沈阳新年代项目是集酒店、动漫大厦、文化艺术馆及展示馆于一身的综合性建筑, 项目总建筑面积124 734.5m², 地上建筑面积89 596.1m², 其中丽笙酒店建筑面积39 878.1m², 丽亭酒店建筑面积33 951.3m², 3层部位联桥建筑面积812.1m², 19层部位连廊建筑面积1 775.7m²。丽笙地上25层, 地下2层;丽亭地上21层, 地下2层。项目的结构总高度为99.95m, 建筑总高度为111.95m。丽笙、丽亭两座酒店及部分裙房的地下室部分与周围无上部结构地下室连为一整体, 地下室范围塔楼与裙房 (或无上部结构地下室) 间设沉降后浇带, 地面以上两座酒店塔楼与各自3~4层裙楼连为整体, 两座酒店塔楼自然分开, 每座酒店塔楼各为独立建筑。整个塔楼平面布置如下:丽笙酒店平面尺寸约为21.5m×70m, 丽亭酒店平面尺寸约为21m×66m。建筑效果标新立异, 致使结构体系非常复杂, 同时存在高位连体, 悬挑构件较多、跨度大, 局部扭转效应比较突出, 建筑效果见图1, 标准层见图2。

　　 (1) 丽笙酒店:在3层处设有悬挑18m的雨棚, 且无拉索构件;4层局部设有最大悬挑13m的结构构件;5~18层局部客房悬挑出去 (悬挑约为5.2m) ;19~21层悬挑约为30m, 与丽亭酒店悬挑部分 (悬挑约为40m) 连为悬挑结构, 形成空中楼层。空中楼层共两层, 底面板顶标高为78.15m, 顶面板标高为87.45m, 平面布置见图3。

　　 (2) 丽亭酒店:2层阶梯式讲演厅平面尺寸为27m×25.5m, 沿?轴悬挑出去, 见图4。4层以上开始至屋面机房层, ○P轴以北, 4#楼梯间全部悬挑出去, 悬挑长度约为9.6m, 此处设斜拉杆处理。

　　 结构设计使用年限50年, 建筑安全等级为二级。抗震设防类别为丙类, 抗震设防烈度为7度, 设计地震动加速度峰值为0.10g。设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.35s。基本风压0.60k N/m² (100年重现期) 及0.55k N/m² (50年重现期) , 地面粗糙度为C类。

　　 两座塔楼建筑属于A级限高的复杂连体、大悬挑高层建筑, 结构形式为框架-剪力墙结构, 主要框架柱采用钢骨混凝土劲性柱, 楼层为普通钢筋混凝土梁板结构。连体及悬挑部位为满足建筑设计理念的实现及结构上的安全、合理、适用及经济的要求, 在初步设计阶段进行了多方案的比较, 整个塔楼悬挑构件处采用钢结构框架及桁架体系, 悬挑18m雨棚处建筑效果要求不能出现拉索, 常规结构材料无法满足此悬挑长度的要求, 故选择钢结构体系。为有效平衡悬挑桁架的根部弯矩、减小框架柱承受的弯矩和剪力, 水平斜撑弦杆内伸两跨, 相连处局部框架梁采用钢骨混凝土劲性梁;高位连体处存在90°垂直正交, 考虑扭转效应及互相受制于对方塔楼的耦联影响, 选用钢结构能更好地实现。同时对连体结构与单塔连接处选用滑动支座还是刚接支座做了大量研究, 虽然滑动支座有利于耗能及震害的减轻, 但是限于其缺点及两个单塔在连体处非常明显的耦联及扭转效应, 为保证安全, 结合国内外震害经验最终选择刚接支座。

　　 裙房中, 丽亭酒店内的悬挑讲演厅是本工程另一大亮点及难点, 不仅悬挑长度大, 且重量大, 安全度要求高, 为满足上述要求及利于结构延性的实现、地震能量的耗散、整体与塔楼其他部位的协调, 最终采用钢结构桁架体系。讲演厅两侧采用变截面钢桁架, 讲演厅屋顶与斜向阶梯处的楼面采用钢结构主次梁连接桁架, 且端部增加水平斜撑提高抗侧能力, 同时屋顶桁架在两端另加水平支撑提高屋面水平向的刚度, 增强了悬挑讲演厅两侧桁架的平面外稳定性。讲演厅侧立面增设V字形支撑提高竖向抗侧刚度;讲演厅两侧桁架的X形垂直支撑弦杆内伸两跨, 提高整个讲演厅的端部约束能力, 减小框架柱承受的弯矩和剪力。中间上下楼层采用钢梁, 楼层板采用压型钢板组合结构。所有加强措施都是为了提高结构的整体刚度, 控制合理的变形。与讲演厅悬挑根部相连的几根框架柱采用钢骨混凝土柱, 截面为1 200×1 200 (钢骨截面H700×250×32×32) , 采用C60混凝土。其他裙房内框架柱均采用普通钢筋混凝土柱, 截面为700×700, 采用C60混凝土。

　　 丽笙酒店在3层处设有悬挑18m的雨棚, 此处采用实腹式钢梁, 其中钢骨内伸一跨, 见图5。19~21层悬挑楼层采用跨层钢结构桁架设计, 水平弦杆内伸两跨, 楼层及屋面采用压型钢板组合结构。与悬挑楼层相连处局部框架梁采用钢骨混凝土梁, 个别受剪力较大的连梁内设钢板。丽亭酒店全部悬挑出去的4#楼梯间全部采用钢结构。

　　 底部加强区及上一层的混凝土强度等级为C60, 顶部渐变为C30。讲演厅及高位悬挑处钢材选用Q420B;其他钢结构选用Q345B。

　　 关键构件混凝土部分框架柱、剪力墙的抗震等级:1) 地下2层为三级;2) 地下1层至地上17层为二级;3) 除与悬挑楼层相连的三排墙柱在18层至屋面层为一级;4) 除上面3) 条以外18层至屋面层墙柱为二级;5) 丽亭裙房与2~3层悬挑讲演厅相连部分为一级;6) 丽亭4#悬挑楼梯, 从4层至屋面部分为一级。

　　 关键构件悬挑部位钢结构构件的抗震等级:讲演厅处悬挑钢结构、19~21层高位双向悬挑钢结构、悬挑雨棚钢结构、5~18层局部客房悬挑部分均为一级。

　　 由于本项目钢结构悬挑的重要性, 相应的抗震等级不低于相连接混凝土构件的抗震等级。

　　 (1) 平面不规则:丽笙、丽亭的2层楼板局部均开大洞, 开洞总面积超过楼面面积的30%, 在扣除凹入或开洞后, 楼板在任一方向的最小净宽度大于5m。

　　 (2) 竖向不规则:19~21层楼层高位连体, 且悬挑大于30m, 属于严重不规则。双塔平面连接为非对称布置连接, 地震作用下两塔楼的振动同步性难以一致, 扭转效应非常明显。

　　 (3) 丽笙和丽亭连体结构分析时首层建筑角点最大位移比超过1.4, 但这时绝对层间位移值很小, 均小于规范限值40%;位移比超过1.4的楼层均集中在19, 20, 21层。

　　 虽然高度未超过A级建筑关于框剪结构120m的限值, 但是存在多项超限情况, 故属于超限工程, 需进行超限高层抗震设防专项审查^[1]。本项目已顺利通过辽宁省超限高层建筑工程抗震设防专项审查委员会的审查。

　　 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2] (简称高规) , 塔楼结构抗震性能目标拟达到C级。该工程的总高度未超过框架-剪力墙体系建筑最大适用高度120m的限值要求, 该建筑中与大悬挑相连部分结构抗震性能目标按C级要求控制, 多遇地震、设防地震、罕遇地震相应的性能水准分别为1, 3, 4;其他一般部分结构抗震性能目标按D级要求控制。多遇地震、设防地震、罕遇地震相应的性能水准分别为1, 4, 5。

　　 鉴于工程的超限情况和结构特点, 对抗侧构件实施全面的性能化设计, 根据工程的场地条件、社会效益、结构的功能和构件的重要性, 并考虑经济因素、结构概念设计中的“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”和框架柱“二道防线”的基本理念, 制定塔楼的抗震性能目标, 如表1所示。

　　 弹性分析采用考虑扭转耦联振动影响的CQC反应谱法, 并考虑偶然偏心的影响。设计阶段采用两个不同力学模型的三维空间分析软件SATWE和MIDAS Building进行连体结构的整体内力、位移分析计算。连体结构的计算分两阶段进行, 首先各塔楼分别建模, 调整各塔楼的技术指标, 使两栋塔楼的质量和刚度尽量接近, 减少对连体部分产生的不利影响。然后再将两栋塔楼的模型合并, 形成连体结构后进行整体计算, 连体楼层处的楼板采用弹性板单元, 计算模型见图5。

　　 结构主要计算结果见表2~4, 由计算结果可以看出, 按连体或单体计算, SATWE与MIDAS Building两软件计算结果均比较接近, 同时单体与连体计算结果也比较吻合。扭转周期均为第三周期, 且与第一平动周期比值均小于0.9, 满足规范要求。连体结构的振型图非常明显地反映出各单塔之间相互扭转的影响, 特别是在连体处比较明显, 设计时应取单塔与连体计算的包络值。结构前三阶振型见图6。

　　 塔楼连体计算最大扭转位移比一般均小于1.2, 首层建筑角点最大位移比超过1.4, 但此处绝对层间位移值很小, 均小于规范限值40%;位移比超过1.4的楼层集中在19, 20, 21层, 主要是此处为悬挑连体楼层, 计算是按单塔定义, 楼层质心已移至两塔中间处, 处于塔楼主体之外, 建筑角点距质心很远, 故产生了位移比较大的结果, 位移比最大点为连体平面左下角点框架柱;如果相对各塔楼本身质心, 位移比均满足规范要求。

　　 丽笙单体结构分析时, X向地震作用下最大位移比为1.28, Y向地震作用下最大位移比为1.26;丽亭单体结构分析时X向地震作用下最大位移比为1.28, 出现在首层, Y向地震作用下最大位移比为1.25。

　　 显然由于高位连体, 导致结构体系存在偏心, 首层的塔楼以外裙房的大开洞边柱处, 位移比最大, 塔楼单体本身的位移比小于连体计算的结果, 连体计算的扭转效应更加明显, 因此加强了裙房及与塔楼相连楼层及高位连体处及相邻楼层处的抗震构造措施, 增强整体刚度。

　　 风荷载及小震作用下结构的层间位移角见表4及图7, 均小于1/800, 满足规范要求。

　　 整体计算时, 地下1层与首层刚度比计算:X向刚度比=5.9, Y向刚度比=3.97;丽笙单体计算时, 地下1层与首层刚度比计算:X向刚度比=3.12, Y向刚度比=2.29;丽亭单体计算时, 地下1层与首层刚度比计算:X向刚度比=2.12, Y向刚度比=3.10。

　　 综上, ±0.000m处满足《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (简称抗规) 第6.1.14条嵌固层刚度比限值不小于2.0的要求。说明结构模型选择合适, 结构设计合理。

　　 按塔楼连体计算结构刚重比为6.05, 大于2.7;按丽笙单塔计算结构刚重比为5.55, 大于2.7;按丽亭单塔计算结构刚重比为9.46, 大于2.7;不论单体还是整体计算均可以不考虑重力二阶效应。

　　 两种软件的计算结果基本一致, 结构周期比、层间位移角、位移比等指标可满足抗规、高规的要求。

　　 各塔楼层刚度比见图8, 楼层刚度比X, Y向均大于1。

　　 丽笙单体5, 6层层高相差较大, 5层层高H5=5 100mm, 6层层高H6=2 150mm;H5/H6=2.37>1.5;根据高规3.5.2-2条, 抗侧刚度比计算:X向 (5层/6层) 刚度比= (7.3×10⁶/14.894×10⁶) ×2.37=1.16>1.1;Y向 (5层/6层) 刚度比= (6.669×10⁶/13.887×10⁶) ×2.37=1.15>1.1。

　　 丽亭单体4, 5层抗侧刚度比计算:4层层高H4=5 400mm, 5层层高H5=2 150mm;H4/H5=2.51>1.5。X向 (4层/5层) 刚度比= (9.1355×10⁶/19.296×10⁶) ×2.51=1.189>1.1;Y向 (4层/5层) 刚度比= (9.0342×10⁶/18.636×10⁶) ×2.51=1.217>1.1。

　　 框架作为抗震的第二道防线, 构件设计上须满足高规8.1.4条的要求^[2,4], 多遇地震作用下, 框架部分承担的地震剪力如图9所示。对不满足要求的楼层, 按照高规进行调整。

　　 各塔单独计算时, 剪力墙剪压比均满足要求。连体计算时, 除丽亭酒店在19层墙肢WA9 (图10) 剪压比不满足要求外, 其余剪力墙肢最大剪压比为0.13, 均满足要求 (剪压比小于0.15) 。采取在此墙内配置钢板的措施, 见图11, 以保证此片墙体剪压比满足要求, 计算公式采用《组合结构设计规范》 (JGJ 138—2016) 中式 (10.1.1.4-5) , 如下:

　　 取λ=1.5, V=18 140k N

　　 由A_a1=49 920mm², f_sp=295MPa, A_sp=48 000mm², f_a=265MPa得:

　　 所以V_CW<0.15β_cf_ckb_wh_wo。

　　 式中:M为墙肢计算截面弯矩计算值;V₀为墙肢计算截面剪力计算值;V为钢板混凝土剪力墙的墙肢截面剪力设计值;V_CW为仅考虑墙肢截面钢筋混凝土部分承受的剪力值;λ为计算截面处的剪跨比;A_a1为钢板混凝土剪力墙一端所配型钢截面面积;A_sp为剪力墙截面内配置的钢板截面面积:f_a为型钢抗拉和抗压强度设计值;f_sp为剪力墙截面内配置钢板的抗拉和抗压强度设计值;β_c为混凝土强度影响系数;b_w为剪力墙厚度;h_wo为剪力墙截面有效高度;f_sk为混凝土轴心抗压强度标准值。

　　 剪力墙WA9在配置钢板后满足剪压比要求。

　　 分析时采用了满足规范要求的5条天然波和2条人工波对塔楼整体进行时程分析。时程分析7条波底部剪力平均值大于振型分解反应谱法的80%, 各条波底部剪力值大于振型分解反应谱法的65%, 满足抗规第5.1.2条中的规定。后续设计阶段X向在17层以上放大1.23倍, Y向在21层以上放大1.12倍。

　　 采用《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) 进行了框架柱正截面承载力验算, 计算结果均满足设计要求, 框架柱斜截面承载力计算均满足设计要求, 框架柱轴压比最大为0.78, 满足规范要求。

　　 塔楼部分框架柱跨跃了1, 2层, 见图12, 根据性能目标跃层柱应满足中震弹性的要求。跃层柱验算思路:跃层柱轴力不放大, 地震工况弯矩进行放大, 放大系数 (剪力比) 取所在楼层跃层柱旁其他柱剪力与跃层柱剪力比值, 以保证跃层柱偏压的安全性。配置型钢的跃层柱满足中震弹性、大震不屈服工况下正截面承载力要求^[5], 见图13, 14。

　　 考虑双向地震后, 中震不屈服作用下, 部分剪力墙与框架柱KZ28, KZ39出现拉力, 但受拉合力值小于f_tkbh₀ (f_tk为混凝土抗拉强度标准值, b为柱截面宽度, h₀为柱截面有效高度) 。高位双向悬挑楼层及相邻上下两层和底部楼层讲演厅的墙柱, 由于提高了抗震构造措施且框架柱均采用了型钢混凝土柱, 并内延了一定的跨数, 故在小震作用下均未出现偏拉构件。在中震、大震作用下, 悬挑、连体结构支座处的框架柱、剪力墙出现拉应力, 但拉应力均小于混凝土抗拉强度设计值。为提高此处的安全度, 施工图阶段提高了相连及上下层墙柱的配筋率及配钢率。

　　 为了检查罕遇地震下结构性能, 采用Perform-3D软件进行动力弹塑性时程分析。对结构在大震作用下的非线性性能给出定量说明, 梁、柱采用纤维单元模拟, 剪力墙采用纤维墙单元。选用了5组天然波和2组人工波进行了罕遇烈度地震作用下结构的弹塑性时程反应分析。按照抗规要求, 计算分析时加速度峰值取220gal, 分别沿X, Y向双向输入。

　　 (1) 双向输入时X向为主方向的动力时程分析得出, 最大层间位移角为1/120;双向输入时Y向为主方向的动力时程分析得出, 最大层间位移角为1/128。两个方向最大层间位移角的楼层均出现在连体楼层及相邻楼层处, 满足高规中层间位移角小于1/100的限值及“大震不倒”的性能目标。

　　 (2) 底部加强区及上一层处的框架柱及剪力墙未出现塑性变形, 保持不屈服。其余楼层存在少数框架柱及少数剪力墙出现轻微损伤, 主要集中在高位连体处及相邻2层处, 后续设计阶段进行加强处理。

　　 (3) 丽笙酒店在3层处的无拉索悬挑18m的雨棚、19~21层悬挑出的空中楼层和丽亭酒店悬挑2层讲演厅的钢框架梁构件及所有钢支撑均出现少数的塑性, 但最大塑性应变远小于钢材屈服应变, 所有钢构件均没有发生屈曲破坏。

　　 (4) 绝大多数连梁在地震作用下首先进入屈服耗能状态, 产生损伤, 消耗地震能量从而有效保护了墙肢, 地震作用下该结构能达到性能目标, 耗能机制合理。

　　 本工程为平面复杂、立面不规则及高位连体的高层建筑, 新颖独特。为了保证性能目标的实现, 工程所采用的构造措施和加强措施主要如下:

　　 (1) 控制墙柱轴压比:型钢混凝土柱轴压比不大于0.85 (一级) , 剪力墙轴压比不大于0.5 (一级) , 以提高墙柱的延性。

　　 (2) 增加结构抗侧刚度, 减小结构侧向位移。丽笙、丽亭两座塔楼在地面以上本来是完全分开的, 平面形状简单规则, 但由于19~21层的悬挑楼层, 将两塔楼连接在一起, 在水平力作用下, 由悬挑楼层来协调, 应适当增加悬挑楼层的刚度使两塔楼变形协调。

　　 (3) 控制结构顶点最大加速度, 确保高层建筑结构具有良好的使用条件, 满足舒适度要求。

　　 (4) 跃层柱及与讲演厅、高位连体相连的框架柱采用型钢混凝土柱, 并且提高抗震构造措施, 剪力墙及框架柱的抗震等级采用一级。

　　 (5) 底部加强部位及相邻上一层的墙肢水平筋满足设防地震作用下弹性要求, 竖向钢筋满足设防地震作用下不屈服的要求。

　　 (6) 考虑到地下室对上部结构的嵌固作用, 在地下室各层增加了混凝土墙体, 满足了嵌固条件。同时, ±0.000m处楼板加厚至200mm, 采用双层双向配筋, 保证配筋率不小于0.3%;对楼板开洞处应采用洞口边加梁, 使其楼板平面内刚度足够将塔楼底层的剪力传递至较大范围直至四周的连续墙, 进而作用在四周的土体中。

　　 (1) 本工程造型上的主要特点包括双塔L形垂直高位连体、多处大悬挑、楼梯外挑、局部框架柱跃层、楼板开大洞等, 在对各特殊部位分别进行研究分析的基础上, 确定各塔楼采用框架-剪力墙的结构体系, 悬挑部位采用钢结构, 部分框架柱选用劲性钢骨混凝土柱。

　　 (2) 虽然工程结构高度未超过A级建筑关于框剪结构120m的限值, 但是存在多项超限情况, 且多处体型复杂多变, 为实现建筑造型及完美的使用需求, 同时为保证结构具有足够的安全储备, 设计过程中采用基于性能的抗震设计思路, 针对结构不同部位的重要性制定不同的抗震性能目标, 确保结构的可实施性及安全性。

　　 (3) 分别以单塔结构及多塔整合结构作为独立的分析对象, 由分析结果显示, 各塔质量、刚度、动力特性相近, 结构方案布置合理。结构设计时, 水平位移指标和承载力设计均按整体分析和独立分析的包络结果控制。

　　 (4) 对不满足大震作用下抗震性能指标的剪力墙采用布置钢板的方式加以弥补。

　　 (5) 大震作用下, 综合层间位移角、框架梁塑性变形程度、墙体拉压应变、楼层顶点位移、钢构件极限应变等指标, 可认为整体结构性能目标和构件性能水准可以满足大震不倒的要求, 符合制定的抗震性能目标。