ICON·云端项目由超高层塔楼(图1,2)、地下音乐厅、地下剧场、住宅和地下车库组成,总平面功能分区图如图3所示。该项目地下室为3层,地下3层～地下1层层高分别为4.5,3.9,3.6m; 塔楼地上为46层,层高3.6～5m,避难层设在10,30层,层高3.9m; 塔楼结构高度为185.10m。主楼采用钢管混凝土柱-钢梁-钢筋混凝土核心筒混合结构体系,地下室采用钢筋混凝土框架结构,位于地下室的音乐厅顶板局部采用大跨钢梁,音乐厅外壳采用钢管结构,住宅采用混凝土框剪结构。本文重点对塔楼部分进行分析。

　　 根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[1],本工程抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第三组,设计基本地震加速度值为0.10g,设计特征周期为0.45s。本工程场地类别为Ⅱ类。

　　 项目塔楼平面呈L形,为平面不规则结构,且立面在L形两端逐渐收进,竖向刚度变化比较均匀,见图4,5。为了减轻自重、减小柱截面尺寸和提高结构的抗震性能,采用钢管混凝土框架柱、钢框架梁、组合楼板的混合框架-钢筋混凝土核心筒的结构体系 ^[2,3]。核心筒抗震等级提高为特一级,为增加核心筒延性,同时便于钢梁与混凝土连接,在核心筒内增加型钢。核心筒剪力墙厚度四周为600～1 000mm,中部为200～400mm; 钢管柱截面直径为700～1 000mm,钢管壁厚为16～50mm,内填C40～C60混凝土; 地下室采用钢筋混凝土框架; 除受力较大的转换节点外,钢管柱与钢梁的连接主要采用内环板连接。

　　 考虑到建筑功能以及构件受力的重要程度 ^[4,5,6,7],塔楼采用结构抗震性能设计方法。中震时:塔楼核心筒外墙肢满足弹性的要求,连梁满足不屈服要求; 钢管混凝土柱满足弹性的要求; 钢框架梁满足不屈服的要求; 斜柱转换楼层的水平拉梁、转换节点满足弹性要求; 斜柱转换层楼板保持弹性状态。大震时:斜柱转换节点满足不屈服要求; 底层大堂5层通高柱满足弹性要求; 转换楼层楼板满足不屈服要求。

　　 采用SATWE和ETABS分别对塔楼结构进行计算分析,结果见表1。分析表明,结构刚度满足规范要求,但由于框架与混凝土核心筒刚度相差过大,为增加筒体的承载力以及延性,采取以下措施 ^[8,9,10]:1)筒体地震剪力提高10%设计; 2)筒体抗震等级提高至特一级; 3)筒体角部增加型钢; 4)筒体外墙肢满足中震弹性,连梁中震不屈服。

　　 根据地勘报告,塔楼所在持力层为泥岩,其地基承载力特征值f_spk=650kPa,由于强风化与中风化泥岩互层严重,导致承载力不均匀,且持力层SO${}_4^{2-}$含量达到6 895.0～7 010.0mg/kg,对钢筋及混凝土均具有强腐蚀性(图6),而筒体下所需承载力需要达到1 500kPa。经方案比较,采用大直径素混凝土置换桩复合地基处理以满足塔楼基底承载力的要求,混凝土采用抗硫酸水泥。

　　 根据筏板应力分布,处理范围见图7。A区处理后复合地基承载力700kPa,处理面积413.13m²,桩端进入中风化泥岩,单桩承载力3 600kN; B区处理后复合地基承载力900kPa,处理面积373.01m²,桩端进入中风化泥岩,单桩承载力5 500kN; C区处理后复合地基承载力1 500kPa,处理面积2 086.74m²,桩端进入中风化泥岩,部分进入微风化泥岩,单桩承载力9 700kN。处理完成后分别对三个处理区域进行加载试验,根据承载力大小,试验采用反力架或堆载方式进行,见图8～10。

　　 东南入口处四根5层通高柱,高度27m,位置如图4所示。忽略弧形梁对通高柱的有利作用,对柱进行单独分析,下端支座取顶板刚接,上端延伸至6层,其基本模型如图11所示。

　　 针对不同初始缺陷(δ=20,50,90mm),采用ABAQUS进行有限元分析,考虑混凝土收缩,混凝土与钢管内壁摩擦系数为0,分析结果见图12,13。

　　 由上分析可知,通高柱对于初始缺陷较为敏感,在施工过程中将初始偏心控制在20mm以内,以保证柱的稳定性。

　　 塔楼在西北角立面收进,见图14,在4层以及10层存在转换问题,夹角仅为16°。由于夹角较小,混凝土在此处难以振捣密实,因此仅考虑钢管受力,混凝土作为安全储备。ANSYS分析结果如图15所示。

　　 根据4层转换节点应力云图(图15),应力最大点为梁柱相交处,因此将梁柱相交处改为外环板连接。为进一步验证节点承载力与性能,委托重庆大学对转换节点进行了低周往复试验,现场加载情况如图16～18所示。试验结果表明,应力分布情况与有限元分析结果接近,但因为钢管混凝土作用,承载力提升较大。

　　 根据节点分析以及试验结果,在斜柱内增设加劲肋,以减少应力集中现象。另为避免钢管壁层间撕裂,此处梁柱节点采用外环板,如图19所示。

　　 塔楼沿竖向层层收进,造成局部框架柱上下不连续,竖向抗侧力构件的内力需通过水平转换构件向下传递,如图20所示。

　　 由于筒体随高度增加侧向位移增大,转换柱柱脚弯矩随之增大,造成转换柱设计困难。为减小转换梁负担,将13层及以上转换柱设计为铰接,让柱仅承担竖向荷载,每块耳板均增设四道加劲肋以保证耳板面外的稳定性。摇摆柱柱脚大样如图21所示。

　　 同时为避免铰接柱面外刚度不足,将其所在跨楼板加厚,钢筋双层双向布置,并在板下平面内增加角钢斜撑,如图22所示。

　　 由于建筑功能发生改变,核心筒左侧部分在31层的筒体收进(图23)处存在刚度突变问题,动力弹塑性时程分析 ^[11]损伤情况如图24,25所示,由图26可知收进处筒体连梁损伤严重。

　　 针对筒体收进造成刚度变化的不利影响,在收进标高124.45m上一层以及下两层的筒体内增加斜撑,如图27,28所示。124.45～153.25m范围内增加BRB屈曲约束支撑,布置如图29,30所示。

　　 塔楼在图31所示位置存在两颗柱的转换问题。对此节点进行有限元分析,其分析应力云图如图32所示。

　　 根据ABAQUS有限元分析结果,为保证转换斜撑不早于上层柱发生破坏,设计时,对斜撑以及与斜撑相连转换梁及框架柱进行了加强。将转换斜撑两端对应梁柱增加水平及竖向加劲肋,并灌注细石混凝土,具体节点如图33所示。

　　 ICON·云端塔楼根据结构体系和受力特点,制定了合理的结构抗震性能目标和加强措施,确保整体结构的抗震性能。对本工程一些特殊构件和关键问题的分析,得到一些结论可供参考:

　　 (1)局部框架柱上下不连续时,在满足刚度变形的前提下,可释放框架平面内抗侧刚度,但应保证其平面外刚度。

　　 (2)在筒体收进楼层附近筒体应力复杂,可在收进筒体适当范围增加钢骨斜撑等以提高筒体强度及延性,并在筒体收进楼层增加一定刚度以改善筒体突变带来的影响。

　　 (3)对于转换节点,在分析节点自身应力分布问题的同时,更应关注节点变形对相关结构计算分析的影响。