珠西金融中心项目位于广东省江门市新会区明德路南侧,属珠江三角洲冲积平原地貌区,地势开阔平坦。抗震设防烈度为7度,场地类别为Ⅲ类,地震分组为第一组,基本风压为0.65kN/m²,地面粗糙度为B类。其中综合楼地上70层(结构高度336m),地下3层,结构外包尺寸为49m×47m,整体结构高宽比为7.09,核心筒高宽比为16.8。综合楼存在扭转不规则、凹凸不规则、楼板不连续、承载力突变、局部不规则等5项不规则,属于超B级高度的超限高层建筑,详见图1。

　　 对于高度大于250m超高层建筑,由于建筑垂直交通电梯、消防楼梯、设备管井等占用大量建筑空间,采用钢筋混凝土剪力墙构件尺寸过大,占用很大的使用面积,并且延性较差 ^[1]。钢-混凝土组合结构,近年在高层及超高层建筑应用越来越广泛,形式多样,国内外学者对其也有广泛、深入研究 ^{[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]}。本工程创新地采用钢管柱框架-排钢管钢板核心筒体系,其中排钢管钢板剪力墙为钢管柱通过钢板连接组成(图2),钢管柱与排钢管钢板剪力墙的连接,均采用普通钢筋混凝土梁(部分梁+钢骨),并与钢管柱伸出的型钢牛腿连接,从而组成钢管柱框架-排钢管钢板核心筒体系。通过与钢管柱框架-钢筋混凝土筒体体系进行了试算比选,结构布置的构件典型尺寸及总重详见表1,墙、柱、梁的混凝土强度等级分别为C70～C50,C70～C50,C40～C35;钢材等级均为Q420。可见采用新体系,核心筒墙厚减少500mm,全楼实际增加建筑使用面积约2 000m²,结构总重(1.0恒荷载+1.0活荷载)减少17.5%,效益可观。低区结构平面布置图见图3,其中排钢管钢板剪力墙形式在广东省《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》(DBJ/T 15-128—2017) ^[9](简称广东高钢规)已采用,形式见图2。

　　 根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的要求(2016年版) ^[10],建筑结构以“三个水准”为抗震设防目标,即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。本工程依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[11](简称高规)第3.11节的要求进行结构抗震性能化设计,根据综合楼的超限情况、结合其具体结构特点,性能目标定义为C级。小震满足性能水准1,中震满足性能水准2,大震满足性能水准4要求。关键构件定义见表2。

　　 本节针对本工程采用YJK及ETABS软件进行多遇地震及风荷载作用结构分析,排钢管钢板剪力墙的数值模拟是一个难点,因目前尚无钢管与剪力墙组合的有限单元,本文采用三种计算模型(图4)对结构进行包络设计。模型1:采用叠加方式,先建立墙元,在相应位置插入节点,建柱单元,形成“钢板剪力墙+钢管柱”模型,该模型比较直观,但墙、柱叠加刚度会较实际有所放大(图4(a));模型2:采用梁、柱线单元模拟,先建立圆钢管柱单元,连接墙段采用方钢管柱单元等代,柱与柱之间利用深梁单元(可为线单元或壳单元)连接,形成“钢管柱+深梁”模型,该模型建立较繁琐,结构刚度相对接近实际(图4(b));模型3:将钢管柱的用钢量以等重量方式,折算为钢板剪力墙钢板量,与原有钢板剪力墙叠加,形成“等代钢板剪力墙”模型,该模型建立简便,虽缺少实柱信息,但对结构试算、整体性能初评,以及大震计算模拟较有优势(图4(a))。

　　 表3列出地震和风荷载作用下3个计算模型的层间位移角指标,可以看出3个模型层间位移角指标相差9%以内,整体刚度差异不大,模型1结构刚度最大,模型2次之,模型3刚度最小。在承载力设计时,本文按模型1、模型2、模型3包络设计,整体指标时,以模型1为基础进行统计(其中层间位移角按不利包络);大震分析时,按模型3进行整体弹塑性分析,对关键墙体提取大震内力进行有限元或PM承载力复核。

　　 需要重点提及的是,因排钢管钢板剪力墙为墙柱组合构件,轴压比计算与普通钢板剪力墙构件有所区别,本文认为需对钢管混凝土柱、钢板剪力墙墙肢段及全截面墙肢轴压比进行验算。验算公式可参照广东高钢规第7.11.12条公式进行复核,控制结果可按本文第7节限值控制。

　　 采用振型分解反应谱法与时程分析进行了小震作用分析对比,计算结果见表4。地震作用及风荷载作用下结构的层间位移角曲线如图5,6所示。可见:地震作用下三模型包络计算结果的最大层间位移角为1/716(模型3),小于高规1/500的限值,风荷载作用下最大层间位移角为1/425(模型3),为横风效应,主要由于本结构其中一向(Y向)沿高度收窄,导致上部平面呈扁平状,横风效应明显,但该数值仍小于广东高钢规1/400的限值(风荷载作用)。层间位移角曲线以弯剪型为主,层间位移角曲线大体平顺,结构侧向刚度较为均匀,34层及58层曲线内凹处,为采用环向加强带作用结果。结构侧向刚度明显提高,对风荷载作用下位移控制帮助很大,上部65层局部楼层突变是由于体型有收进导致,但不影响整体结构刚度。整体指标中,出现剪重比不足的楼层较多,这说明本塔楼结构略为偏柔,对所有剪重比不足的楼层地震剪力进行了放大调整,以满足规范要求。另外由于首层层高较大,达21m,除了剪力放大调整外,构造上加大了楼层周圈梁高及框架柱与核心筒连接梁高,核心筒在首层位置也设置多道连梁,以增加楼层刚度。

　　 多遇地震弹性时程分析结果见表5。采用5条天然波(CHY052,HWA038,Loma Prieta_NO_759,Landers_NO_855,Loma Prieta_NO_735),2条人工波(USER1,USER2),地震动峰值、持时满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[10]要求,主要周期与标准谱误差控制10%之内,地震动参数合理。楼层(含基底)剪力平均值小于规范反应谱结果,楼层剪力无需放大,层间位移角等指标平均值小于反应谱结果,结构变形形态与反应谱结果接近。其余各项整体指标(基本周期、层间位移角、刚重比、整体屈曲因子等)均满足规范要求,在合理范围之内可判断,经调整后,塔楼结构的抗侧刚度合理,承载力指标也能满足规范要求,结构布置合理。

　　 本工程在罕遇地震分析时采用了PKPM静力推覆计算、YJK动力弹塑性计算以及PKPM-SAUSAGE动力弹塑性计算,满足双力学软件对比计算要求。由于目前未有合适的有限单元对排钢管钢板剪力墙进行数值模拟,为减少计算规模,进行弹塑性性能评估,本文采用第3节模型3等代钢板剪力墙模型进行模拟,这样简化处理,既保留结构整体动力特性、节约建模和分析时间,同时可发现结构薄弱部位,对梁柱也可以直接进行性能评估。对墙体可先进行初步评估,针对剪力墙薄弱部位及关键部位,可提取其内力通过有限元进行构件承载力复核或截面承载力复核,以完善构件性能评估。本节主要以PKPM-SAUSAGE计算结果作论述。

　　 材料模型:钢材的非线性材料模型采用双线性随动硬化模型,在循环过程中,无刚度退化,考虑了包辛格效应。钢材的强屈比设定为1.2,极限应力所对应的极限塑性应变为0.025。一维混凝土材料模型采用规范指定的单轴本构模型,能反映混凝土滞回、刚度退化和强度退化等特性,其轴心抗压和轴心抗拉强度标准值按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版) ^[12](简称混凝土规范)表4.1.3采用。杆件非线性模型采用纤维束模型,主要用来模拟梁、柱、斜撑和桁架等构件,剪力墙、楼板采用弹塑性分层壳单元。

　　 在给定地震波作用下,结构满足“大震不倒”的抗震设防目标;分别采用PMPM,YJK和SAUSAGE软件做静动力弹塑性分析,得到的层间位移角结果见表6及图7,8。层间位移角曲线较平顺,底部楼层层高较高出现小突变,顶部由于体型收进,也有小突变,但由于数值较小对整体影响不大。弹塑性最大层间位移角分别为1/120(X向),1/119(Y向),均小于规范限值1/100,满足高规限制目标要求。

　　 大部分的框架梁表现为轻度和轻微损伤,混凝土框架梁受压损伤均小于0.5,仅有极少数梁出现比较严重的混凝土受压损伤,钢筋及钢材的塑性应变都较小,考虑到框架梁可进行塑性内力重分布,框架梁仍可保证抗震承载力,见图9(a)。结构塑性发展顺序描述:剪力墙连梁首先开裂、破坏明显,主要受力墙肢整体损伤较轻,延性较好;连梁损伤充分发展,连梁中钢筋总体塑性发展程度较轻,连梁混凝土出现刚度退化后,形成较好的耗能机制,有效保护了主体墙肢,见图9(b)和图10(a)。核心筒内钢管混凝土柱及外围钢管混凝土柱、受力性能较好,钢材的最大等效塑性应变值为0.005 7,属于轻微到轻度损伤,塔楼外框柱钢材均未进入屈服,构件性能处于轻度损伤以下,仅在局部核心筒区域角部出现中度损伤,采取加强角部钢管混凝土柱壁厚等措施,见图9(c)和图10(b)。综上,本结构在罕遇地震作用下的受力性能满足性能设计目标。

　　 结合设定的性能目标值,本节对关键构件承载力进行复核,内力取值从大震等代不屈服模型中提取。选取首层2个典型墙柱截面进行屈服承载力复核,具体见图11～14。复核验算采用Xtract软件验算,结果表明抗压弯承载力和抗拉弯承载力均能满足性能目标。为验算大震作用下关键墙柱抗剪截面(或承载力),本小节对首层2个典型墙柱进行抗剪截面复核。具体墙柱编号见图11;验算内力从大震等代不屈服模型中提取。

　　 典型剪力墙在大震作用下抗剪截面复核,按《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)公式 ^[13]:

　　 (1)当剪跨比大于2.5时:

　　 $V{}_{\text{c}\text{w}}\le \frac{1}{\gamma {}_{\text{R}\text{E}}}0.20\beta {}_{\text{c}}f{}_{\text{c}}b{}_{\text{w}}h{}_{\text{w}0}(1)$

　　 (2) 当剪跨比不大于2.5时:

　　 $V{}_{\text{c}\text{w}}\le \frac{1}{\gamma {}_{\text{R}\text{E}}}0.15\beta {}_{\text{c}}f{}_{\text{c}}b{}_{\text{w}}h{}_{\text{w}0}(2)$

　　 (3) V_cw应按下式计算:

　　 $V{}_{\text{c}\text{w}}\le V-\frac{1}{\gamma {}_{\text{R}\text{E}}}\left(\frac{0.20}{\lambda }f{}_{\text{a}}A{}_{\text{a}1}+\frac{0.5}{\lambda -0.5}f{}_{\text{p}}A{}_{\text{p}}\right)(3)$

　　 式中:f_c为混凝土轴心抗压强度设计值;f_a为型钢抗拉强度设计值;b_w为剪力墙厚度;h_w0为剪力墙截面有效高度;β_c为混凝土强度影响系数,按本规范第5.2.3条取值;f_p为剪力墙内配置钢板的抗拉和抗压强度设计值;A_p为剪力墙内配置的钢板的截面面积;V_cw为仅考虑墙肢截面钢筋混凝土部分承受的剪力设计值;A_a1为剪力墙一端所配型钢的截面面积,当两端所配型钢截面面积不同时,取较小一端的面积;λ为计算截面处的剪跨比,λ=M/Vh_w0;当λ<1.5时,取1.5;当λ>2.2时,取λ=2.2;此处,M为与剪力设计值V对应的弯矩设计值,当计算截面与墙底之间距离小于0.5h_w0时,应按距离墙底0.5h_w0处的弯矩设计值与剪力设计值计算。

　　 首层剪力墙抗剪截面复核结果见表7。从表7可知,当V_cw为负值时,表明钢板已承担所有剪力,无需验算混凝土抗剪承载力,可见排钢管钢板剪力墙延性很好,大震时首层剪力墙抗剪截面满足设定的性能要求。

　　 为了研究排钢管钢板剪力墙的轴压、受剪、压弯剪受力性能,采用ABAQUS软件对其进行数值模拟分析。钢管及连接钢板采用理想弹塑性模型模拟。钢筋采用双折线强化模型。对混凝土采用混凝土损伤塑性模型模拟,仅定义了塑性部分,未定义混凝土的损伤。对于钢管内部约束混凝土,采用韩林海教授提出的约束混凝土本构模型 ^[14];连接部位的普通混凝土,采用混凝土规范中附录C的公式,采用材料的标准值,详见图15。

　　 网格大小采用100mm×100mm。钢板和混凝土均采用实体单元C3D8R;钢筋采用T3D2单元。钢板和混凝土之间采用绑定接触,钢筋嵌入整体模型中。试件参数见表8。

　　 对试件Wall-1,Wall-2(Wall-1和Wall-2均为底部剪力墙)进行在大震作用下的受力情况复核。由图16可知,试件Wall-1钢材的塑性应变为0.000 34,钢板的应力为屈服应力,为390MPa,而实际采用的钢材等级为Q420,所以,截面是安全的。试件Wall-2的钢板最大应力为357MPa,截面安全。

　　 本工程根据上述计算分析结果和概念设计方法,为保证结构延性,对关键和重要构件作了如下加强措施:

　　 1)大震损伤较大的混凝土连梁改为U型钢梁加强,如图17,18所示。2)对于薄弱层及损伤较大的竖向构件,采取加厚钢管壁厚提高抗剪承载力;底部加强区核心筒钢管柱角部四个柱壁厚不小于40mm,整体钢管柱壁厚不小于35mm,钢板墙壁厚不小于35mm。3)设备层及上下各1层、斜柱斜率变化层(5～8层、60～63层)及上下各1层楼板加厚至150mm,楼板配置双向通长钢筋,配筋率不小于0.25%;斜柱斜率变化层(5～8层、60～63层)框架梁配筋加强,配筋率不小于1.5%,箍筋全长加密。4)将受剪承载力比小于75%楼层的钢板剪力墙钢板厚度由原来的30mm提高至35mm。5)加强排钢管钢板剪力墙构造控制。排钢管钢板剪力墙,连接钢板的厚度,不宜小于钢管的壁厚,需具有一定的厚度和刚度;排钢管的净距不宜过小;连接钢板需采用钢筋或钢板进行拉结;底部加强区控制排钢管钢板连接部位的剪力墙,轴压比不超过0.6;控制排钢管钢板剪力墙的综合轴压比,不超过0.85。

　　 (1)本文介绍了一种新型钢-混凝土组合结构体系形式,钢管柱框架-排钢管钢板核心筒结构体系,该体系具有承载力高、延性好、自重轻等特点。

　　 (2)对珠西金融中心综合楼进行结构性能化分析,设计中充分利用概念设计方法,对关键构件设定抗震性能化目标,并在抗震设计中,采用多种程序对结构进行了弹性、弹塑性计算分析,除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外,还补充了关键构件在中震和大震下的验算。计算结果表明,多项指标均表现良好,满足规范的有关要求及设定性能目标。

　　 (3)为提高结构的延性,对关键和重要构件提出适当加强措施;对排钢管钢板剪力墙提出控制构造措施。

　　 (4)通过工程应用分析,为钢管柱框架-排钢管钢板核心筒体系推广应用提供参考。