但其具有节点形式简单、截面抗弯刚度大、稳定性能好、便于采取防火措施等诸多优点,故本工程采用方钢管混凝土柱。其地上部分钢管混凝土柱与地下型钢混凝土柱衔接设计、梁柱节点设计、钢管混凝土柱内构造为本工程设计的关键控制点。

　　 本工程主楼地上部分外框结构采用钢管混凝土柱+钢梁,主楼地下部分与地下室钢筋混凝土结构连为整体,故地下部分采用型钢混凝土柱+混凝土梁。在+0.000m处采取钢管混凝土柱向型钢混凝土柱转换,如图13所示。

　　 李国强 ^[8]在《多高层建筑钢结构设计》一书中对此转换节点过渡段构造措施、栓钉计算等做了简要介绍,但关于此过渡段的性能研究、设计准则等研究资料较少。本工程中此节点采取如下设计原则:1)下部十字形钢骨混凝土柱的抗弯承载力不小于钢管混凝土柱的抗弯承载力;2)下部十字形截面钢骨轴压承载力不小于上部钢管轴压承载力;3)过渡段栓钉抗剪承载力不小于十字形截面翼缘相对钢管翼缘截面削弱面积的承载力;4)十字形钢骨混凝土柱外包混凝土部分的轴压承载力亦不小于十字形截面翼缘相对钢管翼缘截面削弱面积的承载力。

　　 提取此过渡段在罕遇地震作用下的荷载组合进行细部有限元分析,结果表明,此过渡段在罕遇地震作用下保持弹性,未见混凝土与型钢屈服,如图14所示。

　　 本工程梁柱节点采用内隔板式传力路径,此前国内外研究人员对该节点的抗震性能已经进行了一定研究,但对其抗弯、抗剪受力机理的认识还值得深入研究。例如:《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159∶2004)中节点抗弯承载力相关系列公式中未考虑轴压作用对内隔板抗拉承载力的影响等。当方钢管混凝土柱受到轴压作用时,将产生横向变形,钢管混凝土柱中的隔板将对这种横向变形产生约束作用,这种约束作用会使内隔板产生拉力,从而使内隔板的抗拉承载力降低。聂建国院士进行了方钢管柱内隔板式节点的抗弯承载力研究,并考虑了轴压的影响,给出了相应计算方法 ^[9]。本工程采用文献[9]中计算方法对外框梁柱节点进行复核,其抗弯承载力计算结果约为规范计算结果的85%～90%。

　　 钢管混凝土柱如何保证钢管与混凝土共同工作是重中之重。曹万林等 ^[10]以北京中国尊大厦巨型柱为原型,进行了6个不同腔体构造措施1/4缩尺的矩形钢管混凝土柱轴压性能试验。结果表明:腔内设置栓钉后,可延缓构件后期性能退化,承载力提高效果不明显;腔内设置竖向加劲肋可分担轴力,延缓钢管屈曲,增强对混凝土的约束,提高构件刚度、承载力和延性;竖向加劲肋间设置拉结钢筋,极限荷载后可增强钢管对混凝土的约束,延缓钢管混凝土柱轴压性能退化;腔体内设置横隔板,其与钢管共同工作,可提高对混凝土的空间约束,显著提高柱的承载力,延缓其刚度退化,总耗能能力增强;腔体内设置钢筋骨架,可进一步加强对各钢筋笼内混凝土的约束,延缓柱在极限荷载后的性能退化,提高其延性。鉴于本工程方钢管柱截面较小,仅底部6层截面边长为1.6m,故采取竖向加劲肋+拉结板+横隔板的方案,以协同混凝土与钢管共同工作,提高钢管混凝土柱承载力及后期延性、耗能能力。

　　 (1)框架-核心筒结构中核心筒作为结构刚度的主要贡献者,其墙体布置应均匀对称。本工程弹塑性分析表明墙体不均匀布置时,结构扭转效应明显。结构设计时应避免核心筒墙体不均匀布置。

　　 (2)环向桁架可协同外框柱共同工作,提高结构效率,但在加强层处框架柱、剪力墙均存在较大的内力突变。在满足结构整体指标的条件下,选取避难层设置截面刚度较大的环梁形成有限刚度加强层方案,可有效减小构件内力突变。

　　 (3)罕遇地震下核心筒刚度退化严重,外框架-剪力墙力会激增,局部楼层框架剪力将达到基底剪力的20%。多遇地震下应保证外框分配剪力不宜过小,保证外框在罕遇地震作用下具有较大的承载力,并应对核心筒刚度退化严重的楼层采取加强措施。

　　 (4)高阶振型的类共振反应对结构中上部具有较大的破坏作用,应针对类共振反应明显的中上部楼层采取结构加强措施。结构地震安全性评价中如何考虑高阶振型的类共振影响有待进一步研究,亟待提出用于工程的地震评价准则。

　　 (5)《矩形钢管混凝土结构技术规程》(CECS159∶2004)内隔板节点的抗弯承载力公式未考虑轴压的影响。根据文献[9]考虑轴压作用影响时,节点抗弯承载力约为规范计算结果的85%～90%。