宁波国华金融大厦项目位于宁波市东部新城中央商务区的延伸区域, 东临宁波市中心约6km。设计方案为一栋带裙楼的超高层塔楼, 塔楼与裙楼相互独立并通过钢结构连廊连通, 总建筑高度206.1m, 总建筑面积约15万m²。塔楼地上43层, 主要功能为办公, 结构主屋面高度197.8m, 平面外轮廓尺寸61.8m×35.7m, 建筑面积约9.6万m²。首层层高为6.0m, 夹层1和夹层2的层高均为5.6m、典型办公层的层高为4.3m (共41层) 。架构层为3个屋面及女儿墙;地下室3层 (含1个夹层) , 主要功能为停车库和设备用房。塔楼外立面为斜交网格形式^[1,2], 中部设有两个空中花园层, 建筑效果图如图1所示。

　　 本项目主体结构的设计基准期和使用年限均为50年, 建筑结构安全等级为二级, 结构重要性系数为1.0。抗震设防烈度为6度 (0.05g) , 设计地震分组为Ⅰ组, 场地类别为Ⅳ类, 建筑抗震设防类别为标准设防类 (丙类) 。

　　 采用《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3]中规定的风荷载进行结构设计。塔楼位移验算时, 基本风压w₀按50年一遇标准取0.50kN/m²。塔楼从首层到主屋面高度为197.8m, 至女儿墙高度为206.1m;故构件强度设计时, 按照《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[4] (简称高规) 第4.2.2条, 对基本风压放大1.1倍, 同时考虑到场地上周围拟建建筑的群体效应, 另外又考虑了1.1倍的荷载放大系数, 因而实际基本风压取为0.605 kN/m²。风压高度变化系数根据B类地面粗糙度采用, 风荷载体型系数取为1.4。

　　 安评报告和《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[5] (简称抗规) 提供的小震反应谱对比如图2所示, 其中最大水平地震影响系数分别为0.075 8和0.04。本项目综合考虑这两种小震反应谱进行塔楼结构的小震弹性分析和设计。结合《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》建议的“关于结构抗震性能目标”的相关要求, 中震和大震则采用规范反应谱进行分析。小震计算时考虑周期折减系数0.8, 中震和大震时周期不折减;小震和中震时阻尼比取0.04, 大震时取0.05。

　　 塔楼结构体系由抗侧力系统和重力支承系统组成。抗侧力系统包括外围连续的钢结构斜交网格体系和内部的钢筋混凝土核心筒, 可视为筒中筒结构体系。重力支承系统包括横跨在核心筒与外围斜交网格之间的钢梁以及钢梁支承的钢筋桁架组合楼板。典型结构平面布置和结构抗侧体系示意图分别见图3和图4。上、下斜交网格节点的竖向间隔为4层 (17.2m) , 斜交节点所在高度位置的楼层为节点层, 斜交节点之间高度的楼层为非节点层。

　　 图3 典型结构平面布置

　　 图4 结构抗侧体系示意图

　　 核心筒采用现浇混凝土, 混凝土强度等级为C60～C40, 底部加强区范围为1～3层 (标高-0.050～21.350m) , 抗震等级为一级。东西向仅设置2道核心筒外墙, 厚度从底部的1 100mm逐步减至顶层的600mm;南北向设置4道剪力墙, 外侧和内侧墙厚分别为800m和600mm。核心筒墙体在低区和中、高区的布置示意图如图5所示。核心筒通过连梁来连接各片剪力墙, 连梁最大高度为800mm, 该方案在满足核心筒抗侧刚度要求的同时, 避免了各种设备管线等可能造成的剪力墙开洞, 核心筒内部也不存在各种小的剪力墙, 结构形式简单明确。此外, 核心筒和外框架间设置了4根钢管混凝土柱进行过渡连接, 钢管混凝土柱的截面尺寸从底部的950×700减至顶部的600×400, 壁厚变化范围为85～20mm, 内灌混凝土强度等级变化范围为C60～C40。

　　 外围连续的钢结构斜交网格体系具有较大的抗侧力刚度, 考虑每4层为一节点层, 节点层的相邻节点的平面间距为8.7m;节点层之间为4层通高斜柱, 其竖向高度为17.2m。斜柱为钢管混凝土柱, 其截面为焊接箱形截面, 截面尺寸从底部的750×750减至顶部的500×500, 壁厚变化范围为40～20mm, 材料为Q345B钢。为保证结构力学性能得到充分发挥的同时达到材料最省的经济目标, 通过比较分析, 考虑对18层以下箱形截面钢管混凝土斜柱的钢管内进行混凝土浇灌, 混凝土强度等级为C60。钢管混凝土柱的轴压比和弯矩按照《矩形钢管混凝土结构技术规程》 (CECS 159∶2004) ^[6]进行设计。斜交网格外框架斜柱在地下室转换为竖向的王字形钢混凝土柱, 传力机制为斜向轴力过渡为竖向压力, 并通过局部剪力墙连接加强, 结构布置见图6。  

　　 各节点层的外围钢梁 (2层截面H740×300×25×35, 其他层截面H740×300×20×20) 采用刚接形式连接到斜交网格节点上, 并与斜柱构成稳定的外围斜交网格基本体系;非节点层的外围钢梁 (截面H550×200×10×16) 则采用铰接形式连接到斜柱上, 以减小对斜柱抗弯的影响。计算刚度比、受剪承载力比时, 每4层为一个单元进行校核。10～14层、26～30层的空中花园以及42层～女儿墙顶的顶部, 由于楼面缩进, 部分斜交网格斜柱缺少平面内和平面外侧向钢梁的约束作用, 形成4层通高的穿层斜柱形式, 通过加大截面至700×700进行加强;缩进周边则通过增设转换吊柱来进行支承。验算外框架穿层斜柱的压弯承载力稳定性时, 也应取4层高作为其平面外计算长度。

　　 所有角部斜交网格构件由于受力较大, 按照1.1倍承载力需求验算。14～18层的钢管混凝土构件作为下部钢管混凝土构件的转换区, 不考虑混凝土部分强度贡献, 保守地按照钢管截面的承载力验算。

　　 基于结构重量、施工以及建筑和机电的配合考虑, 塔楼典型办公楼层核心筒内采用钢筋混凝土楼盖, 楼板厚度为150mm。核心筒外采用钢梁+压型组合楼板系统, 典型梁中心间距为2.1～3.3m, 非节点层楼板厚度为120mm, 节点层楼板厚度加强至150mm。

　　 在重力荷载作用下, 斜交网格会产生一个向外的平面内的变形, 引起节点层楼板产生较大的面内拉应力。因而在节点层加厚楼板并加大楼板配筋以提高其抗拉强度, 同时为避免过早开裂, 考虑2, 10, 18, 26层的压型组合楼板混凝土在塔楼结构封顶后浇筑。由于核心筒和斜交网格外框架均具有较大的抗侧刚度, 连接内筒和外框架的钢梁两端 (其上支承组合楼板) 均采用铰接形式。空中花园层由于建筑绿化需要, 周边存在部分楼板缩进情况, 通过增设转换吊柱来实现对楼面系统的支承。

　　 本项目塔楼结构的抗震性能目标定为C。根据高规第3.11节确定塔楼各构件的性能要求, 并对其中特别关键构件的设计性能要求进行提高。按抗规表M1.1.1-2中性能要求3确定各地震水准下塔楼的层间位移变形要求。小震计算时取抗规和安评报告计算的包络值, 中震和大震时按抗规计算。结构各构件的具体性能目标如表1所示。

　　 斜交网格节点设计时, 采用等效面积方式来确保节点承载力大于节点的斜交网格构件的承载力之和, 即“强节点弱构件”。节点的中间竖向加劲板为最主要的板件, 其厚度取为节点的箱形截面钢管最大壁厚的2倍, 而节点上、下翼缘板和四周壁板厚度则取为节点的箱形截面钢管最大壁厚的1.5倍。

　　 根据斜交网格节点的位置, 主要包括中部平面斜交节点和角部空间斜交节点, 如图7所示。中部平面斜交节点的竖向高度为4.3m, 斜交构件的夹角为28.4°;角部空间斜交节点的竖向高度为6.8m, 斜交构件的夹角为20°。该斜交网格节点构件夹角较小、内部隔板较多, 且在18层以下内部浇灌混凝土, 焊接工艺较为复杂。

　　 本项目在满足上述设计原则的基础上, 进一步进行有限元分析以保证其安全。分析结果显示, 大震作用下这两类典型斜交网格节点 (不计内部混凝土) 的整体平均应力均在200MPa以下, 节点板与构件相交处及开洞处, 由于应力集中, 钢材局部进入塑性。该设计能保证节点核心区在大震作用下不屈服。

　　 本塔楼为B级高度超高层结构, 第1～3阶振型分别为X向平动、Y向平动和XY平面扭转, 对应周期分别为4.36, 3.39, 2.00s。扭转周期比为0.46, 小于高规第3.4.5条规定的限值0.85, 满足规范要求。

　　 根据高规第3.4.5条, 考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下, 最大层间位移比不宜大于该楼层平均值的1.2倍, 不应大于该楼层平均值的1.4倍。本塔楼X向和Y向的各楼层最大层间位移比分别为1.08和1.11, 满足规范要求。

　　 本塔楼主屋面结构高度为197.8m, 根据高规第3.7.3条, 采用线性插入法算得最大层间位移角限值为1/667。地震下分别验算规范反应谱和安评反应谱, 风荷载下验算50年一遇的规范风荷载, 如图8所示。由图8可见, 本塔楼在地震和风荷载下, 楼层最大层间位移角分别为1/1 829和1/768, 满足规范要求。风荷载下层间位移角的验算起控制作用。

　　 图8 层间位移角

　　 本塔楼处于6度设防地区, 第一自振周期T₁为4.36s, 根据抗规第5.2.5条, 采用线性插入法算得剪重比 (最小地震剪力系数) 限值为0.68%。由图9可见, 本塔楼X向和Y向的楼层最小剪重比分别为1.12%和1.08%, 满足规范要求。

　　 图9 楼层剪重比

　　 本塔楼斜交网格外框架的抗侧刚度较大, 绝大多数楼层外框架所承担的剪力比 (外框架所承担剪力与结构基底总剪力V₀的比值) 在20%以上, 最大达到91.3%;个别楼层外框架所承担剪力比大于10%, 小于20%, 见图10。根据高规第8.1.4条和第9.1.11条, X向和Y向外框架所承担的剪力比不足20%的个别楼层的剪力设计值均调整为20%的结构基底剪力, 其余无需调整。在两个空中花园层, 由于楼板缩进, 外框架承担剪力出现突变性大幅增大, 设计时加大截面至700×700进行加强, 并保证每4层高的刚度比、受剪承载力比及斜柱压弯承载力稳定性满足规范要求。

　　 图1 0 外框架所承担的剪力比

　　 本塔楼各楼层外框架所承担的倾覆力矩比 (外框架所承担倾覆力矩与结构基底总倾覆力矩的比值) 均在50%～80%之间, 见图11。根据高规第8.1.3条, 剪力墙按框架-剪力墙结构进行设计, 将斜交网格构件设为关键构件, 提高其抗震性能。

　　 由于斜交网格为轴向构件且每4层为一个节点层, 节点层的楼板与核心筒紧密连接, 所以整体指标的计算应基于节点层到节点层, 计算侧向刚度比时按每4层为一个单元来校核较为合理。根据高规第3.5.2条第2款规定, 本层与相邻上一层的侧向刚度比值不宜小于0.9, 对结构底部嵌固层, 该比值不宜小于1.5。由图12可见, 本塔楼典型楼层的X向和Y向最小侧向刚度比分别为1.06 (26层) 和1.17 (10层) , 底部楼层侧向刚度比分为为1.60和1.97, 满足规范要求。

　　 图1 2 楼层侧向刚度比

　　 由于两个空中花园层 (10～14层、26～30层) 的楼板缩进且位于上、下节点层之间, 14层和30层还需作为转换层, 根据高规附录E.0.3条对转换层下部结构及上部结构进行等效侧向刚度比验算。本塔楼转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比见表2。可见, 满足规范抗震设计时不小于0.8的要求。

　　 楼层受剪承载力按每4层为一个单元进行校核。根据高规第3.5.3条规定, B级高度高层建筑的楼层受剪承载力不应小于相邻上一层的75%。由图13可见, 本塔楼各楼层X向和Y向最小受剪承载力比 (每4层为一个单元的抗侧力构件的受剪承载力之和与其上4层的受剪承载力之和的比值) 分别为0.8和0.92, 满足规范要求。

　　 近似按三角形分布荷载作用下结构顶点位移相等的原则, 将结构侧向刚度折算为竖向悬臂受弯构件的等效侧向刚度。本塔楼X向和Y向的刚重比为5.15和2.95, 大于高规第5.4.1条第1款限值2.7和第5.4.4条第1款限值1.4的规定, 满足整体稳定性要求, 在X向和Y向均不需要考虑重力二阶效应。

　　 本塔楼结构X向的顺风向、横风向的风振加速度分别为0.033, 0.094m/s², Y向的顺风向、横风向的风振加速度分别为0.066, 0.075m/s²。根据高规第3.7.6条, 办公类高层建筑的结构顶点最大风振加速度限值为0.25m/s², 可见本塔楼满足规范规定的舒适度要求。

　　 选用3条天然波进行弹性时程分析, 3条天然波的反应谱和规范反应谱、安评反应谱的比较如图14所示。

　　 图1 4 地震时程波的反应谱对比

　　 时程分析所得的基底剪力和规范反应谱 (即振型分解法CQC) 所得的基底剪力对比如表3所示。可见, 时程分析所得的基底剪力均大于规范反应谱所得的基底剪力的65%, 时程分析所得的平均基底剪力大于规范反应谱所得的基底剪力的80%, 满足高规第5.1.2条的要求。

　　 另外, 时程分析所得的基底剪力超过由安评和规范反应谱得到的基底剪力, 其中安评反应谱所得基底剪力要比规范反应谱的大, 因而各构件设计时可取时程分析结果来考虑。

　　 对斜交网格外框架采取如下的抗震构造措施:1) 18层以下箱形钢管内部浇灌C60混凝土以获得相对较大的承载力和刚度;2) 要求斜交网格构件和节点层抗拉周边梁大震下不屈服;3) 控制斜交网格节点大震下为弹性, 要求节点核心区大震下不屈服;4) 斜交网格外框架全高采用全熔透坡口等强焊接。

　　 对核心筒采用的抗震构造措施如下:1) 底部加强区和空中花园层剪力墙抗震等级为一级, 严格控制底部加强区构件轴压比不超过0.5;2) 核心筒墙体按照中震不屈服进行设计, 抗剪截面条件满足大震不屈服的性能目标。

　　 除此之外, 还应注意:1) 节点层楼板采用弹性膜计算, 厚度加大为150mm, 其配筋根据计算结果进行放大;2) 高层转换吊柱 (空中花园层、屋顶层的楼板缩进后的周边竖向支承) 等构件设计时考虑冗余度。

　　 (1) 采用斜交网格外框架-核心筒结构体系, 各项指标均较好地满足规范要求, 此体系能较好地配合建筑平面及立面要求。

　　 (2) 斜交网格体系考虑18层以下箱形截面钢管内部浇灌混凝土, 在保证结构力学性能得到充分发挥的同时达到材料最省的经济目标。

　　 (3) 节点层周边钢梁采用刚接连接到斜交网格节点上, 并与斜柱构成外围斜交网格基本体系;非节点层周边钢梁则采用铰接连接到斜柱上, 以减小对斜柱抗弯的影响。

　　 (4) 核心筒采用2道横向剪力墙、4道竖向剪力墙的布置形式, 并通过梁高较小的连梁来连接各片剪力墙, 在满足核心筒抗侧刚度要求的同时, 避免了各种设备管线等可能造成的剪力墙开洞, 结构形式简单明确。

　　 (5) 斜交网格外框架-核心筒结构体系相对传统的框架-核心筒结构体系, 斜交网格外框架承担的剪力和倾覆力矩均较大, 可视为筒中筒结构体系。