中山利和国际贸易中心主塔楼高311.8m,与5层的商业裙楼(29m)和10层的跨街楼(58m)连为一体。主塔楼地上63层、地下2层,总建筑面积20万m²。

　　 塔楼平面呈矩形,平面尺寸52.6m×38m,结构高宽比8.2;核心筒平面尺寸28.5m×13.65m,高宽比22.8。建筑在10,21,37,53层设置4个避难层,将主塔楼功能区从下至上分为商业、会所、办公、酒店(图1)。

　　 主要功能为电影院和宴会厅的跨街楼与主塔楼相连,因交通需要,跨街楼底部两层挑空,结构最大跨度40.8m。

　　 裙楼和跨街楼人流大于5 000人,塔楼总使用人数大于8 000人,故全楼按重点设防类(乙类)设计。抗震设防烈度为7度(0.1g),设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为0.45s。根据《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92—2013)^[1],中山地区用于位移、强度控制的基本风压分别为0.65,0.80kPa,地面粗糙度类别为C类,体型系数为1.4。因项目处于强风区,结构风荷载设计采用规范和风洞风荷载双控^[2]。

　　 结构高宽比偏大,特别是核心筒高宽比达到22.8,是本项目的主要特点。由于塔楼高度超300m且风荷载偏大,如何解决结构的抗风刚度、并尽可能地将核心筒的倾覆力矩传递到外框上是本项目的设计难点。

　　 本项目为典型的风控建筑,考虑到外框柱与内筒之间距离约11.5m,外框柱间距11.5～13.7m,采用了型钢混凝土柱(SRC柱)+混凝土梁的结构形式^[3],在节约成本的同时,混凝土构件的刚度对抗风也更有利。为控制柱截面尺寸并满足抗震延性要求,39层以下外框柱采用SRC柱^[4],之上除与伸臂梁相连的外框柱仍为SRC柱外,其余采用钢筋混凝土柱。

　　 为提高结构刚度,设计采用了伸臂梁+腰环梁的新型加强层方案(图2)。该方案构成和特点、存在的强柱弱梁、强剪弱弯等抗震问题^[5],后文将作进一步论述。

　　 如图3(b)～(d)所示,建筑要求在酒店区核心筒内设置观光电梯,同时在38层以上Y向两主受力墙肢上开设观光洞口,造成酒店区两片Y向剪力墙移位后与下层剪力墙不能对齐。为避免剪力墙出现错洞和转换,设计将38～40层的观光洞口封闭,形成3层高、夹角约15°的搭接墙,确保荷载可靠地传递给下部墙肢。

　　 为满足建筑立面要求,外框柱在上部50～55层之间采用倾角约5°的斜柱。由于柱轴力较小,斜柱水平分力对楼盖影响很小。

　　 与塔楼相连的跨街楼全高范围内只能在两侧各设置一排结构柱,楼面梁跨度40.8m。建筑要求楼板每隔一层挑空,形成两层通高的大空间。设计对比分析了钢筋混凝土主次梁和组合钢次梁两个方案(图4)。

　　 由于混凝土主次梁方案的结构自重大、荷载主要由主梁承担,即便采用2.5m高主梁,配筋率仍超过3.0%,实际难以施工。且为平衡主梁端部的巨大弯矩,对应框架柱配筋率也超过3%。此外为控制主梁裂缝宽度和挠度,还需采用预应力技术,进一步加大了框架柱弯矩和边梁扭矩。因此,跨街楼最终采用了自重更轻的组合钢次梁方案,钢筋混凝土主框架梁高可降低至2.0m,组合钢次梁1.8m。跨街楼的抗侧刚度和抗震承载力可通过钢筋混凝土框架来保证。

　　 为提高结构X向刚度,设计研究了以下三种方案:跨层伸臂桁架、搭接墙、伸臂梁+腰环梁。

　　 跨层伸臂桁架方案是比较常见的结构体系,如图5所示,在21～22,37～38,53～54设置了3道2层高的X向伸臂桁架,结构刚度可满足规范要求。但存在以下问题:1)受避难层层高限制,伸臂桁架必须是2层高,跨层伸臂对其上层和避难层的建筑功能都有一定影响;2)由于核心筒X向宽度较窄,刚度过大的伸臂造成结构刚度突变非常严重,加强层下层均为薄弱层,对核心筒受力更加不利;3)加强层伸臂和腰桁架为钢结构,而各层楼面为混凝土结构,造成加强层构件与楼面梁、SRC柱的连接都较为困难、不利施工。

　　 如图6所示,在37,53层设置腰桁架,并在10～19,21～35,37～53层范围内利用建筑隔墙,从外框柱向核心筒方向布置一定长度的剪力墙以提高结构刚度。为避免新增剪力墙出现高位转换,剪力墙在邻近加强层时逐渐缩短到柱边,将竖向荷载以类似搭接方式传递给加强层外框柱,形成搭接墙加强方案。

　　 搭接墙方案的整体刚度与跨层伸臂方案接近,但最大问题是连接核心筒和搭接墙的梁(简称柱墙梁)在小震下即出现比较严重的超筋、搭接墙剪压比也超限(图7(a)),可能的原因是:

　　 (1)结构高度超过300m,即便采用施工模拟调平等方法,外框柱与核心筒之间的竖向刚度差依然较大,导致柱墙梁在水平荷载作用下的弯矩比竖向荷载下的弯矩大1～2倍。

　　 (2)搭接墙无法落地,且在加强层位置必须缩短到柱边,因此并不能提高外框的轴向刚度,反而加大了外框重量,进而增大了与核心筒的竖向变形差。

　　 (3)设置搭接墙后,外框与核心筒的距离从原来的11m缩短至5～6m,使得柱墙梁的线刚度大幅加大;且可变形距离缩短,由竖向刚度差造成的梁端弯矩也大幅加大。从柱墙梁的弯矩包络图可以看到,水平荷载下梁两端弯矩很大,其受力方式类似于连梁,很难避免超筋。

　　 (4)搭接墙自身会分担楼层剪力,但受建筑布局限制,其厚度不能超过300mm。受梁端和外框柱转动变形影响,在小震下加强层附近的搭接墙就出现抗剪截面不足,中震下大部分搭接墙的剪压比都超限。

　　 因上述两个方案实现难度大,设计最终采用了伸臂梁+腰环梁的加强层方案。在10,21,37,51层设置了4个加强层;每个加强层在结构X向设置了2道2～3m高的SRC伸臂梁,并在条件较好的21,37层设置2道封闭的3m高腰环梁(图8)。

　　 与上述两个方案相比,伸臂梁+腰环梁方案有如下优点:

　　 (1)伸臂梁工作特点与伸臂桁架相似,但从3道跨层伸臂变为4道伸臂梁,单个加强层的刚度突变大幅减小,加强层下层不会出现薄弱层,对核心筒的不利影响小,无需在剪力墙内埋置暗撑。

　　 (2)从图7(b)也可以看到,伸臂梁外框分担的倾覆力矩与伸臂桁架相差不多,但其在加强层的倾覆力矩分担率更为均匀。

　　 (3)伸臂梁下留有3m的建筑净高,基本不影响建筑和设备布置,更不会影响加强层上层布置。

　　 (4)37层的腰环梁,同时也作为转换梁支承酒店区外框柱,避免了其他两个方案都必须在37层采用复杂的腰桁架来转换上层柱的困难。

　　 (5)伸臂梁和腰环梁内都只需要设置抗剪的窄翼缘钢骨,与楼面其他混凝土构件连接简便可靠。

　　 (6)伸臂梁主要以梁的方式工作,发挥其抗弯刚度,对楼板基本不依赖;不会如伸臂桁架那样在上下弦楼板产生很大内力,更不会如搭接墙那样本身就分担大量楼层剪力,造成柱墙梁附近的楼板抗剪截面不足。

　　 综上所述,针对本工程的风荷载、建筑体型和布置特点,采用伸臂梁+腰环梁的刚度加强方案是合理的。

　　 实现伸臂梁+腰环梁刚度加强方案的关键是保证高大的伸臂梁和腰环梁能满足强剪弱弯、强柱弱梁的抗震延性要求。设计主要从宏观概念、计算分析、弹性和弹塑性性能验算几个方面来予以保证。

　　 为满足强剪弱弯的抗震构造要求,设计将梁内钢骨设置为主要提高抗剪承载力的窄翼缘钢骨(翼缘宽度仅200mm,腹板厚度约为梁宽的3%～4%),同时在伸臂梁两端有意将钢骨高度减小(图9(a)中梁跨中钢骨距梁面200～300mm,梁端部钢骨距梁面加大至500～600mm),以确保塑性铰出现在梁端。

　　 为满足强柱弱梁的抗震构造要求,设计通过控制梁柱截面尺寸、拉大梁柱混凝土强度等级差异、采用钢骨截面形式等多种方法来实现。如对混凝土强度等级为C40、截面尺寸为800×3 000、内埋窄翼缘的SRC伸臂梁,对应的柱采用混凝土强度等级为C70,截面尺寸为2 000×2 000,柱内采用宽翼缘钢骨,此种方式可同时提高抗弯和抗剪能力(图9(b))。通过宏观概念和合理的构造设计,使外框柱截面抗弯模量为与其相连伸臂梁的1.1倍。

　　 为定量分析强柱弱梁,可用下述计算方法来控制柱配筋,以确保柱不先于梁屈服。

　　 如图9(c)所示,忽略上层柱所分担的弯矩,偏安全地假定梁弯矩全部由本层柱承担,则梁弯矩为M时,柱轴力为“上层柱轴力N+梁剪力V”。一旦梁最大配筋率确定后,则梁所能承担的最大弯矩M_u、最大剪力V_u便已知;相应的可得出柱设计轴力N+V_u,进而可计算出确保强柱弱梁所需的柱最小单侧配筋率。

　　 为确定伸臂梁和腰环梁的最大配筋率,设计考虑了正常使用状态下的裂缝验算、小震和风荷载作用下的弹性设计、中震和大震下的性能验算等包络工况。

　　 以要求较高的伸臂梁柱节点为例,设计给出了实现强柱弱梁所需的柱单侧最小配筋率要求。从表1可以看到,由于柱处于压弯状态,越靠下的加强层,为匹配伸臂梁弯矩所需的柱单边配筋率也越高,最高配筋率达到1.1%。实际设计中考虑柱内钢骨翼缘后,柱单侧含钢率都在1.5%以上,且伸臂梁受弯开裂后刚度和弯矩会进一步降低,足以保证柱晚于伸臂梁屈服。

　　 大震弹塑性下,伸臂梁和腰环梁在端部先出现开裂和屈服(图10),保护了柱和剪力墙,验证了上述措施的有效性,实现了强柱弱梁、强剪弱弯的多道抗震设防理念。

　　 (1)前三阶周期分别为7.06s(X向平动),6.13s(Y向平动),3.30s(扭转),第一平扭周期比值远小于规范0.85的限值,结构具有较大的整体抗扭刚度。

　　 (2)结构为典型的风控建筑,风荷载和小震下层间位移角X向分别为1/509,1/714,Y向分别为1/859,1/929,均可满足1/500的规范限值要求。

　　 (3)X,Y向刚重比分别为1.62,2.28,均大于1.4小于2.7,满足整体稳定要求,但需考虑重力二阶效应。在风荷载、小震及中震作用下,基础底面均未出现零应力区。

　　 (4)Y向基底剪重比1.24%,满足1.2%的限值要求;X向基底剪重比1.16%,仅有两层不满足1.2%的限值要求,但大于最小剪重比的85%(1.02%)。

　　 (5)结构无明显的薄弱层、软弱层。

　　 (6)裙楼以上部分扭转位移比均小于1.2;受裙房、跨街楼影响,裙楼部分X向扭转位移比急剧增大到1.59,但对应的层间位移角仅1/6 177,抗扭性能良好。

　　 (7)在伸臂梁和腰环梁所在的加强层,外框分担的剪力大幅增加,核心筒分担的剪力减小、但并未出现负剪力现象。

　　 (8)规定水平力作用下,X,Y向外框分担的倾覆力矩分别为40%,24.5%,均大于20%。

　　 (9)X,Y向外框分担的剪力比分别为69.1%,49.6%,均大于10%,表明作为二道防线的外框架具有足够的刚度。

　　 本工程除塔楼高度超限为B级外,还存在五项一般不规则;但其中扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续三项都只在裙楼部分出现,属于塔楼的只有高位转换和斜柱两项,程度并不严重。项目已经通过了超限高层抗震设防专项审查。

　　 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)^[6]第3.11节要求,进行结构抗震性能化设计并采取相应措施:

　　 (1)设定结构抗震性能目标为C级。

　　 (2)将核心筒底部加强区、与伸臂梁和腰环梁直接相连的剪力墙、跨街楼边跨框架等定义为关键构件,并设定中震弹性、大震抗剪和抗弯不屈服的性能目标(比C级更严格),以达到更好的抗震性能。

　　 (3)将伸臂梁和腰环梁等特殊构件的性能目标定义为中震抗剪弹性、正截面抗弯不屈服,大震抗剪不屈服。由于37层腰环梁兼做转换梁,提高其性能目标至中震弹性、大震抗剪和抗弯不屈服。

　　 (4)验算核心筒墙肢在中震不屈服下的最大拉应力为2.22MPa,满足2f_tk的限值要求。

　　 (5)由于结构体系和地震力分配较为合理,除加强层外,中、大震性能验算下仅底部加强区部分剪力墙水平分布筋提高至0.8%～1.2%,其他构件构造配筋即可满足要求。

　　 (6)与加强层的SRC伸臂梁和腰环梁相匹配,外框采用含钢率3%～4%的SRC柱;与伸臂梁相连的核心筒四角在全楼高度内设置含钢率3%～4%的型钢。

　　 针对核心筒高宽比偏大、风荷载大等设计难点,选取了抗风刚度更大的带加强层的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系;并利用外框柱尺寸较大的优势,采用了新型的SRC伸臂梁+腰环梁刚度加强方案。既显著提高了结构刚度,又避免了常规加强层刚度急剧突变和薄弱层等问题。通过概念和构造设计、计算分析、性能设计等多种措施,确保了结构满足强柱弱梁、强剪弱弯等抗震延性设计要求。计算结果表明,结构各项指标表现良好,且可实现较高的抗震性能目标。