铁投·碳汇大厦项目位于湖北省武汉市武昌区中北路青鱼嘴。项目基地西邻沙湖,东临中北路,南望洪山广场,为武汉市核心区域。建筑效果如图1所示。项目总建筑面积78 441.09m²,其中地上建筑面积56 649.49m²,地下建筑面积21 791.60m²。地上由超高层办公楼及碳交易大厅组成。办公塔楼地上32层,结构高度为143.90m,平面呈椭圆形,两主轴方向最大尺寸分别为50.2m,35.5m,标准层层高为4.2m。碳交易大厅裙楼地上2层,结构高度为19.80m,平面尺寸为67m×54.5m,1层层高为10.80m,2层层高为9.0m。工程带有4层地下室,平面尺寸为78.20m×70.85m,主要功能为停车及设备用房,地下室底板面标高-16.30m,地下4层至地下2层层高为3.6m,地下1层层高为5.1m。

　　 如图2所示,为加强结构整体性和可靠性,并结合建筑功能需要,本工程裙楼和塔楼连为一体。塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。框架柱为圆形钢筋混凝土柱(底部楼层为型钢混凝土柱),直径从下至上由ϕ1 200逐级收进至ϕ800。核心筒为钢筋混凝土墙体,外筒墙厚从下至上由650mm逐级收进至350mm。

　　 如图3所示,裙楼采用钢框架+跨层桁架的结构体系。跨层桁架的最大跨度36m,高度8.4m,截面采用箱形弦杆和H型斜腹杆。楼盖采用单向桁架梁,跨度25m。

　　 办公区考虑找平、吊顶、管线等做法,恒荷载取值2.0kN/m²,上人屋面恒荷载取值5.0kN/m²。办公区考虑灵活隔断,活荷载取值2.5kN/m²,碳交易大厅活荷载取值5.0kN/m²,屋顶花园活荷载取值12.0kN/m²。

　　 基本风压按50年重现期取0.35kN/m²,场地粗糙度类别为B类,风荷载体型系数取1.4。

　　 基本雪压按50年重现期取0.50kN/m²,雪荷载准永久值系数分区为Ⅱ区。

　　 抗震设防烈度为6度,设计基本加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。

　　 本工程地上结构存在三项不规则项超限:1)裙楼及塔楼连为一体导致的扭转位移比大于1.2且裙楼屋面层与相邻层质心相差大于边长15%;2)2层楼面有效宽度小于50%;3)裙楼存在的穿层柱及斜撑引起的局部不规则。

　　 本工程整体结构抗震性能目标选用D级,各构件抗震性能目标如表1所示。

　　 针对上述超限情况,设计中采取如下措施:1)塔楼底部4层(与裙楼相连楼层)抗震等级提高一级,由三级提高为二级;2)关键构件剪力墙按照中震抗剪不屈服进行水平钢筋配置;3)大开洞楼板周边的楼板厚度不小于120mm,双层双向配筋,钢材HRB400,钢筋直径不小于8mm,间距不大于150mm;4)裙楼屋面板厚度增加至150mm,双层双向配筋,钢材HRB400,钢筋直径不小于10mm,间距不大于150mm;5)穿层柱设计中按实际长细比进行稳定计算,并适当加大截面,增加周边构件的抗震措施。

　　 表2列出了YJK及ETABS的各项结构指标对比,可以看出结构各项指标均满足设计要求且两款软件计算结果基本一致,差异均在10%以内,表明计算结果合理可靠。

　　 裙楼楼盖双向跨度均较大,X向跨度约36m,Y向跨度约25m,为保证使用过程中的舒适性,采用ETABS软件对裙楼楼盖进行人行振动舒适度验算。

　　 结构第一阶竖向振动频率2.54Hz,参照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[1](简称《高规》)第3.7.7条,按插值取得峰值加速度限值为0.200m/s²。

　　 计算时分别采用了单步落足荷载时程(图4)及连续步行荷载时程(图5),并对两种时程曲线计算结果取包络值进行统计。人行轨迹如图6所示,沿Y向跨中从左至右通过交易大厅。

　　 计算中考虑行人平均质量75kg,步行频率2Hz,步行速度1.5m/s,步长0.75m,结构阻尼比0.02。

　　 碳交易大厅设计容纳人数300人,人群密度小于0.3人/m²,参考Matsumoto ^[2]等提出的n人随机行走相当于单人荷载放大$\sqrt[]{n}$倍。放大系数取$\sqrt[]{300}$≈17.3人。

　　 计算中考虑实际结构荷载可能带来的不利影响。由于楼面荷载对振动有利,楼面附加恒荷载按实际取值2.5kN/m²,活荷载取值0.55kN/m²。

　　 在上述人行荷载激励下,结构最大竖向加速度节点出现在跨中区域,最大竖向加速度0.101 m/s²,小于0.2 m/s²限值,满足设计要求。节点加速度时程曲线如图7所示。

　　 采用Perform-3D软件进行弹塑性时程分析,考虑材料及几何非线性,通过地震反应后的结构抗震“能力”与抗震性能“需求”的比较来判断结构是否满足预期的抗震要求。

　　 1)钢筋混凝土剪力墙及框架柱:采用纤维模型模拟,分为混凝土纤维及钢筋纤维;2)钢筋混凝土框架梁、连梁、钢框架梁:采用弹性杆+两端弯曲塑性铰+中部剪切铰单元模拟,连梁与剪力墙平面内相接时,在相接墙肢内增加内嵌梁以反映梁与剪力墙的刚接状态;3)钢桁架构件:采用纤维模型,钢材本构采用考虑受压屈曲的本构模型;4)构件配筋:采用中震性能配筋结果,并考虑配筋放大系数1.05,其中剪力墙截面收进较大处采用水平配筋等效大震不屈服设计结果。

　　 结构整体及构件评价方法参照表1,其中构件评价结合FEMA356 ^[3]及《建筑结构抗倒塌设计规范》(CECS 392∶2014) ^[4]相关条文,定义如下:1)轻微损坏:损伤程度<IO;2)轻度损坏:IO≤损伤程度<LS;3)中度损坏:LS≤损伤程度<CP;4)严重损坏:损伤程度≥CP。

　　 采用5条天然波及2条人工波共7条地震波进行分析,地震动峰值加速度125gal,双向输入。每条地震波与大震反应谱吻合均较好,地震波平均反应谱在各周期点上与规范谱差值在20%以内。各条地震波弹性时程与规范谱基底剪力差异均在35%之内,7条地震波基底剪力平均值与规范谱差异在20%以内。

　　 各条地震波下结构剪重比约为3.4%～4.7%,基底剪力约为小震的3.9～5.5倍,最大层间位移角约为1/229,平均层间位移角约为1/268,满足设计要求。

　　 选取基底剪力及层间位移角最大的地震波对构件进行评价。如表3所示,罕遇地震作用下,各类构件弹塑性表现与性能目标一致。连梁在10.63s率先出现弯曲塑性铰,此后塑性程度加深并继续发展耗能,随之混凝土框架梁在15.75s出现弯曲塑性铰并继续发展耗能,连梁在17.77s出现剪切铰并继续发展耗能,核心筒剪力墙、塔楼框架柱、裙房钢框架梁、裙房钢桁架及钢框架柱均始终保持弹性。

　　 本工程抗连续倒塌分析主要采用《高规》第3.12条提供的拆除杆件法,对于拆除杆件法无法满足要求的构件,采用侧向偶然荷载法进行校核。

　　 按拆除构件法分别拆除如图8所示裙楼角柱及边柱,然后施加相应的荷载对剩余结构进行计算分析。拆除框架柱后,桁架构件最大应力比如表4所示,最大应力比均小于1.0,满足设计要求。

　　 按拆除构件法分别拆除如图9所示跨层桁架竖腹杆及斜腹杆,然后施加相应的荷载对剩余结构进行计算分析。

　　 拆除关键腹杆后,桁架构件最大应力比如表5所示。在拆除竖腹杆工况下,构件应力比均小于1.0,满足要求。拆除斜腹杆工况下,被拆除杆件附近的弦杆及竖杆应力比均大于1.0,采用拆除构件法不能满足要求,故采用侧向偶然荷载法进行验算。

　　 在桁架斜腹杆最不利表面施加80kN/m²的侧向偶然作用,并用《高规》规定的偶然作用组合对构件进行承载力校核。校核结果表明,正截面最大应力比0.69,斜截面最大应力比0.39,均满足设计要求。

　　 铁投·碳汇大厦作为超限高层建筑,设计中采用多种软件对结构进行了弹性及弹塑性分析,并对大跨度楼盖进行了舒适度及抗连续倒塌分析,各项结果均满足规范要求,在保证经济性的前提下,结构设计安全合理,得到了业主及超限审查专家的认可,顺利通过抗震超限审查。