广西壮族自治区柳州市柳东新区企业总部大楼位于柳东新区核心区的中轴线北端, 北靠九子岭, 南望龙湖, 由一栋主楼和两栋附楼组成, 位于主楼两侧的附楼共12层, 附楼与主楼的地下室连为一体, 顶板以上采用防震缝与主楼脱开, 本文只涉及主楼。为了让出中轴线的主要视线, 使九子岭和龙湖的景观从空间上相互贯通, 凸显核心区的自然资源优势, 同时也使建筑的形态更具特色, 主楼3~6层中间部分50.4m跨掏空, 形成“门”形建筑立面。主楼采用框架-核心筒结构体系, 地上20层, 地下2层, 地上建筑面积为8.1万。主楼平面总长117.6m、宽42.0m。地下2层层高4.2m, 地下1层层高5.7m, 地上1层层高5.4m, 2层及以上层高均为4.2m, 室外地面至主楼屋面最大高度为85.8m。该工程2013年完成设计, 现已竣工, 建成实景如图1所示。

　　 主楼结构设计使用年限50年, 抗震设防烈度6度, 设计地震分组第一组, 设计基本地震加速度0.05g, 场地类别为Ⅱ类。抗震设防类别重点设防类 (乙类) , 按7度采取抗震措施。基本风压0.30k N/m², 对结构进行强度计算时, 考虑1.1的放大系数, 地面粗糙度B类, 体型系数1.4。

　　 本工程采用框架-核心筒结构体系, 根据建筑要求, 未设置框架角柱, 在7层以下为双塔楼, 每个塔楼均由布置于塔块中部的核心筒及周边框架组成独立框架-核心筒结构。在7~9层及13~15层结合两层高的大会议室各设置4榀跨层钢骨混凝土转换桁架, 两组跨层桁架之间在靠近框支柱的端部设置了斜腹杆分担荷载。图2和图3为典型楼层结构平面布置图, 转换桁架平面定位如图3中粗虚线所示, 转换桁架立面如图4所示。在 (11) 轴及 (23) 轴设置8根钢骨混凝土框支柱及4片剪力墙。中间门形开洞的上部竖向荷载通过4榀跨层转换桁架直接传递到框支柱, 转换桁架方案的选择及施工分别见文献[1]、文献[2];地震作用及风荷载产生的水平力, 通过楼板的水平刚度传递到两侧落地的框架及剪力墙, 由其共同承担。钢骨混凝土框支柱截面尺寸为2 000×2 000, 内部设置两根H型钢正交焊接成的组合钢骨, H型钢截面为H1 600×1 000×40×60, 钢材为Q345B, 框支柱的钢骨升至16层梁底, 16层以上改为截面尺寸800×800的混凝土框架柱。塔楼周边其他框架柱截面尺寸:在10层及以下均为800×800, 11~16层为700×700, 17层及以上为600×600;框架梁截面尺寸为 (350~400) ×800;核心筒及 (11) 轴、 (23) 轴的剪力墙厚度由400mm向上逐渐减薄至250mm。转换桁架的截面尺寸为:第7层弦杆1 000×1 000 (钢骨H700×600×34×50) , 其余层弦杆800×800 (钢骨H500×450×34×50, H500×550×34×50) ; (11) ~ (14) 轴及 (20) ~ (23) 轴间7~13层面斜腹杆为1 000×800 (钢骨H500×550×34×50) , 其余斜腹杆800×800 (钢骨H500×450×34×50) ;竖腹杆均为800×800 (钢骨H500×450×34×50) 。转换桁架中各杆件钢骨钢材为Q345B, 10~12层弦杆在 (14) ~ (20) 轴间受力较小, 取消了钢骨。为加强与两侧结构的连接, 7, 9, 13, 15层弦杆钢骨均向两侧塔楼延伸一跨, 延伸跨的截面为600×800 (钢骨H500×300×20×50) 。

　　 墙、柱的混凝土强度等级为C60~C40, 转换桁架斜腹杆的混凝土强度等级与同层的柱一致。梁、板的混凝土强度等级为C35~C40。梁、柱受力钢筋一般采用HRB400;板中受力钢筋采用HRB400;板分布钢筋采用HPB300。转换桁架、转换柱及底部加强区剪力墙抗震等级为一级, 其他框架及剪力墙抗震等级均为二级。建筑结构的安全等级为:转换桁架、转换柱及底部加强区剪力墙为一级, 其他构件为二级。

　　 本工程存在4种类型的超限:1) 多层楼板开洞面积大于30%, 属于楼板不连续;2) 7层、13层侧向刚度小于相邻上层的70%, 属于刚度突变;3) 中间50.4m跨范围在6层以下形成空旷空间, 框架柱通过桁架转换, 属于构件间断;4) 6层、12层受剪承载力小于相邻上层的80%, 属于承载力突变。根据建质[2010]109号文^[3], 本工程属于特别不规则的高层建筑结构。

　　 (1) 转换层楼板厚度的确定

　　 《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[4] (简称抗规) 附录E.1规定, 抗震墙结构框支层楼板应采用现浇楼板, 厚度不宜小于180mm。抗规附录E.2规定, 筒体结构转换层楼板的抗震验算和构造宜符合附录E.1对框支层楼板的有关规定。《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[5] (简称高规) 第3.6.3条规定, 转换层楼板应符合高规第10章的有关规定, 高规第10.2.23条规定, 部分框支剪力墙结构中框支转换层楼板厚度不宜小于180mm。

　　 抗规和高规要求加大转换层楼板厚度及配筋的本意是:通过提高转换层的抗剪承载力, 来保证将不落地剪力墙的剪力通过转换层楼板传递到落地剪力墙。这两本规范公式中, 转换层楼板抗剪承载力验算的基准剪力均取按刚性楼板计算的由不落地剪力墙传到落地剪力墙处框支层楼板的组合剪力设计值。

　　 本工程的所有剪力墙均直接落地, 仅部分框架柱需要转换;且在连续多层设置了斜腹杆, 将竖向荷载分为多层均匀传递到转换柱上, 转换层每层的荷载都不是特别集中。另一方面, 本工程平面为双轴对称, 转换层楼板在地震作用下的面内剪力并不大, 且转换层楼板没有凹凸或局部开洞削弱, 因此为了减轻结构自重, 只对跨层桁架的上下弦所在楼层, 即7, 9, 13, 15层楼板厚度取150mm, 并采用双层双向配筋, 配筋率不小于0.3%。其余转换层楼板按普通楼板设计, 板厚取100~120mm。

　　 (2) 其他层楼板厚度的确定

　　 高规关于连体结构的定义为:除裙楼以外, 两个或两个以上塔楼之间带有连接体的结构。从字面理解, 本工程属于该种结构。

　　 实际工程中的连体结构多数只在一层或者几层设置连接楼板, 通过少数几层楼板协调相连塔楼变形, 在风荷载及地震作用下, 当两侧塔楼的变形趋势不一致时, 连接体楼板承受巨大的面内剪力, 因此需要加大板厚及配筋;由于只承担本身的竖向荷载, 加大板厚对连接体本身及相连塔楼竖向构件设计不会带来困难。

　　 本工程从7层楼面至屋顶每层均相连, 连接体部分的楼板宽度即是楼层的典型宽度, 楼板面内刚度及抗剪承载力大。另一方面, 转换桁架跨度达50.4m, 承担从下弦所在的第7层至屋面层共14层荷载, 转换结构传递到两端框支柱上的竖向荷载巨大 (框支柱的最大轴力高达93 619k N) , 但若加大连接体各层楼板厚度, 相应结构自重也会增加, 这不仅会增加转换桁架的截面及配筋, 也造成转换桁架与框支柱的连接节点设计困难。

　　 规范的目标是保证结构安全, 如果不加分析生搬硬套规范条文, 盲目加厚楼板, 从而增加结构自重, 反而会造成结构安全度下降, 这违反了规范编制的初衷。因此本工程没有全面执行高规第10.5节关于连体结构的所有规定, 尤其第10.5.5条关于楼板厚度不宜小于150mm的规定。因此转换层上方楼板厚度根据其跨度及荷载取100~120mm, 仅部分大洞口周边楼板加厚到150mm。

　　 本工程为乙类抗震设防, 相应地取结构抗震性能目标为C级。由于转换桁架跨度达50.4m, 且属于高位转换, 在满足性能目标C的基础上适当提高关键构件的性能目标, 具体内容详见表1。

　　 根据广西有关标准和文件^[6,7]要求, 取70年超越概率60%, 10%, 2%的结果作为本工程的抗震设防依据。评价报告所提供的场地地震动参数见表2。

　　 小震作用下采用SATWE进行弹性静力分析, 并采用MIDAS Building进行复核。楼板采用弹性膜假定, 剪力墙采用墙板单元。地震作用考虑偶然偏心影响, 采用考虑结构扭转耦联的振型分解反应谱法计算双向水平地震作用, 采用反应谱方法计算竖向地震作用。主要计算结果见表3, 由表3可见, 两种软件的计算结果均较接近。MIDAS Building的计算结果还表明, 竖向振型非常靠后, 第一阶竖向振动周期为0.324 5s, 远小于第一阶平动周期1.473 2 s。

　　 竖向荷载对转换桁架起控制作用, 在恒荷载、活荷载和竖向地震作用下的杆件轴力标准值如表4所示, 表中不同杆件编号对应位置详见图4。计算结果表明, 竖向地震对转换桁架杆件内力的贡献小于10%。

　　 弹性时程分析结果表明, 内力和位移沿高度方向的曲线与采用振型分解法所得的相应曲线的变化趋势基本一致, 弹性时程分析所得的层间位移角平均值及基底剪力平均值均略小于振型分解反应谱法。

　　 根据本工程的结构特点, 对转换桁架及框支柱采用SATWE进行中震和大震等效弹性设计, 并采用MIDAS/Gen软件进行静力弹塑性分析, 采用MIDAS Building软件进行弹塑性时程分析。

　　 等效弹性分析结果表明:在中震作用下, 关键构件均满足中震弹性的要求。部分楼层的连梁出现较轻微的抗弯屈服, 进入屈服阶段, 但其受剪承载力满足高规公式 (3.11.3-2) 的规定, 属于局部延性损坏, 经一般修理可继续使用。结构的最大层间位移角为X向1/1 349, Y向1/1 130, 满足预期的性能目标。大震作用下, 剪力墙及所有柱抗剪截面验算均满足规范要求, 关键构件均未屈服。

　　 采用安评报告提交的2条人工波和5条天然波进行弹塑性时程分析, 人工波user1计算所得结果最不利, 其X向大震作用下框架塑性铰分布如图5所示。弹塑性分析结果表明, 转换桁架上下弦有部分进入第1屈服状态, 大部分斜腹杆处于弹性状态, 极少部分斜腹杆进入第1屈服状态。框支柱处于弹性状态;较多普通框架柱进入第1屈服状态, 部分普通框架柱进入第2屈服状态。剪力墙中混凝土轴向应变等级均小于3级, 即受压不屈服。表明剪力墙在大震作用下抗压性能良好。楼梯间、送风井等设备洞口处的洞顶剪力墙实际形成了深梁, 其混凝土剪切应变等级局部超过5级, 即达到了极限剪切变形。虽然这些深梁受剪破坏时, 只能吸收一次地震能量, 不能像普通连梁一样往复发生塑性变形而耗能, 但整体结构并不会因为这些局部破坏而丧失承载能力或出现连续倒塌, 整体结构损伤程度并不严重, 可认为大震作用下筒体抗剪性能良好。X向的最大层间位移角出现在16层, 为1/689, Y向最大层间位移角出现在14层, 为1/820, 均远小于4倍弹性位移限值。综上所述, 大震作用下, 整体结构可以满足抗震性能水准4的要求。

　　 采用PMSAP对150mm厚转换层楼板进行应力分析, 楼板采用弹性膜假定, 最大单元尺寸为1.5m。图6为罕遇竖向地震与恒荷载、活荷载最不利组合 (即1.0恒荷载+0.5活荷载+1.0罕遇竖向地震) 下, 转化桁架下弦杆所在7层楼板X向正应力分布。分析结果表明, 在罕遇竖向地震作用下楼板压应力远小于C40混凝土抗压强度标准值26.8N/mm², 拉应力超过混凝土抗拉强度标准值2.39N/mm²较多, 通过加强配筋来保证楼板抗拉强度。7层楼板采用14@90双层双向配筋, 转换桁架上弦所在的15层楼板采用14@100双层双向配筋, 从而使得楼板裂缝宽度及刚度退化程度得到有效控制。

　　 通过多种施工方案比较^[1], 确定采用如下施工方案:地下室浇筑底板后, 将7~15层转化桁架的内部钢骨在地下室底板上焊接成钢骨桁架, 然后整体提升钢骨桁架并与框支柱焊接;再在地下室底板上搭设脚手架至7层楼面下, 从7层楼面逐层浇筑上部各层混凝土直至屋顶;脚手架要求能够承受3层楼面荷载, 脚手架与转换桁架内部的钢骨桁架以及逐步达到设计强度的混凝土共同支承上部各层 (包含屋面) 的施工荷载。模拟施工全过程分析计算结果表明^[1], 逐层施工对转换结构内力有较大影响, 部分杆件内力增加甚至超过了60%。采用钢骨一次成型 (即将转换桁架内的钢骨在地面焊接成钢骨桁架后整体吊装) , 混凝土逐层施工的方案, 可以充分发挥钢骨的整体刚度, 减小对转换结构的不利影响。而且整体吊装方案可大大降低脚手架的措施费及结构施工难度。

　　 (1) 本工程有多项指标超过规范限值, 属于特别不规则的多项超限复杂高层建筑, 通过结构抗震概念设计, 采用框架-核心筒结构、跨层桁架转换方案, 转换层7, 9, 13, 15层楼板厚150mm, 其他层楼板主要厚度为100~120mm, 仅部分大洞口周边楼板加厚到150mm;采用多种软件对结构进行计算对比分析, 根据结果进行结构抗震性能设计, 抗震措施合理, 能够保证结构安全可靠, 达到预定的C级抗震性能目标。

　　 (2) 本工程建筑高度及高宽比不大, 而转换桁架跨度及其上托楼层荷载大, 相对于风荷载及水平地震作用而言, 竖向荷载是本工程的控制因素。罕遇地震作用下弹塑性分析结果及楼板应力分析结果充分证明, 对本工程, 不死抠规范条文, 适当减薄各层楼板厚度是合理的, 这不仅节省了建筑材料, 更增加了结构安全度。

　　 (3) 对大跨度转换结构, 当脚手架的强度不能支持上部结构的所有荷载时, 逐层施工对转换结构内力造成的影响较大。不同的施工方案对应的结构构件内力差别很大, 应结合施工方案进行施工全过程模拟分析, 才能保证结构安全。

　　 本工程已于2017年完成主体结构、外幕墙及内部装修施工, 脚手架全部顺利拆除, 正在进行设备调试。施工过程顺利, 观测挠度及裂缝, 均未发现异常。