昆明耀丰广场位于白龙路与新迎路交叉口, 其中1#办公楼地上部分总面积58 000m², 地上共37层, 地下3层, 建筑高度180.8m, 结构高度162.9m, 建筑效果图如图1所示。地上1～7层为商业、8层及以上为办公楼。1层层高为5.7m, 2～7层层高为5.4m, 8～37层层高为4.2m;避难层设置在8层、17层和27层。建筑平面尺寸为38.9m×36.2m, 高宽比为4.5;核心筒平面尺寸为17.75m×15.2m, 核心筒高宽比为10.72。建筑典型剖面图见图2。

　　 本工程结构设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级 (底部7层商业为一级) , 抗震设防类为丙类 (底部7层商业为乙类) , 抗震设防烈度为8度 (0.20g) , 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅲ类, 地面粗糙度类别为B类。多遇地震下水平地震影响系数最大值为0.16。根据《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[1] (简称抗规) , 特征周期为0.65s;风荷载取昆明市50年一遇基本风压, 为0.30kN/m²;承载力设计时按基本风压乘以1.1的增大系数。

　　 1#办公楼采用矩形钢管混凝土柱+钢框架中心支撑结构体系。结构初步设计阶段, 配合建筑方案调整, 结构选型主要考虑框架-核心筒和矩形钢管混凝土柱+钢框架中心支撑两种方案。对于框架-核心筒方案, 试算结果为:首层柱截面为1 400×1 400 (内设十字形钢骨, Q390B级钢材) , 剪力墙厚度为950mm, 梁截面为600×1 200。与第3节矩形钢管混凝土柱+钢框架中心支撑方案相应构件截面尺寸相比, 框架-核心筒方案构件截面过大, 增加公摊面积。另外, 经过经济性分析对比, 矩形钢管混凝土柱+钢框架中心支撑方案比框架-核心筒方案节省近1 000万元 (表1) 。加上钢结构自身拥有的构件截面小、施工周期短等优势, 最终选定矩形钢管混凝土柱+钢框架中心支撑结构为实施方案。

　　 办公楼与裙房X向在⑤轴设防震缝断开, 底部7层Y向带裙房。由于底部7层商业部分要避开通道, Ⓔ轴上柱需退1.2m到○E′轴上 (图3) ;为了不影响上部办公楼的使用, 9层以上的部分柱需贴着幕墙布置在Ⓔ轴上, 而不能通过从○E′轴悬挑的方式布置柱, 因此设计时通过对8, 9两层○E′轴上柱做成斜柱, 使○E′轴上的柱过渡到Ⓔ轴上, 斜柱的倾斜角度为8°, 较为合理。首层大堂为了增加净高, 其上空2层楼板开洞, 导致2层楼板不连续和部分柱变成穿层柱。连接核心筒与外框柱的框架梁跨度均为9.5m左右。外框柱典型截面从下往上依次为□1 000×1 000×30～□450×450×14, 采用Q390B级钢材, 管内混凝土强度等级由下至上依次为C60～C40;核心筒X向比较弱, 为了加强X向的刚度和避开竖向井道, 核心筒柱截面设计成矩形 (长边在X向) , 到顶层收截面成正方形, 核心筒柱截面从下往上依次为□1 500×1 000×50～□550×550×14, 采用Q390B级钢材, 管内混凝土强度等级由下至上依次为C60～C40;主要框架梁截面为H600×200×14×20, 采用Q390B级钢材。

　　 支撑布置在核心筒外围 (图3) , 支撑计算一般由稳定性计算控制。为了控制支撑截面宽度和加强稳定性, 本工程支撑采用方钢管, 其截面从下到上依次为□350×350×30～□250×250×16。采用Q390B级钢材。为了提高结构的抗震性能及控制支撑的稳定性, 14层及以下各层采用了耗能型屈曲约束支撑 (BRB) 。经与建筑协调核对、避让门洞后的支撑布置图见图4。整体模型图见图5。

　　 1#办公楼的超限情况根据《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) ^[2]附件1中表2判断, 结果如表2所示。由表2可知, 1#办公楼存在扭转不规则、尺寸突变、楼板不连续、局部不规则 (穿层柱、斜柱) , 属特别不规则结构, 但其中两项不规则指标均为局部楼层。本工程钢框架及钢支撑抗震等级均为一级。

　　 1#办公楼在多遇地震作用下的层间位移角限值, 根据《钢管混凝土结构技术规范》 (GB 50936—2014) ^[3] 4.3.6条规定取1/300;结构抗震性能目标按抗规附录M中性能水准4设计。根据本工程的特点制定的抗震性能目标见表3。

　　 由于1#办公楼采用矩形钢管混凝土柱, 结构体系属于《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) ^[2]附件1中表5所述的“特殊类型高层建筑”。因此1#办公楼需要按超限高层建筑进行抗震设防专项审查。本工程已通过抗震专审和施工图审查。

　　 主楼体型收进处上下各两层的周边框架柱的抗震等级应提高一级, 楼板及远端框架应适当加强。设计处理:加强主楼收进处上下两层的梁柱, 并提高主楼收进处上下层结构的抗震等级一级;加厚主楼收进处上下层的楼板厚度到150mm, 楼板钢筋按双层双向拉通配置。

　　 消能子结构中梁、柱、节点宜按重要构件设计, 并应考虑罕遇地震作用效应和其他荷载作用标准值的效应, 其值应小于构件极限承载力。设计处理:屈曲约束支撑按中震屈服耗能设计, 与其相连的子结构按大震不屈服设计, 确保子框架在屈曲约束支撑屈服前不屈服。

　　 应复核普通支撑共用角柱的内力调整。设计处理:结构设计时角柱考虑双向地震作用。

　　 应复核穿层柱的长度系数取值, 并采取有效措施保证其抗震承载力及延性。设计处理:加大与穿层柱相连的梁截面, 增强对穿层柱的约束;按穿层柱的实际层高另外建模验算其长细比。

　　 弹性阶段主要采用PKPM系列的SATWE和ETABS 2013两种三维空间结构分析程序进行计算比较, 计算结果见表4。对两种程序计算结果进行分析、比较, 可见, 两种程序计算结果基本一致, 且符合规范的有关规定。

　　 采用SATWE软件进行小震下弹性时程分析。共选取7条地震波, 其中有5条天然地震波 (USER1, USER2, USER83, USER9146, TH2TG090) 和2条人工地震波 (RH1TG065, RH2TG065) 。每条波的频率特性与抗规标准反应谱相近, 选用的地震波平均反应谱与抗规标准反应谱比较如图6所示, 可见, 地震波平均反应谱曲线与抗规标准反应谱曲线基本重合。7条波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法 (CQC法) 所用的地震影响系数曲线相比, 在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%, 地震波的选择满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[4] (简称高规) 4.3.5条条文说明的要求。

　　 按8度地震、Ⅲ类场地对结构进行多遇地震弹性分析。7条地震波时程分析所得的基底剪力与CQC法的计算结果对比如表5所示。可见, 每条波时程分析所得结构基底剪力均大于CQC法的65%、小于CQC法的135%。7条波时程分析所得结构基底剪力的平均值大于CQC法的80%、小于CQC法的120%。在X向及Y向, 7条波时程分析所得基底剪力的平均值均小于CQC法的基底剪力, 因此施工图设计中, 按照CQC法的计算结果进行构件设计。

　　 本工程利用MIDAS/Gen软件验算结构在罕遇地震作用下的结构抗震性能。MIDAS/Gen软件具有方便灵活的建模功能和强大的线性和非线性动力分析功能, 其中一般连接弹簧单元能够准确模拟屈曲约束支撑。梁、柱、普通支撑构件均采用双折线滞回模型模拟, 此模型卸载刚度与弹性刚度相同, 对正向和负向可定义不同的屈服刚度折减系数;屈曲约束支撑采用非线性弹簧模拟。大震时按抗规建议, 结构阻尼比取为5% (未考虑屈曲约束支撑耗能贡献的阻尼) 。

　　 大震作用下, 结构的塑性铰首先出现在屈曲约束支撑上 (图7) , 然后出现在框架梁上, 普通支撑和框架柱上未出现塑性铰。从进入屈服状态的构件来看, 大部分屈曲约束支撑在性能点位置都进入耗能阶段, 而只有部分梁构件出现塑性铰, 这说明屈曲约束支撑是结构耗能的一种主要构件, 同时整体结构满足“强柱弱梁”的要求, 形成合理的结构屈服机制, 满足抗震概念的要求。X, Y向性能点处对应的层间位移角均为1/60, 满足规范限值1/50的要求。

　　 (1) 二道防线设计:本工程各层框架部分分配的楼层地震剪力标准值的最大值在X, Y向均不小于结构底部总地震剪力标准值的10%, 但同时也小于结构底部总地震剪力标准值的25%和框架部分楼层地震剪力标准值中最大值的1.8倍二者的较小值, 本工程设计中按抗规8.2.3条规定对框架部分地震剪力进行了调整。

　　 (2) 对收进层楼板和相关构件进行加强处理。

　　 (3) 屈曲约束支撑设计:本工程采用的屈曲约束支撑为耗能型屈曲约束支撑, 屈服段芯材为Q235B。支撑在小震下处于弹性状态, 中震下开始屈服耗能, 规格、型号由中震下计算支撑杆件内力最大值确定。本工程选用的屈曲约束支撑的屈服承载力为3 900～5 400kN。屈曲约束支撑框架的梁柱设计时考虑了屈曲约束支撑所传递的最大拉力与最大压力的作用, 其梁的设计考虑了支撑拉力与压力所产生的竖向力的差值。

　　 (4) 穿层柱和大开洞楼板设计:对于穿层柱, 概念设计时, 加大穿层柱截面, 减小穿层柱轴压比, 保证地震作用下穿层柱有足够的延性, 加强穿层柱周边梁截面尺寸, 加高穿层柱上下的梁截面, 增强约束;在计算方面, 对穿层柱在标高0.000～11.000m范围内按抗弯、抗剪中震弹性设计, 并按本层普通框架柱承担的地震剪力复核其承载力。对于大开洞楼板, 概念设计时, 提高楼板配筋率至0.25%并双层双向拉通, 加强洞口的梁柱, 并全层设置板内斜撑 (图8) 。小震设计计算时, 对2层楼板进行弹性定义;同时采用ETABS软件, 按照中震工况 (1.0D+0.5L+1.0E_h) 进行楼板应力分析, 分析结果显示该层X向最大正应力为-1.33MPa, Y向最大正应力为-3.25MPa。施工图设计时根据此应力分析结果对楼板进行配筋。

　　 (5) 斜柱设计:为了避开1～7层的商业通道, Ⓔ轴柱往主楼方向退了1.2m, 在主楼的8层、9层形成了斜柱。设计时针对斜柱采取了以下措施:

　　 概念设计时:为了减小斜柱倾斜角度, 斜柱分两层过渡, 倾斜角度为8°, 同时加大斜柱截面;与之相连的梁截面采用□350×700×30×30, 以增强对斜柱的约束, 并复核梁受的轴向力的作用。设计时对梁柱的应力比留有较大富余。计算方面:在满足小震计算要求的前提下, 按照高规3.11.3条3款验算中震下各斜柱及其相连梁 (图9) 的受力情况, 计算结果表明, 各斜柱、与斜柱相连的上下一层柱、与斜柱相连的梁在中震作用下的抗弯、抗剪均满足中震弹性的要求。斜柱在计算中均考虑自重引起的二阶效应, 按抗震等级一级进行验算。另外, 采用SAP2000建模复核斜柱的受力情况, 验算结果表明, 斜柱及其相关构件满足预定的性能目标。按拉弯 (或压弯) 构件验算中震下与斜柱相连梁能否达到性能目标。8层、10层与斜柱相连的梁采用上部斜柱水平力分量 (图9) 和梁最大内力组合内力验算其承载能力, 充分利用钢梁的抗拉 (压) 性能。

　　 (1) 采用两个不同的有限元软件PKPM和ETABS 2013对结构进行小震作用下的分析计算, 结果表明, 结构各项指标均满足规范要求, 结构的体系安全、合理。

　　 (2) 设防地震作用下结构各项性能均达到预定抗震性能目标, 薄弱部位构件设计时取设防地震计算结果设计。

　　 (3) 利用MIDAS/Gen软件验算结构在罕遇地震作用下的抗震性能。结果表明, 结构能满足相关规范要求和设定的性能目标, 结构屈服机制符合抗震概念设计的屈服顺序, 且罕遇地震下各构件损坏程度均可控制在轻微损坏至轻度损坏范围内, 满足所设定的抗震性能目标的要求。充分发挥屈曲约束支撑和框架的耗能作用, 有效提高结构抗震性能。

　　 (4) 对框架部分进行了二道防线设计;屈曲约束支撑在中震下开始耗能, 降低地震作用;对收进层、穿层柱、楼板大开洞、斜柱等薄弱部位特别加强设计, 保证结构安全。

　　 (5) 对1#办公楼超限专审查意见及设计处理进行介绍, 本工程已通过抗震专审和施工图审查。