富雅国际金融中心位于广西省南宁市五象金融新区, 建筑用地面积为14 290.55m², 总建筑面积为206 155.76 m²。项目设有5层地下室, 底板面标高为-18.9m;主楼地上70层, 1~3层通高为15.15m, 12, 27, 42, 43, 55为避难层, 层高为4.0~5.2m, 标准层层高为4.15m。从室外地面算起的建筑总高度为297.75m, X, Y向的高宽比分别为6.22, 8.88 (回转半径计算) 。地下室为车库和设备用房。建筑效果图见图1, 标准层结构平面布置见图2。

　　 由于主楼为高档超高层写字楼, 考虑采用技术成熟、造价经济的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系, 以9.5~9.7m柱距的框架来满足高档办公楼应具有开阔景观视野的功能要求。结构平面中部为落地核心筒, 外围布置16根底部直径分别为1 700, 1 500mm的钢管混凝土柱, 连接两者的框架梁与外框架柱和内筒剪力墙面内均为刚接, 通过框架效应将外框和内筒协同为整体共同抵抗水平荷载作用。由于Y向结构高宽比达到8.88, 核心筒高宽比达到18.5, 且建筑师要求梁高限值为600mm, 故Y向需要利用建筑的42, 43层避难层设置一道加强层来满足抗侧刚度的要求。42, 43层伸臂桁架平面图见图3。

　　 根据地质勘察报告, 场地地层岩性自上而下由新近堆积的人工素填土、含砾粉质黏土, 下伏泥盆系榴江组的破碎硅质岩、硅质灰岩等组成。其中破碎硅质岩节理裂隙极发育, 岩体胶结程度差, 振动易沿节理裂隙面裂开, 遇水易软化, 层厚为8.00~35.70m, 层面埋深为12.80~26.00m;硅质灰岩风化裂隙发育, 层面埋深较深, 部分钻孔揭示在底板下70~80m。

　　 根据抽水试验报告, 场地破碎硅质岩 (4) 的渗透系数取13.18m/d, 为强透水层, 不宜采用人工挖孔桩基础。

　　 由于底板底以下为强风化破碎硅质岩, 地质勘察报告建议该层地基承载力特征值f_ak为500k Pa, 而现场浅层平板载荷试验结果显示塔楼范围内f_ak达1 000k Pa。故基础考虑利用破碎硅质岩, 采用刚性桩复合地基+筏板方案。

　　 出于减小总变形量、控制变形差异, 并相应减小筏板厚度的考虑, 采用变刚度调节设计:核心筒、柱下采用刚性桩复合地基, 处理后刚性桩区域的地基承载力为1 640k Pa, 其余区域的地基承载力按1 000k Pa考虑, 桩布置平面图见图4。

　　 本工程采用直径为800mm的灌注桩作为刚性桩, 混凝土强度等级为C40, 单桩竖向承载力特征值取5 300k N;桩顶设置褥垫层, 根据变形协调原则确定褥垫层厚度为300mm;核心筒部分筏板厚度为3 800mm, 剩余部分筏板厚度为3 000mm, 筏板混凝土强度等级为C40。

　　 由于桩顶褥垫层压应力达1 640k Pa, 对褥垫层的变形尚无类似案例可以参考, 为较准确地预估变形, 确定褥垫层的厚度, 现场进行了3个褥垫层在同等压应力水平下的压缩模量试验。试验测得压缩模量为53, 59, 63MPa, 与预估结果接近, 结合桩、土的变形, 确定褥垫层厚度为350mm, 且仅在桩头处设置。褥垫层做法及压缩模量试验见图5, 6。

　　 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1] (简称高规) 的要求, 剪力墙的混凝土强度等级不宜高于C60, 轴压比小于0.5, 而本项目核心筒受荷面积大、层数多, 初步计算如采用C60混凝土, 底部楼层核心筒外围剪力墙厚度达1 900mm, 对建筑使用功能影响较大, 建筑师要求墙厚控制在1 200mm以内, 故结构师通过以下方式控制剪力墙厚度:1) 核心筒采用钢管高强混凝土剪力墙, 并采用C70高强混凝土;2) 为提高C70核心筒的延性, 适当增加墙的配箍率;3) 钢管混凝土剪力墙的设计参照文献[2]的结果, 同时偏安全地不考虑套箍系数的提高作用, 保留足够的安全储备;4) 大震下动力弹塑性分析表明, 钢管高强混凝土剪力墙在大震下仅轻微损伤, 满足设定的性能目标。

　　 通过采用钢管高强混凝土剪力墙, 使底层剪力墙厚度控制在1 100mm以内。施工现场反映, 与其他形式的型钢组合剪力墙相比, 该剪力墙的施工极其方便。图7, 8为钢管混凝土剪力墙大样及施工现场图片。

　　 由于核心筒高宽比较大, 需设置伸臂桁架, 经初步敏感性分析竖向在42, 43层避难层设置一道加强层可以满足抗侧刚度的要求, 分别计算对比以下4个方案:1) 方案1:设置四榀伸臂桁架+腰桁架;2) 方案2:设置四榀伸臂桁架;3) 方案3:设置中间两榀伸臂桁架+腰桁架;4) 方案4:设置两侧两榀伸臂桁架+腰桁架。各方案示意图如图9所示。

　　 各方案的层间位移角曲线对比及刚重比如图10、表1所示。由图10、表1可知, 方案4的层间位移角满足要求, 但其刚重比小于1.4, 不满足要求, 其余方案的层间位移角及刚重比均满足要求, 方案3, 4与方案2相比, 刚重比相差5.0%~5.5%。而方案1较方案2的层间位移角减小6.6%, 刚重比增加1.1%, 故知腰桁架贡献较小。因此, 可以不设置腰桁架, 仅设置四榀伸臂桁架, 即采用方案2。

　　 根据高规规定的稳定性要求, 本项目应满足EJ_d/∑GH²≥1.4, 由于结构核心筒高宽比大, 计算结果刚好接近限值, 但无多少富余, 考虑到高规中刚重比的计算公式是基于建筑物为一荷载沿竖向均匀分布的均质悬臂杆的假定推导出来的, 与实际可能有较大误差, 故采用SAP2000软件补充整体稳定验算并同时进行下部16m高柱的局部稳定验算, 竖向荷载作用下首层柱与结构典型屈曲特征值及屈曲模态见图11, 12及表2。

　　 分析结果表明, 结构在12.353倍竖向重力荷载作用下出现第1阶屈曲模态, 在25.931倍竖向重力荷载作用下, 首层局部柱出现屈曲, 远超过柱的极限承载力。因此可以判定, 结构不会先于强度发生整体和局部的屈曲失稳破坏。

　　 在地震作用下, 框架部分分配的楼层地震剪力最大值与结构底部总剪力的比值详见表3, 地震作用下框架部分各层剪力与底部总剪力的比值以及与本层总剪力的比值沿高度变化如图13所示。由图13可知:

　　 (1) 剪力大部分由核心筒承担, 框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值为结构底部总剪力标准值的17.4%, 从3层开始大部分楼层X向框架分配的地震剪力均超过底部总剪力的8%, 占本层地震剪力的比例均大于5%, 大部分大于10%;从8层开始大部分楼层Y向框架分配的地震剪力均接近底部总剪力的5%, 占本层地震剪力的比例大部分均大于5%, 超过一半楼层大于8%。对于框架部分分配的楼层地震剪力标准值小于结构底部总剪力标准值的20%的楼层, 按结构底部总剪力标准值的20%和框架部分分配的最大楼层 (加强层及其相邻上下层除外) 地震剪力标准值的1.5倍二者的较小值进行调整, 框架柱剪力放大系数为1.2~14.5, 柱实际的抗剪承载力均大于设计剪力。

　　 (2) 框架与核心筒分担倾覆力矩的比例为X向32.8%, Y向49.8%, 处于框架-核心筒体系的正常水平。

　　 (3) 剪力墙按承担100%的总地震剪力设计:抗剪需求能力比 (剪力与抗剪承载力比) 最大值为0.060, 剪压比最大值为0.011, 存在较大富余。

　　 (4) 补充中震墙柱受拉分析:首层墙柱最小轴压力为19 924.4k N, 桁架下一层 (40层) 墙柱最小轴压力为1 321.3k N, 墙柱均未出现受拉。即中震下结构总体能满足仅“轻度损坏”, 达到第3水准的抗震性能目标。

　　 (5) 补充首层剪力墙及加强层剪力墙中、大震分析:以图14的内筒剪力墙为例, 剪力墙在小震、中震及大震作用下的剪力及相应截面轴向承载力设计值、标准值、极限值见表4。结果表明, 各剪力墙均满足要求, 即小震作用下无损伤, 中震作用下轻微损坏, 大震作用下轻度损坏的抗震性能目标。

　　 通过以上分析可知, 虽然结构底部框架部分各层剪力与底部总剪力的比值不满足规范要求, 但通过按规范放大剪力对柱进行设计, 增加柱的抗剪承载力, 同时核心筒剪力墙按承担100%的总地震剪力进行设计并预留较大富余, 是安全可靠的, 不必对结构刚度进行调整。该处理方式在超限审查过程中得到了相关与会专家的认可^[3]。

　　 徐变收缩变形可以减缓因弹性变形引起的内核心筒与外框柱之间的竖向变形差, 且随着时间的发展变形差可以更进一步地缩小, 因此考虑徐变收缩变形对于该项目普通楼面梁是一种有利因素。但由于封顶后徐变仍在继续发展, 必然会在闭合后的伸臂桁架中产生附加内力, 对伸臂桁架是一种不利因素, 因此有必要进一步分析徐变收缩变形对加强层伸臂桁架斜腹杆的内力影响。

　　 基本假定:1) 楼板的平面外弯曲刚度忽略不计;2) 假定的施工过程及加载如下:混凝土加入计算时的初始龄期按3d考虑, 若为0d则因混凝土尚未凝固, 未具有强度及弹性模量, 程序将会出现不可预料的错误结果;地下室按15d一层的速度施工;上部结构按6d一层的速度施工;假定所有恒载逐层施加;3) 采用MIDAS/Gen软件考虑了混凝土徐变收缩影响的结果与YJK软件不考虑混凝土徐变收缩的结果进行比较。

　　 经对比分析, 可得以下结论:1) 采用MIDAS/Gen考虑了混凝土的徐变收缩后, 梁端弯矩明显降低。如第23计算层, 不考虑徐变收缩模型的弯矩值为928k N·m, 考虑徐变收缩后, 弯矩降为473.6k N·m, 下降了49%。墙柱内力变化不大。因此考虑徐变收缩变形对于本项目普通楼面梁是一种有利因素。2) 采用MIDAS/Gen软件考察考虑徐变与否对加强层斜腹杆的轴力影响, 见图15。由此可知, 考虑徐变后斜腹杆的轴力较不考虑徐变有较大的增长, 因此施工图必须考虑徐变因素对斜腹杆内力的影响。

　　 本工程在42, 43层设置伸臂桁架加强层, 加强层桁架的斜撑仅用于与内筒及框架一起承担水平荷载作用下的倾覆力矩。为避免竖向荷载作用下斜撑承担较大的轴力, 现场施工时先施工节点, 斜撑与节点之间采用活动套筒连接, 待主体结构封顶及隔墙、幕墙安装完成后再将其焊接固定。

　　 为确保斜撑连接固定之前主体结构刚度满足施工要求, 采用10年一遇基本风压0.25k Pa验算未设加强斜撑时的结构刚度, 计算得出, X向最大层间位移角为1/1120 (71层) , Y向最大层间位移角为1/521 (71层) , 均满足规范要求。

　　 (1) 刚性桩复合地基可以安全应用于300m的超高层建筑, 高应力水平下的褥垫层参数应参考试验结果。

　　 (2) 钢管混凝土剪力墙抗震性能高, 施工方便, 且可以大大地减小截面尺寸, 可在超高层建筑中推广使用。

　　 (3) 伸臂桁架应根据平面进行敏感性分析, 确定最优布置方案, 同时需考虑混凝土徐变的不利影响, 必要时可通过斜撑后连接方式减少内力。

　　 (4) 框架-核心筒结构在底部楼层框架部分各层剪力与底部总剪力的比值无法满足规范要求时, 可通过增加柱墙的强度储备处理, 可不进行刚度调整。

　　 (5) 由于高规中刚重比的计算公式是基于建筑物为一荷载沿竖向均匀分布的均质悬臂杆的假定推导的, 必要时需采用有限元进行稳定补充复核。