西咸新区1A楼为超高层办公楼,位于陕西省西咸新区能源金贸区内,北临能源三路,南临能源二路,东侧为城市主要干道上林路,西侧为金融一路。总建筑面积约为5.81万m²,建筑高度为150m,结构高度为150m。地上31层,1～2层层高均为6m,11层和23～26层层高均为5.5m,29～31层层高分别为4.3,6.0,6.0m,其余层为标准层(层高为4.2m);地下2层,地下2层与地下1层层高分别为5.0,4.2m。图1为其建筑效果图,图2为结构剖面图。建筑标准层平面布置为方形,建筑主要特点为23～25层三层整体向东、南方向悬挑10m,同时在西、北侧凹进,形成了一个体块交错的标志性形象,建成后将成为西咸新区地标性建筑之一。

　　 工程设计使用年限50年,结构安全等级为二级,抗震设防类别为标准设防类,抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.20g,建筑场地类别为Ⅲ类,场地特征周期为0.48s。

　　 在结构高度97m的位置,高位体块错动,形成了一个竖向结构不连续、空间高位大悬挑的体型复杂建筑,属于超限高层建筑。结构设计中难点表现为以下几个方面:1)工程地处高烈度地震区(8度0.2g),Ⅲ类场地,特征周期较长,设计地震力较大 ^[1],设计中结构体系的选择尤为关键;2)结构竖向构件不连续,存在大量楼层高位悬挑,最大悬挑长度达到12.4m,故悬挑楼层的结构布置以及竖向地震力的计算较为复杂;3)采用钢框架支撑体系,由于竖向构件不连续而导致二道防线及结构耗能机制比较复杂,需要详细对其进行分析;4)确定结构高位悬挑桁架部分兼顾安全性与经济性的抗震性能目标;5)结构核心筒采用人字形中心支撑,人字形中心支撑相交处框架横梁不平衡力的验算较难满足规范要求。

　　 在初步设计阶段,首先选用了钢框架-混凝土核心筒结构体系,采用此种结构方案,存在以下三方面不利因素:1)由于本工程地处高烈度区,且为Ⅲ类场地,地震作用特别明显;采用混凝土核心筒后,混凝土墙体的厚度很大,结构自重及地震反应大,结构位移难以满足规范要求;大震下构件破坏严重,结构延性差,抗震性能很不理想。2)上部采用钢结构悬挑桁架,与混凝土核心筒的连接比较困难,筒内需设置很大的钢骨柱;但这会使得高位墙体厚度变大,影响建筑的使用功能,且连接复杂。3)由于混合结构混凝土核心筒结构自重大,导致基础筏板的厚度增加较多,基础的工程造价较大,且厚型筏板基础技术处理难度也相应加大。

　　 为避免混凝土核心筒的众多不利因素,最终筒体采用了中心支撑核心筒,即采用钢中心支撑与钢管混凝土柱形成的核心筒;外围框架由钢管混凝土柱与H型钢梁组成;外围框架梁柱之间、外围框架梁与内部支撑筒体间均采用刚接,形成钢框架-中心支撑双重抗侧力结构体系。其主要优点为:1)支撑仅布置在建筑交通核心区,对建筑平面功能和外立面效果没有任何不利的影响。2)高位悬挑部分楼层,悬挑钢桁架与内部核心筒钢支撑框架间可以实现相同材性连接,并可平衡悬挑端外力,利于悬挑端外力向内的传递。3)通过调整核心筒四个角部支撑的刚度,能够很好地对结构楼层的偏心布置进行相应的调整,减小刚度中心与质量中心的偏离,从而大幅度减小结构的扭转效应。4)钢中心支撑核心筒的结构自重比钢筋混凝土核心筒小很多,且钢中心支撑核心筒刚度偏小;地震作用下,结构底部总剪力减小约30%,地震总剪力的减小使得结构设计更容易满足高标准的抗震性能目标要求。

　　 为充分发挥钢材与混凝土两种材料的优势,外框架柱及内部支撑框架柱均采用矩形钢管混凝土柱,柱截面由900×900逐渐变化到700×700,钢管壁厚也由70mm过渡到20mm,内部填充混凝土强度等级均采用C60;支撑截面采用H400×500×20×40。设计中,将支撑杆件的强轴置于框架平面外且平面内采取防屈曲杆措施以减小支撑双向的长细比。图3为1A楼结构标准层平面布置。

　　 本工程存在两处高位长悬挑,分别是23～25层的整体三层悬挑和26层以上的整体五层悬挑。经过与建筑功能的配合及悬挑方案的对比,悬挑楼层的结构布置方案如下:23～25层悬挑部分楼层,采用四榀平面桁架来实现,平面桁架为三层通高,内部与核心筒支撑框架直接相连,悬挑部分桁架采用斜拉杆,桁架悬挑6.2m,桁架上下层通过钢梁再悬挑3.8m以实现通高玻璃幕墙的固定点,如图4(a)所示,平面布置可参见文献[2]。同时,在建筑角部设置两榀斜杆桁架,桁架悬挑6.2m。在内部悬挑的六榀桁架的纵向设置三层通高的副桁架进行悬挑,最大悬挑长度为6.2m。

　　 26层以上楼层的悬挑,采用三层转换桁架来实现,通过三层转换悬挑桁架以支托桁架上部的钢柱,桁架自核心筒外悬挑12.4m,在25层核心筒角部设置十字交叉中心支撑,以便均匀地将上部荷载传递至下部竖向构件,如图4(b)所示。两部分悬挑桁架的弦杆及腹杆均采用焊接箱形截面,下弦杆最大截面为□850×700×40×40,高位长悬挑结构整体布置如图5所示。

　　 结构设计及计算中,针对结构高位长悬挑采取了以下处理措施:1)高位长悬挑结构,加速度放大效应明显,结构对竖向地震作用比较敏感,设计中对悬挑部位进行了详尽的计算分析。通过竖向弹性时程分析,得出了悬挑桁架的竖向加速度放大系数,小震计算时最终采用重力荷载代表值的15% ^[3]作为结构悬挑部位的竖向地震效应加以考虑。2)设计中,对悬挑桁架杆件进行了加强,严格控制其应力比。悬挑桁架的构件计算时,采用刚性楼板和零刚度楼板 ^[4]假定时的包络设计;采用弹性膜楼板假定作补充计算,并考虑楼板可能开裂对面内刚度的影响。3)对悬挑层楼板进行加强处理,设计中加大了悬挑楼层的楼板厚度,楼板采用双层双向配筋进行加强。在局部桁架下弦悬挑位置的楼层处,设置水平支撑。同时,对悬挑结构部位楼板的竖向振动舒适度进行了补充验算。

　　 钢支撑分为偏心支撑和中心支撑两种形式。偏心支撑是利用耗能梁端来耗散地震能量,同时避免支撑屈曲,但偏心支撑耗能梁端的构造要求较严格;中心支撑具有传力路径明确、构造简单等特点,本工程支撑全部采用中心支撑。在框架-中心支撑核心筒体系中,中心支撑与框架柱及框架梁形成刚度较大的整体,类似双肢剪力墙中的连梁,无支撑跨的钢梁由于跨度较小,在大震作用下将先于其他普通框架梁进入塑性,可起到与偏心支撑耗能梁端相同的耗能作用 ^[5]。

　　 在多遇地震作用下,同时考虑施工模拟的各楼层结构杆件的应力比分布如下:应力比最大结构杆件的为核心筒内框架支撑间的框架梁(应力比0.90～0.99),其次是中心支撑(应力比0.79～0.89),最小的为外围框架梁柱(0.49～0.72)。通过结构的应力比分布大小基本可以确定整个结构构件的屈服及耗能顺序。在中震乃至大震作用下,支撑框架间的框架梁(类似于剪力墙连梁作用)先行屈服耗能,而后是支撑进入屈曲耗能,当支撑破坏后再由纯框架作为最后一道防线,抵抗剩余的地震作用。

　　 综上所述,在计算多道防线的调整系数时,为准确计算外框架承担的剪力比例,应重新建立新模型。此模型中应事先考虑支撑框架间梁的屈服,此梁均按照两端铰接考虑;对于悬挑楼层,无支撑的框架柱很少,有悬挑桁架的模型会使得框架柱分配的地震力偏小,故应按照去掉悬挑支撑的模型确定多道防线的调整系数;其次,为详细准确地统计外围框架柱承担的地震剪力,对各层模型中的外围框架柱地震剪力进行单独的统计并汇总,然后与分段的总地震力进行比较,以此确定外围框架柱的二道防线调整系数。通过上述分析后,进而对结构外框架柱给予相应的加强。

　　 同时,为进一步确保外框架的二道防线的抗震性能,结构分析计算中补充模型:将核心筒中所有中心支撑取消,纯框架结构承受原有未取消核心筒中心支撑时的结构基底剪力的25%地震作用,进行纯框架计算。通过计算分析,结构构件的承载力依旧满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[1]的要求。

　　 工程采用钢管混凝土柱框架-钢中心支撑结构体系,具有偏心布置、尺寸突变、竖向构件不连续等三项不规则项,属于需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查的项目。目前规范还没有性能化设计的具体规定,为确保结构达到规范规定的三水准设防目标,参照《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015) ^[6](简称高钢规),参照抗震性能目标C,结合本项目的特点和超限专家的意见,主要对悬挑桁架以及和悬挑桁架直接相连的竖向构件提出更为严格的性能要求,此部分构件在小震和中震作用下均应处于弹性工作状态,大震时为不屈服状态。

　　 采用YJK软件和ETABS(2015版)软件对结构进行小震弹性整体分析,采用YJK软件对结构进行小震弹性动力时程分析、中震弹性及大震不屈服计算;采用PERFORM-3D软件对结构进行大震弹塑性分析,采用ANSYS软件进行关键节点有限元分析。

　　 通过计算得出,YJK与ETABS两种软件的计算结果基本一致,结构周期(第一周期为3.97s)和自重(自重为659 140kN)适中,剪重比(最小剪重比3.20%)符合规范要求,位移(最大层间位移角为1/410)和轴压比(最大轴压比为0.72)小于规范的限值要求,说明构件截面取值合理,结构体系选择适当;结构构件的承载能力可以满足性能化目标要求。PERFORM-3D大震弹塑性分析结果表明,大震作用下,结构基底剪力约为小震作用下的3.7倍,结构具有较强的变形能力,框架梁屈服数量较多,耗能梁充分发挥了耗散地震能量的作用,整体结构能够达到各项抗震性能目标。

　　 人字形中心支撑采用H型钢,截面采用H400×500×20×40,钢材牌号采用Q345C;支撑跨横梁采用H800×400×18×40,钢材牌号采用Q345GJC。根据高钢规第7.5.6条,在确定支撑跨的横梁截面时,不考虑支撑在跨中的支撑作用。横梁除应承受重力荷载代表值的竖向荷载外,尚应承受跨中节点处两根支撑斜杆分别按受拉屈服、受压屈曲所引起的不平衡竖向分力和水平分力的作用。

　　 由于设计中,人字形中心支撑杆件将强轴位于面外且面内使用防屈曲杆减小了相应的长细比,故支撑杆件两个方向的长细比均比较小;而且大震弹塑性分析表明,普通支撑在大震中发生屈曲,但基本处于IO～LS性能水平之内,属于轻度损坏状态,故在不平衡力的设计中压杆考虑50%的临界力进行验算。框架横梁按照压弯构件进行验算,计算结果表明横梁的承载力基本满足规范不平衡力的要求。

　　 在悬挑桁架上弦杆以及斜腹杆的水平拉力作用下,悬挑桁架部位混凝土楼板面内也将产生很大的水平拉力作用。为此,专门针对建筑悬挑和收进的楼层,进行了竖向荷载作用下楼板平面内应力分析。分析时,楼板采用弹性膜单元,仅考虑楼板的平面内刚度。楼板应力计算分析中,不考虑悬挑桁架下弦楼层水平支撑的有利作用。计算中考虑梁与楼板的变形协调,在竖向荷载组合荷载工况作用下,各悬挑桁架上下弦楼板内力分析结果如图6～8所示。

　　 由图6可知,悬挑桁架下弦所在层(23层),在悬挑桁架位置出现了轴向压力的峰值,最大楼板压力达到了691kN/m,此压力可以通过楼板混凝土来承担。同时,在悬挑桁架之间的矩形钢管混凝土框架柱位置楼板出现了较大的轴向拉力峰值,最大楼板拉力达到了840kN/m,普通混凝土楼板不足以承担此轴向拉力,考虑采用双层双向通长附加配筋加以解决。桁架中间层(24层、25层)位置悬挑层无楼板,悬挑部位内部楼板内力较小,施工图中对此部分进行加强处理,采用双层双向通长配筋;悬挑桁架A上弦所在层(26层)(文献[2]中图2)平面内上弦杆所在位置的端部出现了轴向拉力的峰值,最大楼板拉力达到了500kN/m,右下部角柱位置楼板拉力与下部两层相同,内力很大,必须采取配置附加钢筋的方式给予解决。

　　 由图7可知,悬挑桁架下弦所在层(26层),在悬挑桁架位置出现了轴向压力的峰值,最大楼板压力达到了890kN/m,此压力可以通过楼板混凝土承担。其余楼板位置均以受压为主,压力在180～330kN/m之间分布。桁架中间层(27层、28层)位置楼板压力逐渐减小至700kN/m,同时,在框架支撑位置楼板出现了较大的拉力作用,最大值达到640kN/m,普通混凝土楼板不足以承担此轴向拉力,施工图中采用双层双向通长附加配筋。由图8可知,悬挑桁架上弦所在层(29层),在悬挑桁架位置的端部出现了轴向拉力的峰值,最大楼板拉力达到了777kN/m,同时,与悬挑桁架直接相连的框架支撑处也存在较大的楼板拉力作用,最大值达到了890kN/m,必须采取配置附加钢筋的方式给予解决。

　　 由以上弹性楼板的分析可知,通过加大桁架层楼板的厚度和采用双层双向配置附加钢筋的方式,可以保证混凝土楼板在竖向荷载的最不利组合工况下,达到安全可靠的正常使用状态。

　　 基于本项目的特点和难点,超限专家提出以下意见:1)悬挑桁架应补充防连续倒塌验算;按实际计算长度复核三层通高钢桁架腹杆的承载力;2)人字形中心支撑的框架梁应按高钢规第7.5.6条第2款复核其承载力,也可采用拉链柱以减小支撑屈服产生的竖向不平衡力的影响;3)进一步复核外框钢框柱二道防线要求,明确外框柱(不含外框梁)多道防线的调整系数;4)竖向地震作用下,应取竖向时程分析结果与规范方法的较大值。

　　 针对超限专家的意见,采取的主要措施如下:1)采用YJK软件进行了防连续性倒塌验算,考虑极端情况下,任意一榀悬挑桁架斜拉杆失效,在永久荷载组合情况下,验算悬挑构件的承载力;重新建立模型,悬挑桁架采用实际长度,复核钢桁架腹杆及弦杆的承载力。2)人字形中心支撑的框架梁按照高钢规第7.5.6条第2款复核其承载力,横梁难以满足规范的要求,考虑本工程的实际情况并与超限专家沟通,不平衡力的设计中压杆考虑50%的临界力进行验算,以满足不平衡力的验算。3)为详细准确地统计外围框架柱承担的地震剪力,对各层模型中的外围框架柱地震剪力进行单独的统计并相加汇总,然后与分段的总地震力进行比较,以此确定外围框架柱的二道防线的调整系数。在结构设计中,补充了取消核心筒中心支撑后的分析计算,纯框架结构承受未取消支撑时结构基底剪力的25%地震力下,要求纯框架结构构件的承载力仍然满足抗规的要求,确保结构二道防线的安全。4)竖向地震作用计算时,取竖向时程分析结果与规范方法的较大值,考虑竖向加速度的放大效应,最终采用重力荷载代表值的15%作为结构悬挑部位的竖向地震效应加以考虑 ^[2]。

　　 工程具有偏心布置、尺寸突变、竖向构件不连续等三项不规则,属于特别不规则的复杂超限高层建筑,采用钢管混凝土柱框架-钢中心支撑核心筒结构体系。结构体系新颖,抗震性能高。高位悬挑采用三层钢桁架与内部结构进行相连。设计中通过对悬挑楼层进行合理的结构布置和构造加强,确保悬挑桁架在大震下变形和承载力符合规范的要求。采用结构性能化设计方法,验证结构性能目标的合理性,在兼顾结构经济性的同时,有效保证了结构安全。

　　 本工程已于2017年12月通过了全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的审查,目前已经竣工并投入使用。