华电集团华中总部基地位于武汉长江一桥、二桥之间的武昌滨江商务区。项目总建筑面积35万m²,其中地上建筑面积26万m²,地下建筑面积9万m²。

　　 本工程地上分主楼、裙楼及附楼。主楼为“门”形超高层连体建筑,主楼屋面标高233.6m,标准层层高为4.2,4.4m,避难层(6,17,27,37,47层)层高为4.4,4.5,4.8,4.8,4.7m,地上共计54层,使用功能为办公,其中47～54层为连体;裙楼地上5层,功能为办公配套、会议中心,介于主楼南、北塔楼之间,为坡形,从入口广场至主楼背面,逐渐增高,最高处大屋面标高为24m;主楼东南面附楼地上6层,功能为办公,与主楼北塔及裙楼相接,大屋面标高为26m;主楼与裙楼及附楼均有4层地下室并连通,地下室功能为车库、设备用房和人防工程。裙楼、附楼与主楼地上通过设置防震缝分开。

　　 项目主楼总平面尺寸为66.0m×124.8m,南北塔平面尺寸均为66.0m×32.7m,连体平面尺寸为66.0m×63.7m;附楼为近似U形平面,三段长度分别为62.0,42.4,27.2m,宽度分别为13.1,17.1,16.6m;裙楼平面最大尺寸为61.9m×95.0m。主楼为框架-核心筒结构体系,裙楼和附楼采用框架结构体系。地下室平面为不规则多边形,最大尺寸为192.62m×161.85m。本工程整体效果及组成如图1、图2所示。

　　 本工程主要的自然条件如下:1)基本风压为0.35kN/m²(50年一遇),地面粗糙度为B类;2)基本雪压为0.50kN/m²(50年一遇);3)抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,场地类别为Ⅲ类,设计特征周期为0.45s,设计分组为第一组,地震作用参数按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[1]及《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015) ^[2]取用;4)基本气温最高值37℃,最低值-5℃ ^[3],极端最高气温为41.3℃,极端最低气温为-18.1℃。

　　 根据岩土工程勘察报告书 ^[4],本项目场地在地质构造上处于相对稳定地带,场地内主要地层分布连续,未发现全新活动断裂。未发现岩溶、滑坡、危岩崩塌、泥石流等不良地质作用。场地为基本稳定场地,场地适宜性定性分级为较适宜。

　　 场地主要土层包括:①₁杂填土,③₁粉质黏土,③₂粉质黏土,④淤泥质粉质黏土,⑤粉质黏土夹粉土、粉细砂,⑥₁粉细砂,⑥₂粉细砂,⑧₁强风化泥质砂岩,⑧₂中风化泥质砂岩。

　　 场地为抗震一般场地。本场地可不考虑砂土的液化及软土震陷问题。

　　 主体结构设计使用年限为50年;主楼建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),其余楼为标准设防类(丙类);主楼关键构件(核心筒外圈剪力墙、钢管混凝土框架柱、连体跨层钢桁架)安全等级为一级,其余构件均为二级。

　　 本工程主楼为超限高层建筑,需进行抗震性能设计及超限审查;根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[5](简称高规),主楼抗震性能目标定为C级。

　　 勘察报告建议:根据拟建建筑物结构和荷载特点,结合场地地质岩性构成,拟建主楼及裙楼均不能采用浅埋的天然地基,建议采用桩基础;因地下室埋深大(深度接近20m),邻近长江,抗浮水头高,建议采用钻孔灌注桩。

　　 基于勘察报告的建议,并复核验算基底荷载、水浮力等工况,最终采用桩筏基础:1)主楼范围内采用“大桩+厚筏板”,即采用直径1 000mm混凝土钻孔灌注桩(抗压),筏板厚度3.9m,为减少桩底沉渣,提高桩的承载力,采用桩端、桩侧联合后注浆技术。2)裙楼、附楼及纯地下室部分采用“小桩+薄筏板”,即采用直径800mm混凝土钻孔灌注桩(抗压兼抗拔),筏板厚度1.0m,采用桩端后注浆技术,在不满足柱冲切要求的区域,柱下设置了下柱墩。

　　 主楼的南、北塔楼基底面积小、荷载集中,在桩满布的情况下,单桩承载力仍高达12 000kN;为此,桩端进入⑧₂中风化泥质砂岩深达12m,预估施工难度较大。试桩结果表明,采用功率较大的旋挖钻机,在该岩层内的钻进速度能够达到1m/h以上,在施工工期允许的范围内。

　　 在上部建筑范围内的地下室,结构体系与上部建筑结构体系相同——框架-核心筒及框架结构;其余部分地下室采用混凝土框架结构体系。地下室外墙采用现浇混凝土墙。

　　 本工程地下室应进行抗浮设计,抗浮设计水位标高27.500m。如勘察报告所述,本工程地下室埋深大、邻近长江、抗浮水头高(将近20m),抗浮安全性要求高。故未采用抗浮锚杆,而选用变形小、耐久性好、可靠性更高的抗拔桩(兼作抗压桩)。主楼区域建筑自重能够平衡水浮力;裙楼及纯地下室区域的建筑自重不能平衡水浮力,通过设置抗拔桩平衡水浮力。

　　 本项目地下室埋深大、临近长江、靠近过江隧道,基坑安全极为重要;通过方案比选、专家评审后,基坑支护设计采用地下连续墙方案。基于此,考虑将地下室外墙与基坑支护地下连续墙合为一体,即采用两墙合一的方案。

　　 两墙合一方案与两墙分离方案对比:两墙合一要求地下连续墙嵌岩落底(墙底与桩基础进入同一持力层),地下连续墙满足50年使用年限的地下室外墙要求,地下连续墙外侧设置悬挂式三轴搅拌桩止水帷幕,地下室外墙取消,只做衬墙;两墙分离方案地下连续墙无需落底,只作为临时的支护墙体,地下连续墙外侧设置落底的TRD水泥土墙,地下室外墙正常做,外侧与地下连续墙之间需留设约1m的施工空间(肥槽)。

　　 对上述两个方案,从场地空间、经济性、工期等方面进行了详细测算、比选。结果表明:采用两墙合一方案,可以节约工程造价、增加地下室的净面积、略减小施工周期。

　　 本项目裙楼、附楼与主楼地上通过设置防震缝分开,如图3所示。裙楼、附楼结构相对简单,均采用钢筋混凝土框架结构,局部大跨处采用预应力结构,裙楼入口处及坡屋面采光带采用钢结构。本文以下重点介绍主楼的结构设计内容。

　　 主楼为超高层连体复杂建筑,根据建筑高度及平面布局,从经济、合理并满足建筑效果的角度出发,采用框架-核心筒结构体系。

　　 连体位于建筑顶部8层,跨度63.7m,底部距地面近200m;两塔楼整体X向高宽比8.1>7(规范限值),X向核心筒高宽比18.5>>12(规范限值),抗侧刚度弱。整个结构“头重脚轻腿细”,刚度差。“头重脚轻腿细”为建筑造型、布局所致,无法改变,只能采取措施增加刚度、控制重量,使结构方案成立。

　　 连体因跨度大、荷载大,故选择钢结构方案。大跨结构可选用的结构体系有桁架结构、斜拉结构、悬索结构等;其中斜拉结构与悬索结构仅能提供竖向承载力,不能提供水平抗侧刚度。本工程两塔楼X向刚度差,各自的刚重比不满足要求,需要将连体做成刚性连接,将两塔楼连为一个整体,类似“门式刚架”,提高结构整体抗侧刚度。故连体选择钢桁架结构。

　　 前期方案比选时,针对连体跨层钢桁架布置(立面网格),进行了不同方案的分析比选:小网格桁架(图4)、大网格桁架(图5)、空腹桁架(图6)。结果表明:空腹桁架方案用钢量过大、构件过大、刚度过小,不合理;小网格桁架方案和大网格桁架方案受力合理、用钢量相当;小网格桁架方案杆件较细、较密,视线遮挡略多(图7(a)),大网格桁架方案杆件较粗、较稀,视线遮挡略少(图7(b))。最后业主选择了大网格钢桁架方案。

　　 建筑效果要求桁架所占层数越少越好,故对桁架层数进行了比选。同等条件下,通过改变桁架层数,考察整体结构整体指标,结果如表1所示。由表1可见,增加连体跨层桁架的层数能够提高结构X向刚度,但当跨层桁架层数超过4层时,结构抗侧刚度提高不明显。连体跨层桁架层数取4层。

　　 塔楼X向整体高宽比大于7,尤其核心筒高宽比远超出规范限值,导致结构整体X向刚度偏弱,需采取措施增强塔楼抗侧刚度。有如下措施可供选择:1)增加X向墙厚;2)增大框架柱截面;3)增大框架梁截面;4)增大端框架梁截面;5)加密端框架柱;6)增设X向加强层(图8);7)增设跨层斜撑(图9)。

　　 对比分析基于“钢管混凝土柱+钢梁+钢筋混凝土核心筒+钢结构连体”模型,计算结构周期、层间位移角、刚重比等指标的同时统计钢材、混凝土增量。比选结果表明:1)增加X向墙厚对增大结构抗侧刚度效果不明显,核心筒高宽比过大,用增加墙厚的方法来加大结构侧向刚度不可取;2)增大框架柱截面不能明显提高结构抗侧刚度,因本结构框架梁截面相对框架柱较小,不能形成有效约束;3)增大框架梁截面能提高结构抗侧刚度;4)增大端框架梁截面能增加结构抗侧刚度;5)加密端框架柱能加大结构抗侧刚度,当端框架梁截面过小时加密端框架柱对提高结构抗侧刚度效果有限,加密端框架柱同时加大端框架梁截面,对整体的刚度提高更有效;6)设置X向加强层能有效提高结构抗侧刚度,加强层设置在结构的中上部比较有效;7)设置跨层大斜撑,对提高结构抗侧刚度效果明显,且大斜撑钢材用量仅500t。

　　 从效率(抗侧刚度提高程度)和成本(材料增加量)综合考虑,选用措施4)～7)。

　　 本项目主楼整体方案可考虑混凝土结构和混合结构两种。两种方案顶部8层连体均采用4层跨层钢桁架结构,均采用“增大端框架梁截面”和“加密端框架柱”措施。其中,混凝土方案若采用钢筋混凝土柱,柱截面过大,影响建筑空间,故采用圆钢管混凝土柱或钢骨混凝土柱;混合结构方案,另采取跨层斜撑或加强层的方案。最终形成如下4个比选方案。

　　 方案1:混凝土结构,钢筋混凝土核心筒+圆钢管混凝土柱+钢筋混凝土梁。

　　 方案2:混凝土结构,钢筋混凝土核心筒+钢骨混凝土柱+钢筋混凝土梁。

　　 方案3:混合结构,钢筋混凝土核心筒+圆钢管混凝土柱+钢梁+跨层斜撑。

　　 方案4:混合结构,钢筋混凝土核心筒+圆钢管混凝土柱+钢梁+加强层(伸臂及腰桁架)。

　　 对上述4个方案,进行对比计算,计算时均未考虑地下室,也未考虑建筑、设备详细要求,直接利用软件计算结果进行结构的技术指标和经济指标对比,再进行综合比选,结果见表2。

　　 由表2可知,若采用混凝土结构方案,优选方案1;若采用混合结构方案,优选方案3;优先考虑造价,可选方案1;优先考虑工期,可选方案3;为提高抗震性能,可选择方案3;为提高绿色建筑评分,可选择方案3。最终,业主选择了混合结构方案,但从立面效果考虑不希望出现大斜撑,故采用方案4。

　　 主楼为带加强层和连体的复杂高层建筑结构,由钢筋混凝土核心筒、圆钢管混凝土柱、钢梁、加强层(伸臂及腰桁架)、连体巨型跨层桁架以及钢筋混凝土楼板组成,结构平面布置见图10,抗侧力体系如图11所示。自下而上,圆钢管混凝土柱直径由1.2m逐步缩小为0.9m,核心筒外墙厚由1.0m减小为0.6m,内墙由0.6m减小为0.2m;钢梁主要截面高度为900(外框钢梁)及600mm。

　　 核心筒角部及内外墙相交处内埋型钢以增加核心筒的延性,底部两层的核心筒角部外墙、与跨层桁架相连的内墙等采用钢板剪力墙,提高墙体抗弯及抗剪承载力。在27层及37层的设备/避难层设置伸臂桁架及腰桁架(图12)来控制及减小结构层间位移;伸臂桁架将核心筒与外框架柱有效地连接在一起,改善结构的性能,增加结构的抗侧刚度;伸臂桁架与内置于核心筒角部的型钢柱相连;为了保证伸臂桁架传力的连续性,伸臂桁架的弦杆及腹杆均贯穿核心筒。

　　 主楼47～54层为连体,跨度63.7m。连体47～50层设置四榀巨型跨层桁架,作为连体的主要的承重及抗侧力构件(图13)。外侧两榀跨层桁架由外框架柱、巨型斜撑构成;内侧两榀跨层桁架由竖腹杆、巨型斜撑及核心筒构成。巨型桁架与内置于核心筒的型钢柱相连,为了保证巨型桁架传力的连续性,巨型桁架的弦杆通过钢骨暗梁贯穿核心筒。另外,在47层避难层左右两端设置整层高的腰桁架,在连体跨中设置4榀整层高的承重桁架(图14)。

　　 核心筒内楼板采用普通钢筋混凝土现浇楼板,核心筒外采用钢筋桁架楼承板。

　　 为减小构件截面、降低结构自重,尽可能采用高强材料。钢管柱内和剪力墙采用C60混凝土;钢材普遍采用Q345GJC,加强层伸臂桁架和连体层巨型跨层桁架采用了Q460GJC钢材。

　　 对伸臂桁架、连体跨层桁架受力大、构造复杂的关键节点,进行了有限元分析。根据分析结果调整节点钢板厚度,使关键节点满足如下性能目标:大震下,除局部应力集中部位的材料发生屈服外,节点整体上保持弹性。

　　 以巨型跨层桁架下弦连接节点为例,该节点处斜腹杆的轴力最大,有限元模型见图15。大震作用下,钢材(Q460GJC钢材)最大应力为443.4MPa,最大塑性应变为1.746×10^-3,塑性应变比为0.69,主要集中在节点板与斜腹杆相交的应力集中部位,其余钢材均处于弹性状态(图16)。

　　 主楼高233.6m,超过6度区混合结构高度限值220m;同时存在楼板不连续、刚度突变、构件间断、承载力突变以及局部不规则共五项不规则;属于高度超限且规则性超限的超限高层建筑。对其进行了抗震性能设计(性能目标为C级),并通过了超限审查,具体抗震性能设计见文献[6]。

　　 高规 ^[5]4.2.7条规定,房屋高度超过200m时宜进行风洞试验,主楼不仅高度超过200m,且为体型不常规的“门”形建筑,因此,业主委托专业单位进行了风洞试验 ^[7]。模型(图17)比例1∶300,同时模拟了项目周围375m范围内主要建筑的外形,测点数510个,进行了24个风向角的试验。

　　 根据风洞试验报告,分别取每个风向角(共计24组)50年重现期等效风荷载数据,采用设计软件SATWE进行计算,并将计算结果与规范风荷载下的计算结果进行对比,结果见图18。

　　 结果表明:按风洞试验结果计算的结构层间位移角、基底剪力和倾覆力矩均小于按规范风荷载计算的相应结果,故结构风荷载作用下计算分析根据规范风荷载取值。

　　 另外,风荷载作用下结构最大层间位移角、基底剪力均小于多遇地震作用下的结果(表3),因此,风荷载非控制工况。

　　 采用PKPM SATWE软件进行了风荷载作用下结构的水平向舒适度验算,采用10年重现期风压0.25kN/m²,阻尼比采用0.02。计算结果表明,最大横风向顶点加速度为0.050m/s²,最大顺风向顶点加速度为0.035m/s²,均小于规范要求的办公建筑限值0.25m/s^{2 [5]}。

　　 主楼连体跨度约63m,竖向刚度较弱。采用MIDAS/Gen软件对结构连体楼盖进行自振特性分析。计算结果表明,前三阶竖向振动模态的频率分别为1.69,1.75,2.44Hz。一阶频率1.69Hz不满足高规中“不宜小于3Hz”的要求。为此,按照高规附录A进行补充验算:人行走引起的楼盖振动峰值加速度为0.008m/s²,满足高规要求的竖向加速度限值为0.07m/s²的要求。

　　 采用MIDAS/Gen软件对连体楼板进行舒适度时程分析。分析时人正常步行频率取2Hz,并考虑慢走、正常行走、快走3种工况。计算的最大峰值加速度为0.057m/s²(图19),满足规范0.07m/s²的限值要求。

　　 主楼上部连体未施工时,其南、北塔楼各自抗侧刚度较弱。为保证施工阶段塔楼的安全性,采用MIDAS/Gen软件进行施工阶段稳定计算,施工活荷载按每层1.5kN/m²考虑。

　　 线性屈曲分析荷载工况取“1.0结构自重+1.0施工活荷载”。经分析,第一阶屈曲系数为结构整体屈曲,屈曲系数17.395>10,满足整体屈曲的控制要求。当荷载工况取“1.0结构自重+1.0施工活荷载+1.0风荷载”进行线性屈曲分析时,屈曲模态、屈曲系数与荷载工况取“1.0结构自重+1.0施工活荷载”屈曲分析,相差不大,只是屈曲系数略为减小,第一阶屈曲系数为17.387。

　　 非线性分析荷载工况取“1.0结构自重+1.0施工活荷载”,采用一致缺陷模态法引入几何初始缺陷,最大缺陷值按层间位移角1/500取值,计算时考虑几何非线性。经计算,荷载系数为12,荷载系数大于5,施工阶段单塔整体稳定性满足要求。

　　 (1)本项目地下室采用两墙合一方案,节约工程造价、增加地下室使用空间、缩短施工周期,也保证了基坑安全。

　　 (2)地上主楼为复杂连体超限高层建筑,采用由“钢筋混凝土核心筒、圆钢管混凝土柱、钢梁、加强层(伸臂及腰桁架)、连体巨型跨层桁架以及钢筋混凝土楼板”组成的框架-核心筒混合结构。为达到结构安全和建筑效果的最佳平衡,连体跨层桁架取4层楼高,同时采用大网格桁架方案;桁架关键节点满足大震下整体保持弹性的性能要求。

　　 (3)风洞试验表明,按风洞试验结果计算的结构响应小于按规范风荷载计算的;风荷载非控制工况,地震作用为控制工况。

　　 (4)连体大跨楼盖竖向刚度虽较弱,其竖向加速度仍能满足办公建筑的要求。在连体形成之前,单塔刚重比较小,但仍满足施工阶段的稳定性要求。