宁波东部新城C3-4#地块超高层项目位于浙江省宁波市东部新城核心区, 东邻海晏路, 西邻江澄路, 南邻百丈路, 北邻中山路, 包括地标主塔楼、裙房和地下室三个部分, 项目分区详见图1。

　　 主塔楼位于该地块的东北角, 是一栋集超甲级写字楼、精品办公、五星级酒店等于一体的综合建筑, 效果图如图2所示。建筑高度约为448.2m, 结构高度约为420.3m, 地上88层, 办公标准层层高4.5m, 酒店标准层层高4.2m;主屋面以上设有直升机停机坪和高度约28m的塔冠钢结构造型;地下室4层, 主要是停车场和机电用房;裙房建筑高度为24m, 共有4层, 层高6m, 以商业为主。主塔楼和裙房之间设150mm宽的防震缝, 自首层楼板以上设防震缝, 将结构分成两个单元单独受力, 避免地震作用下相互影响。

　　 主塔楼立面为纺锤形, 首层外轮廓的平面尺寸约为55m×58.5m, 中部略为放大至59m×63.1m, 上升到高区又进一步缩小至44.2m×47.8m。主塔楼办公区典型楼层平面布置见图3。

　　 主塔楼结构的安全等级为一级, 属于重点设防类建筑, 嵌固层设置在首层楼面 (标高±0.00m, 对应绝对标高+4.20m) 。工程所在地属Ⅳ类场地, 设计地震分组为第一组, 特征周期为0.65s, 抗震设防烈度为7度 (0.1g) , 抗震措施按8度采用;风荷载按照风洞试验取值, 50年和100年重现期下的基本风压分别为0.50k N/m²和0.60k N/m², 分别用于计算结构侧向位移和构件承载力。抗浮设计水位为绝对标高+3.00m。

　　 首层以上, 主塔楼的重力荷载代表值约为3 466 000k N, 单位面积上的重量约15.5k N/m²。

　　 本工程主要采用了带伸臂桁架 (简称伸臂) 的框架-核心筒结构体系, 体系各组件如图4所示。

　　 为满足建筑功能的要求, 53层以下的办公区和53层以上的精品办公、酒店区, 其外框柱采用了不同的截面形式和布置方式。53层及以下楼层的外框柱均为圆形钢管混凝土柱, 最大直径2 600mm, 钢管最大壁厚50mm, 柱间距为8~12m;53层以上楼层的直通柱 (未被转换的柱) 主要为矩形钢管混凝土柱, 被转换柱主要采用矩形空心钢管柱, 大部分柱距为6m左右, 以利于精品办公和酒店房间的功能布置和正常使用。柱中钢材以Q345C为主, 受力较大时亦采用了Q345GJ钢;钢管内灌注的混凝土最大强度等级为C60。主塔楼为鼓形建筑, 为方便钢构件的加工和安装, 同时使外框柱尽量贴近建筑外轮廓线, 沿高度将柱分成8个倾斜直线段, 每段柱与铅垂线的最大夹角不超过3°。

　　 外框梁为工字形钢梁, 典型高度为1 000mm (普通办公区) 和800mm (精品办公和酒店区) 。在底部1~22层, 为提高外框的剪力分担比例, 将外框梁的高度增大至1 100mm。

　　 核心筒由普通钢筋混凝土墙体和连梁组成, 底部加强部位的墙体端部和相交位置增设型钢, 混凝土的最大强度等级为C60。各楼层主要核心筒墙体的厚度详见表1, 外墙和内墙的最大厚度分别为1 200mm和600mm;典型连梁截面高度800mm, 宽度同墙厚。为满足建筑功能需求, 核心筒需要在40层、52~54层、69层分三次内收, 在40层和69层, 通过减少剪力墙的数量实现, 平面位置如图5所示;在52~54层, 采用了斜墙的形式进行过渡, 如图6所示。

　　 为提高主塔楼的抗侧刚度, 有效控制结构侧向位移和刚重比、剪重比等指标, 分别在3个加强层即31层、52~53层和68层设置了V形伸臂。基于结构对抗侧刚度的需求和对伸臂位置敏感性分析结果, 在31层和68层, 伸臂仅需设置在X向 (东西向) 上, Y向无伸臂;在52~53层, X向和Y向上均需要设伸臂, 伸臂的三维布置见图7, 主要沿内墙贯通核心筒。伸臂的弦杆和腹杆均采用箱形截面, 腹板最大厚度为100mm, 起到主要传力作用;翼缘板厚40mm, 仅用于保证腹板的稳定性。

　　 除伸臂之外, 也在3个加强层的外围布置了3道环桁架, 将所有外框柱连接在一起共同参与受力。这3道环桁架均采用了单斜撑的形式, 其中, 布置在31层的环桁架展开图详见图8。在52~53层和68层, 由于建筑功能的更改, 环桁架同时起到了转换桁架的作用, 将下部8~12m的大柱网变成柱距约为6m的小柱网, 如图9所示。也就是在这两个位置, 成功实现了外框柱的高位转换。

　　 在核心筒内部, 楼盖采用普通钢筋混凝土梁板体系, 所有楼层的板厚均为150mm;核心筒与外框柱之间采用钢梁-组合楼板体系, 楼承板是钢筋桁架板, 仅作为施工阶段的模板使用, 在使用阶段不参与受力。对应不同的建筑功能, 筒外楼板的厚度也不一样, 办公层120mm, 酒店层150mm, 普通避难层150mm, 加强层顶板和底板均为180mm。

　　 在弹性设计阶段主要采用ETABS软件进行整体建模和分析, 框架柱、楼面梁、伸臂和环桁架等采用线单元模拟, 墙体、连梁和楼板均采用壳单元。对应初步设计阶段, 主塔楼的主要设计指标如下。

　　 主塔楼共分析了90个振型, 前6阶振型和周期以及前2阶竖向振型如表2所示。第1阶周期和第2阶周期均为平动周期, 第3阶周期对应扭转, T₃与T₁的比值即周期比为0.396<0.85, 满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1] (简称《高规》) 的要求且有较大富余量, 说明结构的抗扭转能力较强;第57阶和58阶振型是竖向振型, 周期很小。

　　 结构在风荷载和小震作用下的最大侧移、最大层间位移角和对应的楼层详见表3, 侧移和层间位移角沿楼层的分布如图10所示。无论是侧移还是层间位移角, 风荷载作用下的数值均比小震作用下的对应值大较多, 因此风荷载是主塔楼侧向刚度的控制荷载, 需在设计中着重考虑。

　　 结构最大层间位移角为1/523, 小于《高规》限值1/500, 但富余度有限, 在合理控制结构材料用量的同时为施工图设计预留了调整空间。

　　 高层建筑结构的整体稳定设计主要是用来控制在风荷载或水平地震作用下, 重力荷载产生的二阶效应 (P-Δ效应) 不致过大, 防止结构失稳、倒塌, 其中, 主塔楼的刚重比指标是影响P-Δ效应的主要参数。根据《高规》, 主塔楼结构的整体稳定应符合下列公式的规定:

　　 式中代表结构刚度与重力荷载之比, 简称刚重比。

　　 在考虑主塔楼质量沿高度分布不均匀的影响后, 计算得到X向刚重比为1.58, Y向刚重比为1.59, 均大于《高规》限值1.4, 整体稳定符合《高规》要求。但由于两个方向的刚重比均小于2.7, 内力计算时仍需考虑重力二阶效应的影响。

　　 剪重比的大小是高层或超高层建筑结构设计的另一个重要设计指标, 主要用来判断主塔楼抗侧刚度的适宜程度。基于工程所在地的地震动参数和场地类别, 根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称《抗规》) 公式计算得到反应谱曲线, 通过整体模型分析得到各楼层的剪重比, 在X向与Y向这两个方向上, 除底部1~2个楼层外, 其余楼层基本能满足《抗规》中最小地震剪力系数为0.012的要求。

　　 小震作用下主塔楼内外筒倾覆力矩沿主塔楼的分布曲线如图11 (a) 所示。在68层以上, 核心筒的倾覆力矩占比较大, 在抗侧方面发挥主要作用;自68层往下, 外框承担的倾覆力矩稳定增加, 且在52层和31层这两个楼层的位置存在突变, 这充分体现了伸臂和环桁架在提高外框刚度、减小核心筒受力方面具有显著作用;在9层以下, 核心筒承担的倾覆力矩又超过了外框的承担值, 在首层, 其占比达到60%左右, 是主要抗侧力构件。

　　 外框的剪力分担比沿楼层的分布详见图11 (b) , 在地震作用下, 各楼层上的剪力主要由核心筒承担, 大部分楼层的外框剪力分担比在5%~20%之间, 仅有底部少数楼层不足5%, 特别是在8~20层的位置, 外框剪力分担比例仅为4%左右。剪力分担比较小的主要原因是22层以下的外框柱为外倾柱, 在水平地震作用下, 外框柱的轴力N₁和N₂ (图12) 在水平向上的分力N_1x和N_2x与外力V同向, 相当于增大了外荷载数值, 削弱了外框的抗侧能力。外框剪力分担比较小, 不利于外框发挥二道防线的作用, 按超限审查专家要求, 在进行墙肢设计时, 需将核心筒在地震作用下承担的剪力放大10%。

　　 根据本工程的结构布置特点、构件在体系中的重要性, 综合考虑“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”和二道防线的基本概念, 确定本工程整体结构的抗震性能目标为C级, 各种构件的抗震性能目标详见表4。

　　 详细分析和研究主塔楼的结构体系和传力路径, 认识到下述4个部位是主塔楼结构设计成败的关键:

　　 (1) 52~54层的斜墙过渡区, 三维示意详见图6。通过设置斜墙来减小核心筒的平面尺寸和提高楼面使用率是较为有效的筒体收进方式, 可以避免下部设置过多的墙体, 避免占用过多的结构面积。不利之处是使得周边区域的结构构件受力更加复杂, 即便是在重力作用下, 与之相连的楼面梁、楼板都会存在拉/压力 (图13) , 通常需要通过设置型钢和加大配筋来提高构件的承载力。

　　 (2) 伸臂与核心筒墙体的连接节点及型钢在墙体内的延伸设置。如前文所讲, 为提高主塔楼的抗侧刚度, 结构分别在31层、52~53层和68层设置了三道伸臂, 受体形限制, 所有伸臂均沿内墙贯穿核心筒。由于内墙厚度小, 内部埋设钢板较为困难, 宜采用钢板外包式连接节点^[3], 形式如图14所示^[4]。在节点区域, 钢板设置在墙体两侧, 钢板内侧设栓钉和竖向加劲肋, 加强钢板与混凝土的连接性能。由于内力在核心筒内是连续传递的, 钢板宜贯穿整个筒体, 在筒体内形成暗桁架, 如图15所示。为减少钢板对墙体内钢筋和混凝土工程施工的影响, 宜在保证传力的情况下尽量减小其设置范围, 并采用节点有限元分析进行核算。

　　 (3) 伸臂与钢管混凝土柱的连接节点。在本工程中, 基于外框柱截面形式的不同, 伸臂与柱的连接节点分为3种类型:31层的伸臂与圆形钢管混凝土柱的连接 (第1类) 、68层的伸臂与矩形钢管混凝土柱的连接 (第2类) 、52~53层伸臂与圆形钢管混凝土柱连接的同时实现圆形和矩形钢管混凝土柱的过渡 (第3类) 。相对于前两类节点形式, 第3类节点最为复杂也最具有代表性, 是本节的重点介绍对象。

　　 该节点的立面和剖面如图16所示。伸臂的弦杆、斜腹杆和外框柱的轴线相交于圆形钢管的中心, 以避免偏心给杆件带来附加弯矩或扭矩。在整个节点设计中, 连接板形状和位置的确定是较为关键的, 为方便上层矩形钢管内力能顺利向下层柱传递, 在对应钢管壁的位置设置了3块连接板, 位置详见图16 (b) 中的连接板1~3, 连接板贯入下层钢管内3 000mm, 与钢管壁焊接在一起。连接板1~3需要同时将伸臂的内力传递至圆形钢管柱中, 为使其能与伸臂可靠连接, 又设置了连接板4和连接板5 (图16 (b) ) , 板厚与伸臂弦杆和斜腹杆的腹板厚度相同。为增加节点的整体刚度和确保桁架翼缘板拉力的有效传递, 在整个节点区设置了4层水平加劲环板, 环板宽度均为350mm。

　　 (4) 相邻两段外框柱相接位置受力。为配合建筑体形, 自首层以上, 外框柱从下到上分成8个不同斜率的柱段, 在22层及以下, 外框柱自下而上向外侧倾斜, 23~41层为直柱段, 42~顶层均向内倾斜。在两个柱段相交处, 斜柱轴力会产生可观的水平分力, 需由柱本身及与其相连的楼面梁 (内框梁和外框梁) 承担。分析三个部分承受的力的大小, 了解到:柱本身的抗剪刚度很大, 承担外框柱轴力水平分量的50%左右;在位置 (1) 处 (位置详见图17) , 内框梁承受的轴力远大于外框梁, 主要是由于外框梁基本垂直于斜柱平面, 对外框柱的约束作用很弱;在位置 (2) 处 (位置详见图17) , 外框梁的轴拉力大于内框梁, 主要原因是内框梁的截面远小于外框梁, 当梁柱节点产生远离核心筒的位移时, 虽然内框梁的应变更大, 但产生的轴力小一些, 外框梁起到了类似“套箍”的作用, 限制节点外移。

　　 选用LS-DYNA进行大震弹塑性分析, 共选用了7组时程波 (包括2组人工波和5组天然波) , 结构的阻尼比取0.05, 特征周期0.7s, 地震加速度的最大值220cm/s², 考虑了几何非线性和材料非线性, 也考虑了施工模拟的影响 (伸臂在结构封顶后再与墙柱焊接合拢) 。分析得到的整体指标如表5所示, X向和Y向的最大层间位移角分别为1/113和1/135, 均小于1/100, 满足规范要求。

　　 另外, 详细考察了各组波作用下主要结构构件的塑性铰开展和应变发展情况:1) 大部分核心筒连梁和较多外框梁进入塑性, 起到耗能作用;2) 核心筒墙体混凝土压应变和钢筋的拉应变均较小, 大部分钢筋处于弹性阶段;墙体受拉裂缝少, 仅在加强层与伸臂相连位置形成区域性裂缝, 需要加强配筋;3) 外框柱基本保持弹性, 仅有个别被转换的钢管柱出现塑性铰;4) 伸臂和环桁架未发生受压屈曲;5) 所有构件均能够满足大震下的性能目标。

　　 本工程的上部荷载和基岩埋深大, 需采用整体桩筏基础。全部基桩为钻孔灌注桩, 桩端持力层为圆砾层, 桩身混凝土强度等级为水下C50, 桩径1 200mm, 桩长有65m和61m两种, 均进行桩端后注浆, 抗压承载力特征值分别为16 500k N和13 000k N, 前者布置在核心筒及其影响范围内, 后者设在最外围区域, 均为满堂梅花形布桩, 如图18所示。设计过程中, 对桩径大小和桩的持力层进行详细对比。

　　 (1) 当采用800mm或1 000mm的桩径时, 桩的长细比较大, 施工难度稍大, 承担同样的荷载时所需要的桩数量多于直径1 200mm的桩, 施工工期较长。同时, 直径1 200mm的基桩有利于筏板的冲切验算, 相较于直径1000mm的基桩, 筏板厚度可减小300~500mm, 减少混凝土和钢筋用量, 降低了基坑开挖费用。

　　 (2) 当选用基岩作为持力层时, 不需要后注浆, 但桩长需增加15m左右, 同样加大了施工难度。计算桩基单位承载力所需要的工程造价, 超出以圆砾层作为持力层的方案28%左右。

　　 核心筒及其影响范围内, 筏板厚度取4.5m;由框架柱向外围扩展的区域, 筏板厚度为4.0m, 两种厚度的筏板混凝土强度等级均为C50。在计算筏板厚度时, 考虑了地下水浮力的有利作用。

　　 宁波东部新城C3-4#地块主塔楼结构设计时, 充分考虑了建筑体型和建筑功能布置要求, 采用了带3道伸臂的框架-核心筒结构, 外框柱分段倾斜并尽量靠近幕墙布置, 以提高楼面的有效使用率;核心筒共有3次内收, 其中, 两次采用了减少墙肢的方式, 另外一次采用了局部墙肢倾斜的方式。适应主塔楼和核心筒的梨形平面布置, 所有3道伸臂均采用贯穿内墙的方式设置, 基于内墙较薄的事实, 伸臂与筒体的连接节点采用钢板外包式节点形式。

　　 主塔楼属于高度超限项目, 设计中充分考虑了抗震、抗风专家的合理要求, 加强对整体设计指标的控制, 制定了合理的性能目标, 针对斜墙过渡区、伸臂与核心筒的连接节点、伸臂与钢管混凝土柱的连接节点 (同时也是圆形转变为钢管混凝土柱的节点) 和相邻两段外框柱相接位置这4个关键部位, 着重进行受力分析并加强配筋设计, 保证结构安全可靠。

　　 本工程于2017年10月份通过超限高层抗震设防专项审查, 正在开展振动台试验和施工图设计。