保利增城金融总部项目位于广州市增城区永宁街,总用地面积4.3万m²。项目由4栋塔楼和4层裙房组成,塔楼与裙房由防震缝分开。本办公塔楼为其中一栋,地上总建筑面积为14.3万m²,建筑总高335m。地上60层,主屋面高度289.60m;塔冠高度45.4m。4层地下室,底板标高-17.7m。办公塔楼分为5个办公区,办公标准层层高4.5m;设5个避难层,避难层层高6.5m;首层大堂4层通高20m;在第5层与60层设有配套层,层高6.5m;空中大堂设在42层,层高7.3m,空中大堂南侧中空,高度11.8m。外立面使得外框柱竖向三次不连续,分别为:在1～4层形成大V形斜柱(高度20m),在30～31层与50～51层形成两道V形转换桁架(高度均为11m)。塔冠为斜交网格形式(高度45.4m),且镂空。办公塔楼的效果图、立面与剖面图如图1所示。

　　 建筑平面外轮廓尺寸为52.0m×52.0m,高宽比5.6;核心筒尺寸为26.8m×25.4m,高宽比11.4。首层核心筒南侧为穿梭梯入口,核心筒外墙需做减薄墙厚且开洞处理。核心筒在4区(约2/3高度以上)与5区(约4/5高度以上)分别将南侧与北侧外剪力墙取消变为柱,以提高楼层的使用率。标准层建筑平面如图2所示。

　　 工程设计基准期为50年,结构安全等级二级,抗震设防类别为乙类。风洞试验风荷载与规范风荷载计算得到的基底剪力的比为0.93～0.97,基底倾覆力矩比为0.91～1.02,故风荷载取值采用风洞试验数据^[1]。

　　 抗震设防烈度为6度,场地类别为Ⅱ类,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,特征周期为0.35s。地震影响系数曲线按抗规^[2]5.1.5节采用,6s以后的地震影响系数曲线按拉平处理,即6s以后的地震影响系数等同于6s的系数。

　　 项目所在区域的混凝土厂家没有生产C80混凝土的经验,故本塔楼墙柱混凝土强度等级采用C60～C40,梁板C30。钢材除了关键部位采用Q390B外,均采用Q355B。钢筋采用HRB400。

　　 结构体系为带三道转换桁架的钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构,模型见图3。结构主要有以下特点:1)结构高宽比5.6,核心筒高宽比10.9,均在经济适中的范围;2)层高较高,存在三道转换桁架(图4),核心筒外墙取消变为柱子的起始楼层较低,这些均影响着结构刚度^[3];3)外框柱距5.1m,但柱宽仅600mm,且梁高受限,不能形成有效的外框密筒效应;4)外框刚度偏弱,计算与设计时,核心筒承担全部地震剪力,以保证安全。

　　 考虑楼面受拉的影响,转换桁架上下弦楼板采用水平钢支撑形式。标准层与转换桁架上下弦楼层结构布置见图5。剪力墙采用钢筋混凝土,底部设置钢骨;外框柱采用矩形钢管混凝土柱;径向梁与环向梁采用H钢梁,径向梁两端铰接;核心筒外楼板采用钢筋桁架楼承板。墙梁柱板等主要构件截面见表1。

　　 塔楼高度超限,同时具有“扭转不规则(偏心布置)”、“楼板不连续”、“刚度突变”与“构件间断”四项不规则项,属于超限高层建筑。超限情况见表2。

　　 根据塔楼特点和规范要求,主楼结构抗震性能目标定为C级。相应的结构在中震和大震水准下预期的震后性能状况如表3所示。

　　 采用YJK和ETABS两种结构分析程序进行计算比较,结构整体计算指标如表4所示。从表4可见,本塔楼由风荷载控制,风荷载下基底剪力是地震作用下的2.2～2.7倍。层间位移角曲线见图6。

　　 分别在第1,2,4避难层单独设置环带桁架(第3,5避难层外环已经为转换桁架),在第4避难层同时设置环带桁架与Y向伸臂桁架,以及不设任何环带桁架与伸臂桁架,比较这五种情况对基本周期、风荷载下最大层间位移角的影响。环带桁架与伸臂桁架设置的形式见图7,对比的结果见表5。

　　 从表5中可知,对周期与层间位移角的减小,在第4避难层设环带桁架的效果略好于在其他避难层设置。在第4避难层同时设置环带与伸臂桁架,效果会略有提高,但与无加强方案对比效果不明显,这是由于外框柱不连续导致的。在综合考虑结构刚度、抗震性能、经济性与建筑功能、施工因素,本塔楼最终选择第一种“无加强”方案:不另外设置环带桁架与伸臂桁架。

　　 转换桁架的节点是关键部位,对其进行节点有限元分析,分析采用了三种工况^[4]:1)工况1,加载力均由钢材承担,不考虑混凝土作用,这是偏安全的设计,以防止节点区混凝土浇筑不密实的情况;2)工况2,混凝土与型钢共同作用,混凝土与型钢采用共用节点方式连接,用来考察混凝土的应力水平;3)工况3,强节点弱构件验算,前两种工况的加载力均为大震等效弹性算法提取的构件内力,其目的是为了验算大震弹性的性能目标;但为了验算强节点弱构件的性能,分析时需逐步增加加载力,直到出现屈服的情况,考察节点与构件哪个首先屈服。

　　 为满足以上三种工况性能,节点设计时适当加厚节点区钢板壁厚,并提高钢号,采用Q390B。此处取首层转换桁架的下节点进行验算,其节点剖面三维示意见图8。

　　 对应上述的三种工况下,钢材与混凝土的应力云图见图9。从应力云图可得出:1)工况一,节点区钢材应力小于220MPa,处于弹性状态;2)工况二,节点区钢材应力小于140MPa,混凝土压应力小于20MPa,处于弹性状态;3)工况三,构件已屈服,但节点区钢材应力约270MPa,处于弹性状态,能实现强节点弱构件目标。

　　 建筑需在首层大堂穿梭梯入口处的剪力墙减薄至600mm厚,以提高使用的舒适度与建筑美感。为达到此建筑效果,结构需在首层核心筒外墙开洞并减薄处理,由此导致穿梭梯入口处的短柱成为一个薄弱构件,且底部墙厚减薄后与上部的厚墙产生偏心,需重点分析与设计。结构布置平面图与立面图见图10。

　　 其设计思路为:1)在短柱内埋置钢骨,使其满足小震弹性要求与中大震性能要求;2)在第4层设置不开洞的完整剪力墙;大堂通高20m,在第5层楼面才有楼板;剪力墙变厚度引起的偏心弯矩主要在5层楼面标高处平衡;3)在穿梭梯间柱上面设置SRC梁,作为第二道防线,在柱破坏后,形成转换梁,需满足小震弹性要求与中大震性能要求外,还需满足在穿梭梯间柱破坏假设下的大震抗弯抗剪不屈服的要求。

　　 分析步骤:1)建立模型,通过刚性杆模拟剪力墙偏心;2)分析小震弹性阶段剪力墙的各方向应力;3)验算大震作用下抗弯抗剪不屈服;4)在穿梭梯间柱破坏后的假设下,验算转换梁与支撑梁的剪力墙满足大震抗弯抗剪不屈服的性能要求。

　　 分析结果:1)剪力墙厚变化偏心对穿梭梯范围剪力墙的影响,由于墙厚变化处存在楼板,其偏心弯矩在5层楼板处平衡,其对下部穿梭梯薄墙的影响较小,剪力墙应力云图显示其应力不大;2)首层穿梭梯间柱小震弹性阶段的配筋均能满足大震抗弯抗剪不屈服的性能要求;转换梁小震弹性阶段的配筋均能满足大震抗弯不屈服抗剪弹性的性能要求;3)二道防线分析,假设在首层穿梭梯间柱破坏后,验算转换梁与两侧剪力墙垛的大震不屈服性能。验算得出转换梁需做如下加强措施:全长箍筋面积配筋率不小于2%外,且需按一级抗震等级的SRC转换梁要求配筋^[5]。

　　 桁架转换上下弦楼面设有水平钢支撑,如图5所示。在楼面转角区域,其上柱、下柱与环向梁、径向梁均不在同一平面内,力平衡体系较为复杂,见图11。节点处对径向梁有水平拉力的作用,因而径向梁也属于转换桁架受力体系的一部分,重要性相对较高,故将其设为关键构件,需满足中震弹性、大震不屈服的性能目标。

　　 为保证大震作用下楼板开裂时的结构安全,采用钢梁承担全部楼板地震力的设计方案。设计时,取有无楼板时桁架上方柱脚的剪力之比,为无楼板模型中外框转换桁架与径向梁的内力放大系数k(表6),与重力荷载下径向梁应力叠加,得到钢梁总的应力比(最大应力比出现在梁跨中下翼缘),表6为首层转角区域径向梁的性能验算。其他楼层亦进行类似验算,以满足中震弹性与大震不屈服的性能要求。

　　 同时验算转换桁架(包含斜腹杆与上下弦杆)作为关键构件时的中震弹性与大震不屈服的性能要求。按同样方法,弦杆最大应力比为0.80,腹杆最大应力比为0.65,均能满足性能目标。

　　 选用一组双向人工波,两组双向天然波,采用SAUSAGE软件对结构进行罕遇地震弹塑性时程分析,计算得到结构前3阶周期分别为7.121s(Y向平动)、6.376s(X向平动)和3.688s(扭转),X向为地震作用主方向时最大层间位移角计算结果见表7。

　　 大震动力弹塑性时程分析得出:1)结构的最大层间位移角为1/227,满足规范1/100的限值要求;2)由于地震烈度较低且风荷载较大,大震下剪力墙主要是连梁损伤,主承重剪力墙均未出现明显损伤,剪力墙边缘构件钢筋未出现塑性应变;3)三道转换桁架、顶部塔冠斜交网格钢材未出现塑性应变。

　　 本塔楼结合建筑立面造型,采用带三道转换桁架的矩形钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系,转换后的外框轴向刚度大幅降低是本塔楼结构受力的最大特点。本文重点进行转换桁架、伸臂桁架的敏感性分析、转换桁架节点分析、转换桁架楼层转角区域径向梁受力分析等,结合建筑方案特点,充分发挥结构构件各自效率,实现建筑设计与结构设计的完美结合。