贵阳国际金融中心位于贵州省贵阳市观山湖区, 一期项目总建筑面积约37.5万m²。地下5层, 底板面标高为-21.700m, 建筑面积约8.1万m²。地上建筑面积约29.4万m², 通过设置防震缝将建筑物分为4个独立的结构单元:1号楼、2号楼 (共54层) 、室外婚庆广场 (共1层) 、宴会厅裙楼 (共4层) 。本文主要论述1号楼的超限情况, 1号楼为目前贵阳市在建的最高建筑。1号楼建筑面积约19.0万m², 塔楼地上平面尺寸约50.8m×50.8m, 高宽比为7.38;核心筒平面尺寸为27.0m×26.4m, 高宽比为14.2。建筑高度为375.1m, 屋面上为水箱等设备用房, 不上人水箱屋面标高为388.7m, 外围幕墙顶标高为402m。1号楼地上79层, 其中1～4层为酒店宴会空间, 5～51层为办公功能 (层高4.5m) , 52～79层为酒店 (层高4.0m) 及配套设施, 共设置8个避难层 (分别在7, 17, 27, 37, 47, 56, 64, 73层) , 图1 (a) 为该项目的建筑效果图, 图1 (b) 为项目总平面图。

　　 本工程抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 抗震设防类别为乙类, 结构设计使用年限为50年, 主体结构耐久性为100年, 安全等级为一级, 地基基础设计等级为甲级。采用100年一遇的基本风压w₀为0.35kN/m², 地面粗糙度类别为C类, 体型系数取1.4, 其他系数按规范取值。

　　 外框架柱采用型钢混凝土柱、钢管叠合柱、钢管混凝土柱三种形式, 柱距为9.6m。钢管混凝土柱可在满足刚度要求下尽可能减小柱截面, 达到刚度与强度的平衡, 造价相对较省, 且有较高的延性。故1～57层外框架柱采用钢管混凝土柱, 抗震性能优良;为了适应建筑功能, 57～79层取消南面核心筒, 外围钢管混凝土柱转换为剪力墙。核心筒承受大部分的水平剪力和倾覆力矩, 核心筒剪力墙为主要的抗侧力构件。57层高位转换设置转换斜撑, 转换层及下层梁截面较大, 对结构起加强作用, 无需设置额外加强层便可满足结构要求。对原结构增设加强层, 与原结构对比发现, 增设加强层后结构指标并没有明显的提升。故采用带高位转换的钢管混凝土柱框架-混凝土核心筒结构体系, 不增设其他加强层。结构抗侧力体系见图2。

　　 钢管混凝土柱外直径为1 800～1 400mm, 钢管壁厚为35～25mm, 钢材的材质为Q345B, 钢管混凝土柱核心混凝土强度等级为C70～C45。地下室核心筒剪力墙外墙厚度为1 500mm, 地上核心筒剪力墙厚度为1 300～400mm, 剪力墙混凝土强度等级为C70～C45。楼盖采用现浇混凝土梁板结构, 整体性良好, 钢管混凝土柱与混凝土梁的连接采用环梁节点^[1], 用钢量省且施工简单。图3为典型的钢管混凝土柱环梁节点, 图4 (a) 为办公区标准层结构平面图, 图4 (b) 为转换层 (58层楼面) 结构平面图, 图4 (c) 为酒店区标准层结构平面图。

　　 1号楼属超B级高度的超限高层建筑, 且有3项不规则, 分别为:1) 楼板不连续, 2, 55层开洞面积大于30%;2) 构件间断, 58～79层外框架柱转换为剪力墙;3) 局部不规则, 2, 54, 55层有局部穿层柱。

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) (简称高规) 对整体结构及构件进行性能化设计, 预期的抗震性能目标:要求关键构件达到B级, 相应小震、中震和大震下的结构抗震性能水准分别为水准1、水准2和水准3;其他构件要求达到C级, 相应小震、中震和大震下的结构抗震性能水准分别为水准1、水准3和水准4。关键构件为底部加强区剪力墙、转换层上下各4层剪力墙、转换层下4层的钢管混凝土柱、转换斜撑、转换梁, 其余竖向构件为普通竖向构件, 耗能构件为连梁及框架梁。各构件的抗震性能水准及抗震等级见表1, 2。因转换层位于58层, 其至天面的高度为106.6m, 转换层上部的剪力墙加强区高度偏保守地按不小于该高度的1/10取值, 则不应小于10.66m, 取58～61层共4层为转换层上部的剪力墙加强区 (层高为4.5m, 取3层已满足要求, 为安全起见, 取4层) , 相应地转换层以下4层的剪力墙作为加强区且该4层的钢管混凝土柱指定为转换柱, 并提高其抗震等级。

　　 通过在1号楼的地下室相关范围内增加落地剪力墙及将核心筒剪力墙外墙厚度由1 300mm增大到1 500mm, 可满足地下1层与首层的剪切刚度比大于2, 地下室顶板可作为上部塔楼的计算嵌固端, 计算模型简化为独立的地上单塔结构。

　　 采用YJK和ETABS两个不同力学模型的三维空间分析软件进行多遇地震作用和风荷载作用下结构的内力和位移计算。周期折减系数取0.9, 中梁刚度放大系数取2, 结构阻尼比取0.05, 采用刚性楼盖模型, 考虑双向地震以及扭转耦联振动影响。主要计算结果见表3, 图5为1号楼的前3阶振型图。

　　 高规第7.2.13条规定, 在重力荷载代表值作用下, 抗震等级为一级的剪力墙墙肢轴压比不宜超过0.5。经计算, 若底部核心筒剪力墙外墙厚度为1 300mm, 则其轴压比为0.59;若为满足轴压比的要求, 底部核心筒剪力墙外墙厚度需取1 700mm, 经济性能差。而贵阳地区基本风压小、设防烈度低, 由其引起的结构响应小, 墙肢承力富余度很大, 利用率低。

　　 《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) (2016年版) (简称抗规) 附录M中的中等延性构造指出:当构件的承载力高于多遇地震提高一度的要求时, 可按常规设计的有关规定降低一度且不低于6度采用, 否则仍按常规设计的规定采用。采用中等延性构造设计时, 将小震作用下的水平地震影响系数放大一倍, 不改变其他地震参数, 重新计算墙肢承载力, 在有小震参与的组合工况下, 全部墙肢配筋均与原计算模型相同 (最小配筋率控制) 。说明原计算模型核心筒剪力墙有足够的承载力, 按中等延性构造进行设计既可将核心筒剪力墙的轴压比限值由0.50提高到0.60, 又不因承载力提高而增加额外的钢材费用。则按中等延性构造设计后, 剪力墙外墙按1 300mm厚即可满足轴压比限值0.60的要求。

　　 为加强核心筒剪力墙的延性, 对底部地下1层至地上6层的核心筒外壁剪力墙, 内置ϕ700 (壁厚为20mm) 的钢管, 钢管间距小于2 800mm, 如图6所示。设置内置钢管后, 剪力墙的承载力有所提高, 考虑钢管贡献的换算轴压比为0.54 (仅按强度换算, 未考虑钢管的套箍作用) 。故采取上述措施后, 底部核心筒剪力墙外墙厚度可减至1 300mm, 既节省了混凝土和钢筋的用量, 也满足了规范要求。

　　 高规第5.4.4条规定, 剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构应满足$EJ{}_{\text{d}}\ge 1.4{\rm H}{}^2{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}G}{}_i$ (G_i为第i层的重力荷载设计值, H为房屋高度, EJ_d为结构的弹性等效侧向刚度) 的整体稳定性要求。该限值是基于楼层刚度和质量沿高度均匀分布的假定得出的, 因此仅限于体型上下规则的高层结构。本工程从P-Δ效应、整体稳定分析、参考文献修正公式几个方面综合验算结构的整体稳定性。

　　 高规控制结构整体稳定性的刚重比限值1.4是由控制均质结构的重力P-Δ效应限值10%推导出来的, 任何工程只要满足了重力P-Δ效应小于10%, 也就满足了整体稳定性的要求。采用YJK软件分别进行考虑P-Δ效应和不考虑P-Δ效应的分析, 考察结构在风荷载和多遇地震作用下楼层侧向位移和倾覆力矩的P-Δ效应, 重力P-Δ效应增幅见表4。计算结果表明, 在水平荷载作用下, 考虑P-Δ效应后结构的侧移和倾覆力矩增幅均小于10%, 满足规范要求。

　　 同时采用ETABS对结构进行整体稳定分析, 结果表明在竖向荷载作用下, 结构第一屈曲模态特征值λ=13.003>10.0, 结构整体稳定具有足够安全度。

　　 文献[2,3]提出了对应规范限值的刚重比修正计算方法, 据此计算得出1号楼修正的刚重比见表5, 该值在各种水平荷载下均大于1.4, 满足高规要求。

　　 《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2015]67号) 第十三条规定:6度 (0.05g) 设防且基本周期大于5s的结构, 当计算的底部剪力系数比规定值低但按底部剪力系数0.8%换算的层间位移满足规范要求时, 即可采用规范关于剪力系数最小值的规定进行抗震承载力验算。

　　 本工程底部剪力系数X, Y向分别为0.420%, 0.436%, 低于高规最小剪力系数0.6%的要求, YJK软件已按此最小剪力系数调整各层地震作用, 据此得出地震作用下X, Y向的最大层间位移角分别为1/989, 1/1 077。若将最小剪力系数由0.6%调整到0.8%, 则换算出地震作用下X, Y向的最大层间位移角分别为1/742, 1/807, 仍满足高规对层间位移角限值1/500的要求。故本工程可直接采用规范规定的最小剪力系数0.6%进行抗震承载力验算, 无需调整结构刚度, 软件自动按高规规定0.6%的底部剪力系数进行楼层地震剪力调整。

　　 贵阳市50年一遇的基本风压为0.30kN/m², 为提高结构抗风能力, 按《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) (简称荷载规范) 取值计算时, 直接把基本风压提高到0.35kN/m²。地面粗糙度类别为C类, 体型系数取1.4, 其他系数按荷载规范取值, 同时考虑横向风振和扭转风振的影响。

　　 《贵阳中天国际金融中心双子塔项目报告书风致结构响应研究》给出了风荷载及24种组合工况, 采用阻尼比为4%的风荷载计算各个工况下的结构响应。结果表明:X向最大层间位移角为1/768 (对应第8工况) , Y向最大层间位移角为1/864 (对应第14工况) 。风洞试验得出的风荷载对结构的作用相对于按荷载规范取值 (基本风压已由0.30kN/m²提高到0.35kN/m²) 对结构的作用小较多, 可按荷载规范取值进行计算。风洞试验和按荷载规范取值计算的风荷载作用下的计算结果对比见表6。

　　 采用Perform-3D及ABAQUS软件进行罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析, 采用的地震波与弹性时程分析的一致。结果表明:

　　 (1) 罕遇地震作用下, 结构仍保持直立, 最大层间位移角X向为1/177, Y向为1/157, 小于预定的罕遇地震作用下最大层间位移角1/120的限值要求。

　　 (2) 罕遇地震作用下的结构基底剪力约为多遇地震作用下结构基底剪力的5.05～5.81倍, 说明结构部分构件通过非线性退化刚度削减了地震作用, 但沿楼层高度, 刚度没有发生明显的突变。

　　 (3) 塑性耗能约占总耗能量的13%, 可认为结构在大震下基本处于弱非线性状态。在塑性耗能过程中, 剪力墙约占10%, 连梁及框架梁约占90%, 框架柱和转换柱几乎无塑性耗能, 结构趋于稳定。

　　 (4) 转换梁受弯屈服, 但未达到IO限值, 属于轻度损伤。多数框架梁和连梁受弯屈服, 但未达到IO限值, 属于轻度损伤, 少数框架梁和连梁超过IO限值但未达到LS限值, 属于中度损伤。

　　 (5) 仅底部加强部位的少数核心筒剪力墙和转换层上一层范围内的少数外围剪力墙体受拉钢筋屈服但未达到IO限值, 属于轻度损伤, 混凝土受压超过抗压强度设计值但未达到抗压强度标准值, 属于轻微损伤。绝大多数墙体处于弹性状态, 满足大震性能目标要求。图7为X向地震作用下转换层范围剪力墙的损伤云图。

　　 (6) 仅底部加强部位的少数外框柱和转换层斜撑压弯屈服但未达到IO限值, 绝大多数框架柱和转换柱处于弹性状态, 满足大震性能目标要求。

　　 根据勘察报告, 1号楼范围内中风化泥质白云岩岩面低于地下室底板面2～4m, 承载力特征值为5.3MPa, 可作为上部结构的的持力层。外框架柱采用独立基础, 核心筒剪力墙采用筏板基础 (筏板厚度为3 000mm, 外墙下加厚为4 500mm) , 核心筒筏板基础示意图见图8。核心筒筏板基础与外框架柱独立基础间的底板按防水底板设计, 不承受基础反力。

　　 勘察报告提供的中风化泥质白云岩的基床系数为1.69×10⁶kN/m³, 为安全起见, 采用YJK基础设计软件, 对核心筒筏板基础的基床系数分别取1.25×10⁶, 2.5×10⁶kN/m³进行有限元分析。分析结果表明:基床系数分别取1.25×10⁶, 2.5×10⁶kN/m³的基底反力均小于持力层的承载力;基础最大沉降量为8mm, 最大沉降差为2mm, 满足规范要求。

　　 外框架柱在58～79层楼面转换为剪力墙, 采用在核心筒剪力墙上设置斜撑及转换梁进行转换。转换层板厚取200mm, 转换层下层板厚取180mm, 转换层上层板厚取150mm。图9中框选所示核心筒内因设置电梯井开洞, 导致斜撑支承处受力复杂, 对该处节点进行有限元分析。

　　 55～59层混凝土主压应力及主拉应力见图10, 计算结果表明:

　　 (1) 在恒、活荷载及大震的最不利组合工况下, 斜撑、外框柱和转换梁等关键构件的钢筋均未超过屈服强度, 处于弹性;混凝土受压超过抗压强度设计值但未达到抗压强度标准值 (属轻微损伤) , 受剪弹性, 节点安全且满足性能目标要求。

　　 (2) 斜撑轴力在57层 (转换层下一层) 板面内产生的较大的水平拉力, 该水平拉力由核心筒剪力墙面外抗弯刚度、局部厚板面内抗弯刚度和外框柱抗剪刚度三者共同承担。在拉力向外框柱传递过程中, 框架梁及周边楼板承受拉力, 经验算, 框架梁纵筋在大震下受拉不屈服。

　　 本工程核心筒剪力墙与钢管混凝土外框柱之间的变形差受后期混凝土的收缩、徐变影响较大, 需进行全过程的施工模拟分析。

　　 采用MIDAS Gen软件的施工阶段分析模块对1号楼进行全过程施工模拟分析。混凝土的收缩、徐变计算参数^[4]为:混凝土材料取环境年平均相对湿度为77% (贵阳年平均相对湿度为77%) , 采用普通高强快硬水泥 (水泥种类系数为5) , 收缩开始时混凝土龄期为3d;钢管混凝土内混凝土的环境可认为与外界隔绝, 其环境湿度取为99%。整个施工模拟的时间由施工开始计算至结构封顶后, 共2年。

　　 施工阶段的模拟荷载考虑结构自重和楼面恒荷载、施工活荷载, 并考虑混凝土的徐变、收缩和强度随时间的变化, 楼面恒荷载为楼板自重, 施工活荷载为1.5kN/m²。地下室按每15d施工一层, 地上塔楼暂按6d施工一层。结构封顶后施加的荷载为幕墙荷载、砌体荷载、楼板附加恒荷载 (按1.5kN/m²) 、办公楼灵活分隔荷载 (按1.0kN/m²) 和使用活荷载 (按准永久值, 准永久值系数为0.4) , 并考虑混凝土的徐变、收缩随时间的变化。计算结果表明:

　　 (1) 建筑物结构施工期间, 楼层层高的变化量约为±5mm, 钢管混凝土柱的钢管无需预留施工变形余量;实际层高对比设计层高的变化量在考虑两年的徐变、收缩变形的情况下约为±5mm, 对建筑物的室内装修、幕墙施工、设备的安装均没有明显的影响。

　　 (2) 结构封顶2年后, 钢管混凝土柱 (包括柱上剪力墙部分) 的竖向变形最大值位于77层, 为140.1mm, 其中徐变变形约占总变形46.5%, 收缩变形约占总变形13.5%;核心筒的竖向变形最大值位于76层, 为126.2mm, 其中徐变变形约占总变形45.6%, 收缩变形约占总变形15.2%;外框钢管混凝土柱间竖向变形基本一致;钢管混凝土柱与核心筒间竖向变形差异最大值位于30层, 差异值为16.8mm。

　　 (3) 对于框架-核心筒结构, 在YJK软件中可折减剪力墙的轴向刚度来模拟收缩、徐变对核心筒剪力墙的变形影响。对于本工程, 若该折减系数取为0.6, 则YJK模型与整体施工模拟模型的内力较为接近。

　　 本工程预定的结构抗震性能目标:关键构件为B级, 其余构件为C级。为增强结构的抗震能力, 除按规范要求进行设计外, 采取以下加强措施:

　　 (1) 底部加强区剪力墙:抗震等级提高为特一级, 加强混凝土核心筒, 按抗规附录M性能3的性能要求进行超强设计, 地下1层至地上6层的核心筒外壁剪力墙内置钢管, 以保证大震时的延性;提高底部加强区剪力墙分布筋配筋率至0.6%, 暗柱的配筋率加大至1.5%。

　　 (2) 竖向承重构件:58～79层外框柱采用延性较好的钢管混凝土柱。对穿层柱进行稳定分析, 偏保守确定其计算长度, 确保其稳定承载力的安全度。

　　 (3) 楼盖弱连接部位:楼板板厚加强为150mm, 钢筋双层双向拉通, 并适当加强配筋;同时加强薄弱连接部位附近的楼面梁、连梁纵筋及腰筋;梁纵筋均贯通, 纵筋及腰筋的搭接、锚固均按受拉的构造要求。

　　 (4) 转换层、过渡层:转换层楼板板厚为200mm, 采用双层双向通长配筋, 且每层每向的配筋率不小于0.30%。转换层下层楼板板厚180mm, 转换层上层楼板板厚150mm, 采用双层双向通长配筋, 且每层每向的配筋率不小于0.25%。

　　 (5) 转换柱、转换梁、转换斜撑:抗震等级提高为特一级, 提高转换柱 (钢管混凝土柱, 转换层以下4层指定为转换柱) 的安全度, 对转换斜撑增设芯柱或型钢, 提高延性;提高转换斜撑的体积配箍率至1.8%及竖向钢筋配筋率至1.8%, 转换斜撑箍筋采用复合箍筋。控制转换梁的剪压比, 适当提高转换梁配箍率及纵向钢筋配筋率, 局部剪力较大的转换梁内置钢板, 以提高转换梁的抗剪承载力。

　　 (6) 转换层上下剪力墙:转换层上下各4层的剪力墙抗震等级提高为特一级, 转换层上一层的托换剪力墙水平分布筋配筋率提高至1.0%, 其他剪力墙分布筋配筋率提高至0.6%, 暗柱的配筋率加大至1.5%。

　　 贵阳国际金融中心1号楼作为目前贵阳市在建的第一高楼, 采用带高位转换的钢管混凝土柱-钢筋混凝土核心筒结构, 结构受力复杂。但通过详细的结构分析以及采取相应的构造加强措施, 可确保关键构件达到B级, 其他构件达到C级的性能目标, 达到了安全、适用、经济的要求。1号楼已于2016年10月通过贵阳市住建局组织的抗震设防专项审查, 预计于2019年5月结构封顶。