方正金融中心位于武汉市武昌区中北路与车家岭街交汇处。项目由两栋超高层塔楼和连接于两栋塔楼之间的裙楼组成,并设有3层地下室。本项目主塔楼为超限高层建筑,主要功能为办公,主塔楼共51层,总建筑面积约为92 700m²,大屋面标高为230.80m。建筑平面最大尺寸45.60m×34.10m,核心筒最大尺寸34.40m×13.60m;外框柱主要柱距9.0m。其中11,22,31,41层为设备避难层,设备避难层层高4.50m及5.70m,标准层层高4.40m。建筑效果图如图1所示。

　　 本工程主塔楼采用钢框架(钢管混凝土柱+钢梁)+钢板组合墙核心筒+伸臂桁架+环带桁架的结构体系,地上裙楼与主塔楼通过设置防震缝脱开,形成独立的结构单元。主塔楼设计使用年限50年,建筑结构安全等级二级,抗震设防烈度6度,抗震设防类别乙类,基本地震加速度峰值0.05g,设计地震分组第一组;场地类别Ⅱ类,特征周期T_g为0.35s。50年一遇基本风压0.35kN/m²,地面粗糙度类别C类。整体三维轴测图如图2所示。

　　 本工程结构设计原则是在满足建筑使用功能和空间造型的基础上,结合本专业特点做到安全适用、技术先进、经济合理、便于施工。主塔楼地上结构高度230.80m,主塔楼X向高宽比230.8/45.6≈5.06,Y向高宽比230.8/34.1≈6.77,均小于高宽比限值7。核心筒X向高宽比230.8/34.4≈6.71,小于规范限值12,Y向高宽比230.8/13.6≈16.97,大于规范限值12。

　　 根据建筑高度、建筑布置、抗震设防烈度、结构体系适用范围以及工程设计实践,250m左右超高层结构大多数采用框架-核心筒的结构形式。该结构体系具有使用空间大而灵活、采光好、抗震性能好等特点,是高层公共建筑和办公用房的理想选择。也可采用筒中筒结构及外框巨型支撑结构,但此类结构形式使用较少。

　　 对于框架-核心筒结构体系,外围的框架可以是混凝土框架,也可以是型钢(钢管)混凝土框架。核心筒以混凝土核心筒居多,但也可以采用钢支撑核心筒。

　　 根据业主方缩短工期、提高结构装配率、提升整个项目综合效益的要求,结构形式主要选用钢结构体系。针对本项目核心筒高宽比大,Y向刚度弱的实际情况,主塔楼结构选用如下四种结构方案:

　　 方案一:钢框架-钢支撑内筒结构体系。核心筒采用箱形钢管混凝土柱-支撑筒体,外框架柱采用圆钢管混凝土柱,框架梁及楼盖梁均采用实腹钢梁,同时设置两道加强层(伸臂桁架及环带桁架)。

　　 方案二:带加强层的钢框架-钢板组合剪力墙核心筒结构体系。核心筒采用钢板组合剪力墙核心筒,其余同方案一。

　　 方案三:钢框架-纯钢板墙核心筒结构体系。核心筒采用箱形钢管混凝土柱+纯钢板剪力墙核心筒,其余同方案一。

　　 方案四:钢框架-巨型钢支撑+钢板组合剪力墙核心筒结构体系。外框架柱采用圆钢管混凝土柱,外立面四周设置巨型跨层钢支撑,核心筒采用钢板组合剪力墙核心筒,框架梁及楼盖梁均采用实腹钢梁。

　　 以上四种结构方案主要计算结果及经济技术指标对比见表1。从表1中可以看出,四种结构方案中,方案四结构成本最低,但外框巨型钢支撑结构在建筑平面使用功能及外立面效果上对建筑方案设计有影响,无法满足建筑方案设计效果要求。

　　 方案一与方案三因核心筒高宽比大,Y向侧向刚度弱,即使设置了两层伸臂桁架与环向桁架,也难以解决刚度小的问题,导致自振周期过长,且本身钢含量也较高。而方案二含钢量较低,且核心筒由钢板组合剪力墙组成,能充分发挥钢材与混凝土两种材料的各自优势,提升了结构侧向刚度,减少了结构自振周期,能较好地满足结构的抗震抗风要求。各方案工期无较大区别。综上所述,结构体系最终采用方案二:带加强层的钢框架-钢板组合剪力墙核心筒混合结构体系。

　　 超高层建筑混合结构体系中,核心筒剪力墙是重要的抗侧力构件,其不仅承担地震作用下大部分剪力,还要耗散地震能量;同时中下层剪力墙需承受很大的竖向荷载。为保证剪力墙的延性,必须严格控制其轴压比与混凝土强度等级。如果采用传统的钢筋混凝土剪力墙,只能增加剪力墙厚度;过厚的剪力墙会增加结构自重,导致地震作用增大及基础费用增加,同时还减少了有效使用面积,且还会使得核心筒的刚度增加,使得外框架更难以满足规范要求的楼层剪力承担比,需增大外框架的截面,导致整个结构成本增高。

　　 钢板组合剪力墙由两侧外包钢板和中间内填混凝土组成,且钢板与混凝土之间用连接件连接共同作用 ^[1]。钢板组合剪力墙将钢与混凝土两种材料组合在一起,充分发挥了各自的优势,能以尽可能小的墙体厚度来实现高轴压比和高延性的需求,从而获得更好的结构力学性能与综合效益,目前在超高层建筑结构中的应用越来越广泛 ^[2]。

　　 对于钢板组合剪力墙,国内外学者进行了大量研究,聂建国等 ^[2,3]对2组不同连接构造的钢板组合剪力墙进行拟静力试验,试验结果表明钢板组合剪力墙表现出良好的抗震性能,滞回曲线饱满、耗能能力大、位移延性较好,能满足超高层对剪力墙“高轴压、高延性、薄墙体”的设计要求。Masahiko等 ^[4]、Eom ^[5]等也对钢板组合剪力墙开展了抗震性能试验,试验结果表明该类结构具有良好的承载能力和延性耗能能力。同时钢板组合剪力墙具有如下优点:1)构造简单,钢板组合剪力墙可在工厂加工、方便安装,可提高装配率。2)外侧钢板在施工阶段可兼做混凝土模板,墙体内只需灌注混凝土而不需要配置钢筋,方便现场施工。3)混凝土填充于两外侧钢板内,能始终对钢板起到约束作用,防止钢板屈曲;而外侧钢板对内填混凝土同样具有约束作用,可提高内填混凝土的变形能力;特别对有横向拉结的钢板组合墙,钢板对混凝土的约束作用更强。4)外侧钢板可有效避免混凝土裂缝外露 ^[2]。

　　 综合上述多方案比选的结果以及钢板组合剪力墙的特点,并结合本工程的特点与业主方的设计要求,本工程选用钢板组合剪力墙组成核心筒,采用钢框架(钢管混凝土柱+钢梁)+钢板组合剪力墙核心筒结构体系,并设置两道加强层。圆钢管混凝土柱直径自下而上由1 400mm逐步缩小为900mm,壁厚由35mm减小为20mm。底部及加强层附近楼层外框梁梁高为1 100mm,其余楼层外框梁梁高为900mm,用以提高外框架梁的抗侧刚度,充分发挥外框架抗震二道防线作用;圆钢管柱采用Q345GJC钢材,内填混凝土强度等级为C60。

　　 楼面承重支承体系由钢梁、外框柱、核心筒组成。框架梁一端与核心筒铰接(或与核心筒暗柱刚接),一端与框架柱刚接。部分楼面钢梁铰接支承于核心筒连梁上。楼面体系为钢筋桁架楼承板,典型的办公层楼板厚度为120mm;加强层所在楼层、所有机电及避难层的楼板厚度增加为160mm,均采用钢筋桁架楼板。

　　 主塔楼的核心筒为34.40m×13.60m的矩形,底部的钢板组合剪力墙内墙厚为600mm,外墙厚为700m,混凝土采用C60,核心筒墙体厚度随高度增加逐渐减小,顶部内、外墙厚分别减小为300,400mm。由于建筑使用功能要求,建筑方案希望核心筒最左侧钢板组合剪力墙GBQ1(图3)超过41层后取消(41层为加强层)。但考虑到加强层附近楼层刚度不宜减小过快,42层最左侧钢板组合剪力墙GBQ1保留一段墙肢过渡,43层及以上楼层此区域墙肢仅设置两个端柱。核心筒角部、组合剪力墙端部及与其相交处均设置矩形钢管混凝土暗柱,主要核心筒剪力墙布置见图3,4。

　　 根据《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015) ^[1],钢板组合剪力墙的墙体外包钢板和内填混凝土之间的连接构造可采用栓钉、T形加劲肋、缀板、对拉螺栓及混合连接这五种连接方式。本工程底部加强区与加强层范围以及墙厚大于500mm的钢板组合墙采用混合连接,即栓钉+缀板的连接方式,构造示意图如图5所示。其他钢板组合剪力墙采用栓钉的连接方式,钢板均采用Q345。

　　 由于本工程核心筒呈长方形,两个方向刚度差别较大,Y向结构刚度较小。结构高宽比较大,整体结构较柔,需设置加强层提高整体结构刚度。考虑到建筑使用功能要求,将加强层设置在建筑避难层。建筑共设置有四个避难层,11,22,31,41层层高分别为4.50,5.70,4.50,5.70m。塔楼核心筒与外框架通过加强层伸臂桁架和周边环带桁架联系共同协调工作。

　　 为了充分了解伸臂桁架和周边环带桁架对整体结构的贡献,初步设计时对伸臂桁架、环带桁架的设置进行了多种方案对比分析,方案A采取Y向墙开洞,将加强层设置在22层与41层,两道加强层均设置环带桁架与Y向伸臂桁架;方案B采取Y向墙开洞,将加强层设置在31层与41层,两道加强层均设置环带桁架与Y向伸臂桁架;方案C采取Y向墙不开洞,在22层加强层设置Y向伸臂桁架与环带桁架,在41层加强层仅设置环带桁架,同时在加强层附近楼层加大Y向外框梁截面。不同加强层桁架布置对比分析见表2。

　　 由表2可知,三种方案整体指标都满足规范要求,且计算结果相近,但方案B将加强层设置在31层与41层,两道加强层距离过近。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第10.3.2条,带加强层高层建筑结构设计时,当布置有两道加强层时,可分别设置在顶层和0.5倍房屋高度附近;同时考虑尽量减少桁架杆件对建筑使用功能及建筑设备的影响,以加强层桁架的设置位置对结构整体刚度的影响,故将两道加强层分别设置在避难层层高较高的22层与41层更合理。

　　 加强层伸臂桁架虽然能有效提高结构抗侧刚度、减小结构侧移,但会带来结构刚度、内力突变等不利影响,对抗震不利。经过计算分析对比,方案A与方案C均能满足规范要求,方案C用钢量相对方案A略有增加,但可减少41层加强层伸臂桁架,能节省近一个月的工期,且对结构抗震更有利,综合效益更高,因此加强层布置方案选用方案C。

　　 在22层避难层设置伸臂桁架与环带桁架,41层避难层设置环带桁架,能有效提高结构的整体刚度,减小结构层间位移。塔楼伸臂桁架和周边环带桁架的腹杆根据建筑功能布置设为V形。为了保证伸臂桁架传力的连续性,伸臂桁架的弦杆及腹杆的翼缘板均贯穿核心筒。由于Y向外筒墙与外框柱不在同一轴线上,导致22层的两外侧伸臂桁架不能与最近的外框柱相连,如图6(a)所示,此两榀伸臂桁架与核心筒Y向剪力墙的夹角较大,影响伸臂桁架提高结构刚度的效率,且连接构造相对复杂。本工程将此两榀伸臂桁架直接顺直与对应环带桁架相连,外框柱受力更均匀,节点连接构造简单,如图6(b)所示。伸臂桁架的内力分析中考虑施工顺序的影响,同时为避免由于外围柱与核心筒之间的竖向变形差在伸臂桁架中形成过大的内力,伸臂桁架安装时先临时固定,释放外围柱与核心筒之间的竖向变形差,待施工到下一加强层时再永久连接 ^[6,7]。

　　 由于加强层的设置将引起局部抗侧刚度突变和应力集中,形成潜在的薄弱层,在伸臂桁架斜腹杆采用承载型屈曲约束支撑(BRB)。屈曲约束支撑芯板材质采用Q345B,承载力为12 000kN,桁架平面布置示意图及伸臂桁架竖向布置见图7,8。

　　 与普通钢支撑相比,屈曲约束支撑的外包混凝土可以约束内核钢支撑的横向变形,外荷载超过正常使用荷载时,屈曲约束支撑能够充分屈服,并通过屈曲约束支撑芯板的塑性变形耗能,起到保护主要受力构件的作用。罕遇地震工况下,人工波2(RGB2)作用下外侧伸臂桁架中的屈曲约束支撑(BRB)拉压均屈服,其滞回曲线如图9所示。从图中可看出屈曲约束支撑滞回曲线饱满,耗能明显。

　　 结构设计时采用高层建筑结构空间有限元分析软件YJK进行结构整体分析及配筋,采用ETABS结构分析软件进行结构整体指标的对比分析。ETABS中利用杆单元模拟柱和梁,用分层壳单元模拟钢板组合剪力墙。由于分层壳的节点自由度与框架单元的节点自由度不同,所以在框架单元与分层壳单元相连时,需要添加埋设梁,以使两者间的内力合理传递。为消除埋设梁对结构质量的影响,需对埋设梁的重量进行修改。计算出的结构周期见表3,结构的主振型以平动为主,扭转周期与平动周期之比小于0.85,满足规范要求。

　　 地震作用下,X,Y向结构刚重比分别为1.818,1.538;风荷载作用下,X,Y向结构刚重比分别为1.770,1.471。刚重比大于1.4,但小于2.7,应该考虑重力二阶效应。

　　 根据《钢板剪力墙技术规程》(JGJ/T 380—2015) ^[1]第3.4.1条,在风荷载和多遇地震作用下,钢板组合剪力墙弹性层间位移角不宜大于1/400;而根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第3.7.3条,本工程的计算层间最大位移与层高之比(层间位移角)限值为1/539。本工程从严考虑结构计算整体指标限值,按照混合结构体系确定结构的层间位移角限值,即取为1/539。主塔楼结构计算以地下室顶板为嵌固部位,地震作用下,结构X,Y向最大层间位移角分别为1/1 504,1/1 309;X,Y向基底剪力分别为6 953.49,6 685.55kN。可见地震作用下的层间位移角满足规范要求。结构在考虑偶然偏心的地震作用下X,Y向层间位移比均小于1.2,结构整体抗扭性能良好。同时,结构在中震、大震作用下的层间位移角均满足规范要求 ^[8]。

　　 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)第4.2.7条,房屋高度超过200m宜进行风洞试验。业主委托武汉大学进行了风洞试验 ^[9],模型比例1∶300,同时模拟了项目周围300m范围内主要建筑的外形,如图10所示。测点数754个,进行了24个风向角的试验。

　　 风洞报告分别提供了平均压力系数(即体型系数与高度变化系数的乘积)、风振系数、极值风压。

　　 根据风洞试验报告结果,每隔15°取一个风向角,共计24组50年重现期等效风荷载数据,采用结构软件YJK分别对24组风向角等效风荷载进行计算,统计计算结果,并与根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)(简称荷载规范)确定的风荷载的计算结果进行对比。本工程地面粗糙度为C类,典型风向角90°～165°下Y向楼层剪力如图11所示,不同风向角下的楼层剪力均小于根据荷载规范确定的风荷载的计算结果,因此结构计算分析的风荷载按荷载规范取值。结构X,Y向最大层间位移角分别为1/1 026,1/751,满足规范要求;结构X,Y向基底剪力分别为12 003.9,15 314.7kN,大于地震作用下的基底剪力。因此风荷载为控制工况。

　　 结构舒适度验算时采用10年重现期风压0.25kN/m²,阻尼比0.01。对本工程结构进行风荷载作用下分析,得到顺风向顶点最大加速度a_max为0.071m/s²,横风向顶点最大加速度a_max为0.087m/s²,不大于0.25m/s²。按所选结构体系和结构布置,本工程在风荷载作用下舒适度满足规范要求。

　　 (1)针对本项目结构高宽比较大的特点,同时为提高建筑装配率与缩短工期,经过多方案比选,选用钢板组合剪力墙组成的核心筒,外框架采用圆钢管混凝土柱与实腹钢梁,并设置两道加强层,即在22层避难层设置伸臂桁架与环带桁架,41层避难层仅设置环带桁架。

　　 (2)钢板组合剪力墙连接构造简单,相对传统钢筋混凝土墙,其能满足超高层对剪力墙“高轴压、高延性、薄墙体”的设计要求,具有较好应用前景。

　　 (3)加强层伸臂桁架的斜腹杆设置屈曲约束支撑,具有较好的耗能能力。

　　 (4)在风荷载或地震作用下,结构层间位移角均满足高层建筑水平位移的限值要求,风荷载作用下结构舒适度也满足规范要求。整体结构能满足抗风、抗震要求。