苏宁易购总部研发办公楼总建筑面积为228 258m²,其中地上部分119 196m²,地下部分109 062m²。地下2层,局部有夹层,地下室深度为9.3m,地下室长度约为305m,宽度约为260m。地上主楼层数为6～9层,建筑高度为46.3m,为高层建筑 ^[1]。建筑环形长度约为540m,因结构超长,设4道防震缝 ^[2],分为A～E区五个结构单元(A区为左下角悬挑部分)。A区位于整个项目的西区入口处,根据建筑要求,端部3层大悬挑,悬挑最大处达18.2 m。建筑实景如图1所示,结构单元分区如图2所示。

　　 该工程结构形式为框架(宽扁梁)-剪力墙结构体系,框架和剪力墙抗震等级分别为三级和二级。结构安全等级为二级,设计使用年限为50年,建筑抗震设防类别为丙类,场地抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第一组,场地土类别为Ⅱ类,设计特征周期为0.35s(罕遇地震时为0.40s)。本工程端部存在大悬挑,设计中考虑竖向地震作用,按竖向振型分解反应谱方法计算,竖向地震影响系数为水平地震影响系数的65%。

　　 竖向构件中,大部分框架柱截面为ϕ850,ϕ900的圆形钢筋混凝土柱,悬挑端外框柱截面为ϕ1 200的圆形钢柱,柱混凝土强度等级从下往上分别为C60,C50,C40,型钢钢材强度等级为Q345;剪力墙厚度为400mm,墙混凝土强度等级从下往上为C50,C40;钢拉杆截面为ϕ200的圆钢棒,钢材强度等级为Q650。

　　 大部分框架梁截面为1 100×500,800×500(钢筋混凝土梁),跨度较大处梁高在700～950mm之间。悬挑端外侧梁为钢梁,顶层和首层的钢框梁截面为H1 500×300×20×25,中间两层的钢框梁截面为H1 000×300×16×25,悬挑端框架柱与核心筒之间为型钢混凝土梁,截面为600×800,内含型钢截面为H500×300×16×25。大部分楼板厚度为220mm,核心筒楼板厚度为150mm,悬挑部分楼板为厚度125mm的组合楼板。梁、板混凝土强度等级均为C35,钢梁、型钢钢材强度等级为Q345。

　　 根据项目的特点,考虑了三种悬挑方案:第一种为屋顶设置桁架;第二种为楼层设置桁架;第三种为跃层设置斜拉构件,形成悬挑斜拉体系。

　　 根据建筑功能以及美观要求,选择第三种方案,设计中斜拉构件又考虑了普通型钢构件,预应力拉索、钢拉杆这三种形式。普通型钢构件采用H型截面或者两片厚钢板加缀条形式 ^[3],这种形式存在节点区过大,施工中焊缝质量很难控制,施工操作困难的问题。预应力拉索也存在节点区锚固困难的问题。最后选用钢拉杆的形式,既能满足建筑要求,也能使得结构受力明确、施工简单。

　　 结构主体采用框架-剪力墙结构体系;端部3层悬挑,悬挑最大处18.2m,采用钢拉杆斜拉悬挑体系,悬挑段采用钢梁、压型钢板组合楼面承重以减轻结构自重 ^[4]。悬挑段与混凝土核心筒之间的框架梁、柱均为型钢混凝土构件。图3为结构的整体计算模型,图4为钢拉杆施工过程照片。

　　 A区结构高度32.3m,根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号) ^[5],结构有5项不规则,即扭转不规则、开大洞导致楼板局部不连续、大跨度悬挑结构、悬挑端钢柱不落地、结构中存在部分穿层柱。针对超限情况,采取如下措施。

　　 1)小震作用下,悬挑段和平衡段在计算模型中不考虑楼板作用;2)对过渡段、平衡段以及悬挑段构件进行中震不屈服、中震弹性及大震不屈服和稳定性验算,以保证这些部位构件的抗震承载力满足抗震性能目标要求;3)计算考虑活荷载不利布置,即平衡段无活载,悬挑段满布活载;4)钢拉杆及两端节点在各工况标准值组合作用下的应力比小于0.4,并满足大震下的性能目标;5)钢拉杆上下端楼层设置水平桁架,并将下端楼层开洞处板厚加厚为180mm,以更有效地传递水平力;6)3根钢拉杆按任1根失效,对结构进行小震下的失效分析,并采取相应的加强措施;7)对钢拉杆节点进行局部应力分析。

　　 针对本项目的超限情况,全国抗震超限审查专家提出了如下意见:1)悬挑端根部3根立柱的性能目标应提高为“大震不屈服”(阻尼比可取为6%)。2)悬臂端的横梁和底层、顶层的边梁(向内延伸两跨)截面应加高,开洞两侧楼板加厚,空腹桁架应适当加强。3)考虑斜拉杆张拉不均匀时的相互影响。施工图中将悬挑端根部3根立柱的性能目标抗弯按“大震不屈服”、抗剪按“中震弹性”设计;悬臂端顶、底钢梁高度由1 000mm加高至1 500mm,中间两层钢梁高度由800mm加高至1 000mm,底层开洞处楼板由150mm加厚至180mm。

　　 施工中由于钢棒超长,将钢棒分为3段,通过钢棒调节节点、连接节点调节钢棒的长度,消除安装误差以及保证多杆体受力均匀。

　　 本工程钢拉杆、销栓采用某公司生产的成品,钢材强度等级为Q650,f_y=650N/mm²;节点板钢材强度等级为Q460,f_y=460N/mm²。钢拉杆非抗震以及小震下的内力计算参照《公路斜拉桥设计细则》(JTG/T D65-01—2007)第3.4.1条,σ≤0.4f_pk(即安全系数不小于2.5),并在此基础上按拟定的性能目标对其复核验算。在小震作用下,采用SATWE和MIDAS Building软件对钢拉杆进行计算分析,得到的内力对比见表1。在大震作用下,采用MIDAS Building软件对钢拉杆进行计算分析,得到的内力见表2。

　　 由表1可知,外侧钢拉杆内力最为不利,故对其进行校核,钢拉杆的内力标准值组合com1(简称ΣF₁)为D_k+L_k=5 169kN,钢拉杆的内力标准值组合com2(简称ΣF₂)为D_k+0.5L_k+E_h+0.5E_v=5 519kN,其中E_h取E_X和E_Y的较大值;E_v等于E_Z。可见,ΣF₂起控制作用,以此为小震下计算依据。

　　 由表2可知,外侧钢拉杆内力最为不利,故对其进行校核,内力标准值组合com3(简称ΣF₃)为D_k+0.5L_k+E_h+0.5E_v≈9 038kN。

　　 钢拉杆、销栓(小震和大震不屈服)验算如下。

　　 抗拉承载力N_u=3.14×100×100×650/1.3/1 000=15 700kN>2.5ΣF₂=2.5×5 519=13 798kN>ΣF₃=9 038kN。

　　 抗剪承载力N_v=2×3.14×197²/4×650/1.3/1.732=17 589kN>2.5ΣF₂=2.5×5 519=13 798kN>ΣF₃=9 038kN。

　　 局部承压承载力N_c=197×160×650/1.3/1 000=15 760kN>2.5ΣF₂=2.5×5 519=13 798kN>ΣF₂=9 038kN。

　　 本工程上、下端节点至关重要,有必要对此深入分析,上、下端节点构造如图5,6所示。根据2.4节,以外侧钢拉杆两端节点为例,采用有限元分析,得到节点在ΣF₂下的应力分布,分析结果如图7,8所示。

　　 从计算结果可以看出,上、下端节点除孔边应力集中外,其他处应力均比较小。其中,上端节点最大应力为87MPa<0.4f_y=0.4×460/1.3=141.5MPa,下端节点最大应力为96MPa<0.4f_y=0.4×460/1.3=141.5MPa,满足要求。

　　 根据前面分析,大震与小震的钢拉杆内力比值为ΣF₃/ΣF₂=9 038/5 519=1.64,则可以得出大震下钢拉杆上端节点的最大应力为87×1.64=143MPa,下端节点的最大应力为96×1.64=157MPa,均小于f_y=350MPa,满足要求。

　　 本工程端部以3根钢拉杆斜拉悬挑端形成结构体系,钢拉杆至为重要,为最关键构件,除了保证大震不屈服外,有必要对钢拉杆进行失效分析。本工程将采用MIDAS Building软件分别按任一根钢拉杆失效后,进行恒载D、活载L以及小震作用下的内力分析,计算结果如表3所示。

　　 由表3可知,模型一情况最为不利,中间钢拉杆内力最大,为1.0D_k+1.0L_k=7 655kN<N_u=15 700kN,应力比为0.488,处于正常工作状态。此时,模型一框架主体最外侧钢柱柱顶处竖向位移最大,为167.23mm。

　　 以模型一为例,钢拉杆在小震和大震作用下的内力如表4所示。

　　 由表4可知,在大震作用下,中间钢拉杆最为不利,D_k+0.5L_k+E_h+0.5E_v=11 052kN<N_u=15 700kN,确保钢拉杆在大震作用下不会破坏。

　　 本工程端部以3根钢拉杆斜拉悬挑端形成结构体系,外侧钢拉杆斜拉处与型钢柱水平距离最大,为16.610m,端部3层～屋面为大悬挑,有必要对悬挑端进行舒适度分析。本工程将采用MIDAS Gen软件对此进行分析。

　　 根据对结构自振周期的分析比较,并结合第4阶振型,如图9所示,端部悬挑端竖向自振频率为3.152Hz,满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[2]第3.4.6条对于大跨度公共建筑不宜低于3Hz的要求。

　　 根据竖向振动模态,悬挑端部最不利区域为端部最外侧。在最外侧区域施加人行时程荷载,考虑66人同步行走,加载位置如图10所示。

　　 经计算,悬挑端部最外侧中部峰值加速度为0.061m/s²,基本满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[1]第3.7.7条对于办公室峰值加速度不应超过0.06 m/s²的要求。

　　 本工程结构悬挑端施工难度较大,为考察结构受力状态是否与计算一致,故对钢拉杆的应力、下端节点的位移进行了跟踪测试,以确保结构安全,监测结果见表5。

　　 由于结构悬挑端无法按照普通楼层的施工顺序来施工,根据本工程的具体情况,分为9个施工工况:1)顶升前,在钢拉杆、外侧钢柱正下方安装千斤顶;2)安装2层钢结构、3～5层钢框架,完成顶升;3)依次安装3根钢拉杆;4)千斤顶松顶,结构自身形成受力体系;5)安装3～5层钢次梁、3层混凝土楼面施工完成;6)4层混凝土楼面施工完成;7)5层混凝土楼面施工完成;8)屋面混凝土施工完成;9)幕墙施工完成。

　　 (1)采用PKPM以及MIDAS Building两种软件对结构关键部位作了小震和大震作用下的内力分析,并对节点区进行了应力分析,结果表明这种结构体系安全可靠。

　　 (2)由于钢拉杆的重要性,故而作了失效分析,结果表明在某一根钢拉杆失效的情况下,另外两根仍然处于正常应力状态,结构有一定的冗余度。

　　 (3)由于结构端部3层大悬挑,故而作了舒适度分析,结果表明这种结构体系满足规范对于正常使用条件下的要求。

　　 (4)钢拉杆与主体结构均为机械连接,避免现场焊接,施工监测表明结构安全可靠。