广发证券大厦位于广州市珠江新城东侧，西临马场路，东临马场规划路，西边为珠江公园。总建筑面积约15.62万m²，地下5层，地面以上为各自独立的主塔楼及裙楼，主塔楼为办公楼，建筑面积约10.67万m²，地上63层，结构高度289.12m，建筑高度308m，主要楼层平面尺寸约42m×42m，为本文重点介绍对象;裙楼为内部员工餐厅，建筑面积约2 331m²，地上5层。建筑实景图、结构剖面及典型平面布置图如图1～3所示。

　　 本工程的结构设计使用年限为50年^[1]，因属抗震设计中的丙类建筑^[2]，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数γ=1.0。50年一遇基本风压取0.5kN/m²，地面粗糙度类别为B类。等效静风荷载按照华南理工大学风洞实验室提供的数据取用。抗震设防烈度为7度(0.1g)^[3]。场地类别为Ⅱ类，地震分组为第一组，特征周期T_g=0.35s，结构嵌固端为正负零。

　　 本项目在建筑立面造型上有两个比较显著的特点:1)四个角部均需要布置2根截面较大的近似矩形的柱，截面尺寸见图3;2)为了实现28层的空中大堂视觉效果，建筑四边的边柱在26～28层向内倾斜，倾角约10°;边柱29～33层向外倾斜，倾角约8°，具体的变化如图4所示。同时，建筑专业希望对边柱的截面尺寸进行控制。

　　 以下原因使外伸刚臂方案难以实施:1)根据建筑的需要，边柱的直径需要控制在1.4m以内。如果采用外伸刚臂的方式则边柱的最大直径至少需要1.7m;2)边柱在空中大堂上下若干层为转折斜柱，传递轴力曲折，需要在转折处设置水平构件以平衡其水平推拉力。如果采用外伸刚臂的方式，边柱的轴力在水平荷载下增大较多;3)核心筒内缺少完整的Y向剪力墙段，使Y向外伸刚臂的设置难度加大。

　　 综上，本项目采用带一道环桁架加强层的钢管混凝土柱钢框架+钢筋混凝土核心筒混合结构，既满足了建筑的立面造型及平面使用功能，也能满足结构的刚度和强度需求。同时，和外伸刚臂方案相比，施工难度有所降低。结构整体模型及主要抗侧力结构如图5所示。

　　 转折处设置平面拉梁连接两侧边柱，形成自平衡抗拉体系，以承受转折处柱产生的水平力。竖向构件转折处平面布置如图6所示。

　　 环桁架加强层设置于45～46层。对于带伸臂的加强层，环桁架的作用主要是协调外框架受力，减少其剪力滞后。但对于加强层仅有环桁架的本项目，环桁架还兼有伸臂的作用。具体的受力机理如下:核心筒由于弯曲变形产生转角，通过环桁架上下层楼板带动连接环桁架的柱产生拉压力，以抵抗水平荷载产生的倾覆力矩。环桁架受力机理如图7所示。

　　 本工程核心筒外围剪力墙厚度自下至上为900～300mm，核心筒内部剪力墙厚度为400～200mm，连梁高度700mm，宽度同墙厚;钢管混凝土角柱截面为800mm×2 500mm，边柱截面除1,2层为1 350外其他各层均为1 200;环桁架斜撑截面为□700×1 200×25×35，上下弦截面为□700×1 000×25×35;外框架与核心筒间为钢梁+混凝土楼板的组合楼盖，钢梁均为H型钢，外围环向钢梁梁高1 000mm，楼板厚度一般为110mm;核心筒内部为普通现浇混凝土楼盖，楼板厚度一般为120mm;环桁架上下层楼板厚250mm，相邻层楼板厚度200mm。

　　 结构弹性分析主要计算结果见表1。层间位移角及层刚度比曲线如图8,9所示，其中层刚度比的最小值为0.78。

　　 由表1可以看出，ETABS与MIDAS两个程序的计算结果均比较接近，计算结果合理。本工程属扭转规则，第1,2振型均为平动振型，扭转因子为0，第3振型为扭转振型，扭转因子为1.0，且扭转规则，表明结构的质量与刚度分布对称、均匀，无扭转耦联效应。本工程的核心筒承担了结构70%左右的基底弯矩及几乎全部的基底剪力。加强层下一层和加强层的刚度比为0.78，刚度比稍超规范要求。

　　 本工程除了存在高度超限外还存在以下的设计难点:

　　 (1)由于环桁架的设置导致的刚度突变^[4](加强层的层刚度比为0.78)。对此采取以下加强措施:加强环桁架所在楼层核心筒，增大环桁架所在楼层及上下各一层核心筒外围墙厚至600mm，提高该部分核心筒混凝土强度等级至C60，控制剪力墙在罕遇地震作用下的剪应力水平，并满足较为严格的“抗弯、抗剪不屈服”的性能目标，确保加强层核心筒在罕遇地震作用下具有较大的承载力安全度。

　　 (2)本工程通过环桁架及其相连楼板带动外框柱，并利用其拉压作用抵抗水平力产生的弯矩，所以外框柱、环桁架及相连楼板的设计非常重要，是水平力在外框架与混凝土核心筒之间可靠传递、提高结构整体性的重要保证，故采取如下措施:加强钢管混凝土柱及环桁架，提高其承载力安全度，经计算，钢管混凝土柱及环桁架均能满足“中震弹性，大震不屈服”性能目标要求，且弹塑性分析表明，在罕遇地震作用下仍能保持弹性状态;加强层及上下各一层楼板采取环桁架，上下弦楼板加厚至250mm，上下相邻层楼板加厚至200mm，提高该部分楼板混凝土强度等级至C40，采用双层双向配筋，适当提高楼板配筋率，控制楼板在设防地震作用下保持弹性，在罕遇地震作用下不屈服。

　　 (3)本工程的核心筒承担了结构70%左右的基底弯矩及几乎全部的基底剪力，同时考虑结构超高，故将核心筒的抗震等级比规范要求提高一级，按照除满足抗震等级特一级的要求外，还采取比规范要求更为严格的措施，控制剪力墙轴压比以保证其大震时的延性，本工程剪力墙轴压比均不大于0.48;适当提高剪力墙的配筋(剪力墙的水平及竖向分布筋配筋率一般为0.5%，暗柱配筋率一般为1.2%，加强层及上下各一层剪力墙水平分布钢筋率加大至1.0%，竖向钢筋及暗柱配筋同一般剪力墙)。底部加强区、水平分布筋配筋率加大至0.7%，竖向分布筋配筋率加大至1.2%，暗柱的配筋率加大至2.5%，以提高核心筒的极限变形能力;控制底部剪力墙在罕遇地震作用下的剪应力水平，并满足较为严格的“抗弯、抗剪不屈服”的性能目标，确保核心筒在罕遇地震作用下具有较大的承载力安全度。

　　 为实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计目标，提高结构的抗震安全度，本工程对抗侧力结构进行性能化设计，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.11条，将性能目标设定为C，各水准地震作用下的性能水准、层间位移角限值及结构构件的性能目标见表2。

　　 根据本项目的设计图纸、弹性计算模型及加强措施，采用PERFORM-3D建立弹塑性模型。剪力墙的轴向-弯曲变形采用弹塑性纤维单元模型来模拟，只考虑平面内的弯曲弹塑性性质，平面外弯曲和轴向变形均做弹性假定，剪力墙的剪切性能则通过非线性剪切材料来模拟;钢管混凝土柱、钢斜撑和钢梁均采用纤维模型模拟，普通钢筋混凝土梁采用弹性杆+转角型塑性铰的模型来模拟其非线性变形特征，深连梁(跨高比小于2.5)则采用PERFORM-3D中的普通剪力墙模型来分别模拟其水平抗弯和抗剪的非线性性能。构件和材料的刚度、强度或屈服弯矩等参数，主要依据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)、《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)以及ETABS的设计结果。

　　 从广东省地震工程勘测中心提供的罕遇地震波中按最大基底剪力的原则选出反应最大的1组人工波和2组天然波进行大震弹塑性计算。其中地震波峰值加速度取220gal，按主方向∶次方向=1∶0.85双向输入。

　　 大震作用下结构的总体性能目标为中度损伤，层间位移角控制在1/100，对于构件的损伤设定如下:1)对于关键构件如底部加强部位及加强层的剪力墙，加强层的环桁架、角柱、边柱要求不超过轻度损伤，抗剪不屈服;2)对于加强层的楼板、一般楼层的剪力墙要求抗剪不屈服;3)对于框架梁及耗能连梁要求不超过严重损伤，抗剪不屈服。

　　 表3为结构在不同地震波下结构的总体反应结果。可见最大基底剪力是小震下基底剪力的4倍左右，在经验范围内。大震下，最大层间位移角小于1/100，满足规范限值要求。

　　 结构在罕遇地震作用下的能量耗散情况如下:1)阻尼耗能约占总能量的40%;2)结构依靠自身构件的塑性耗能约占总能量的20%;3)在滞回能耗中，剪力墙耗能约占总能量的10%，连梁及框架梁耗能约占总能量的90%，柱基本不参与耗能，可见连梁是主要的耗能构件;4)整体结构处于中等偏弱的非线性状态，整体上，结构满足事先确定的性能要求。

　　 图10为人工波作用下混凝土连梁、钢斜撑、钢管混凝土柱及剪力墙的损伤情况。从图10可以得出以下结论:1)混凝土连梁基本都出现塑性铰，个别端部转角较大，达到严重损伤;2)钢梁和钢斜撑均未出现塑性，仍保持弹性状态;3)钢管混凝土柱均未出现受拉屈服或压碎;4)底部加强区和加强层剪力墙均未出现轻度或以上的拉压损伤，一般剪力墙均未出现中度或以上的拉压损伤;5)整个分析过程中，墙、柱、梁、楼板均满足受剪不屈服要求。综上所述，构件均满足设定的性能目标。

　　 本工程塔楼为了满足建筑功能需要和减少施工困难，采用仅带一道环桁架加强层的钢管混凝土柱钢框架+钢筋混凝土核心筒结构。采用了ETABS,MIDAS程序对结构进行竖向荷载、风荷载、地震作用的弹性计算，还采用了PERFORM-3D程序对结构进行了罕遇地作用下的弹塑性动力及静力计算。在设计过程中，对仅采用环桁架的加强层的受力方式及传力路径进行了研究，并采取了有针对性的加强措施。

　　 分析结果显示，结构抗震性能优良，能够满足抗震性能要求。该工程于2014年通过超限审查，于2018年12月结构封顶，目前已装修完毕，准备投入使用。