邦华环球贸易中心为1幢超高层办公楼, 位于广州市新港东路。用地面积为12 636m², 总建筑面积为122 997m²。地下3层, 主要功能为车库和设备用房, 地下1层～地下3层层高分别为4.5, 3.6, 3.6m;地上55层, 主要功能为办公;首层为大堂, 层高8.4m;25层为机电层, 层高5.2m;14, 24, 40层为避难层, 层高分别为6.2, 4.5, 5.7m, 其中40层同时作为结构加强层;15～22层、26～39层为办公标准层, 层高均为4.1m, 结构总高度为228.2m。结构高宽比X向为4.15, Y向为7.48, 建筑实景照片、剖面图见图1, 2。

　　 根据工程特点, 本项目采用框架 (钢管柱) -核心筒结构体系, 以稀疏框架满足高档办公楼开阔景观视野的功能要求。结构平面中部为落地核心筒, 外围布置14根底部直径为1 300mm的钢管圆柱, 连接两者的框架梁两端均为刚接, 通过框架效应将外框架和核心筒协同为整体共同抵抗水平作用。由于Y向结构高宽比达到7.48, 核心筒高宽比达到20.8, 远大于《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1] (简称高规) 的建议值, 故需要利用建筑的避难层设置加强层来满足结构Y向的抗侧刚度需求。为尽量增大建筑使用面积, 外围柱采用了截面面积可尽量小的钢管混凝土柱。

　　 分别对加强层的竖向位置和数量、加强构件的平面布局、伸臂桁架 (大梁) 和腰桁架 (大梁) 的结构形式, 以及框架柱截面不同时对结构侧向刚度的影响程度进行详细对比分析^[2], 最终选择了在40层沿Y向设置两根截面为500×3 700的钢筋混凝土伸臂大梁和两根截面为300×6 900的整层高钢筋混凝土腰梁的加强层方案, 见图3。

　　 结构受力体系由外框架+核心筒+两道伸臂梁+两道腰梁组成, 共同构成多道抗震防线, 为结构提供必要的承载能力和抗侧刚度, 见图4。水平荷载产生的剪力和倾覆力矩由外框架和核心筒两道防线共同承受, 其中核心筒承担了大部分剪力和弯矩。

　　 为配合建筑平面功能及立面造型的需要, 沿建筑外围共布置了14根框架圆柱, 41层及以下为直径1 300mm的钢管混凝土柱, 其中40层 (加强层) 在钢管柱外围包裹厚度为500mm的环形截面钢筋混凝土柱, 方便与钢筋混凝土大梁的连接和钢筋锚固;42～43层为过渡层, 设置直径1 400mm内配型钢的钢筋混凝土柱;44层及以上为直径1 300mm的普通钢筋混凝土柱。地下3层～地上18层、39层～41层混凝土强度等级为C80, 19～27层混凝土强度等级为C70, 28～38层、42～45层混凝土强度等级为C60, 46层及以上混凝土强度等级由C50变化到C40。

　　 为配合建筑功能、造型和结构受力需要, 从21层开始核心筒平面尺寸逐步向上收进, 其中43层以上作了较大收缩, 核心筒北侧局部剪力墙翼缘厚度由底部的1 300mm渐变至顶部的500mm, 其余剪力墙厚度由底部的800mm渐变至顶部的400mm。地下3层～地上7层混凝土强度等级为C70, 8～41层混凝土强度等级为C60, 42层及以上混凝土强度等级由C50变化到C40。

　　 采用普通钢筋混凝土梁板式楼盖系统, 楼盖与钢管柱采用钢筋混凝土环梁进行连接。结合结构Y向宽度较小的平面特点, Y向框架柱、梁与核心筒Y向墙取对齐布置, 主要框架梁截面为650×700, 由于上部结构体型收进对主体结构产生较大的扭转作用, 周边框架梁截面需加大至600×900, 以满足结构整体抗扭刚度的要求, 另外在没有设计成加强层的避难层和机电层, 即14, 24, 25层, 楼盖的周边梁截面高度提高至1 300～2 000mm。典型楼层结构平面布置如图5所示。

　　 本工程属于抗震超限高层建筑, 超限类型为高度超限, 另有扭转不规则、楼板局部不连续两项体型不规则项。根据高规第3.11节相关内容, 设定本结构的抗震性能目标为C级, 不同地震水准下的结构、构件性能水准见表1。

　　 根据相关规范^[3,4,5], 本工程结构设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级, 抗震设防类别为丙类, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.1g, 设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅱ类, 特征周期为0.35s, 多遇地震影响系数最大值为0.08。基本风压为0.5kN/m², 用于承载力设计的风压取基本风压的1.1倍, 地面粗糙度类别为C类, 建筑体型系数μ_s=1.40。

　　 核心筒剪力墙底部加强部位、加强层及相邻层的框架柱、核心筒剪力墙抗震等级提高至特一级, 其余位置抗震等级按高规第3.9.4条执行。

　　 根据广东省建筑科学研究院提供的《风洞试验报告》, 可以得到风洞试验测得的双向基底剪力和倾覆力矩绝对值最大值及其作用方向与X轴的夹角, 将其分别与按《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[3]取值的风荷载作用结果比较, 结果见表2。由表2可知, 风洞试验的倾覆力矩小于规范计算值, 基底剪力X向比规范计算值大3%, Y向持平;计算的层间位移角也由规范控制, 故风荷载参数基本由规范起控制作用, 顺风向风荷载作用按规范参数输入计算。

　　 采用YJK, ETABS软件对结构进行对比计算, 计算结果见表3。由表3可以看出, 两种软件的计算结果基本接近, 表明计算模型基本准确, 计算结果合理、有效, 可以作为设计依据。以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期的比值即周期比小于0.85, 最大层间位移角小于高规限值1/524, 最大楼层质量比小于高规限值1.5, 最小楼层侧向刚度比大于高规限值1, 均满足高规要求。基底剪重比两个方向均小于1.2%, 程序将自动调整至满足高规要求。扭转位移比最大值超过1.2, 属于扭转不规则结构。楼层受剪承载力比满足高规的要求, 不属承载力突变结构。刚重比大于1.4但小于2.7, 满足整体稳定性要求, 但需考虑重力二阶效应。

　　 采用YJK软件对结构进行小震作用下的弹性时程分析补充验算, 选用了2组人工波 (user1, user2波) 和5组天然波 (user3～user7波) 。每条波作用下的结构基底剪力均不小于反应谱法计算结果的65%且不大于135%, 7条波作用下的结构基底剪力平均值不小于反应谱法的80%且不大于120%, 满足高规第4.3.5条的要求。

　　 将时程分析的最大楼层剪力、最大层间位移角等指标包络曲线与CQC法的曲线进行比较, 得出7条波作用下楼层剪力平均值X向小于CQC法, Y向与CQC法相当;除X向上部个别楼层外, 7条波作用下层间位移角平均值均小于CQC法。

　　 因此在构件施工图设计时, 按CQC法的计算结果进行配筋。

　　 采用YJK软件对结构进行中震不屈服验算。计算结果表明, 标准层除部分连梁出现受弯屈服 (受剪不屈服) , 进入“中度损坏”外, 其他大部分连梁、框架梁、加强层大梁以及所有竖向构件均能达到受弯不屈服, 竖向构件和加强层大梁能满足抗剪中震弹性并满足“轻微损坏”的要求, 且加强层及其相邻层的框架柱满足受弯受剪均为弹性, 故抗震构件能满足表1中所设定的性能目标要求。

　　 采用了Perform-3D软件对结构进行大震作用下的弹塑性时程分析。分析采用一组人工波与两组天然波 (天然波1, 2) , 地震波的频谱特性比较结果表明:各条波的弹性反应谱在基本振型周期点处与规范反应谱相差均不超过20%, 满足在统计意义上相符的要求。地震波峰值加速度取220gal, 各组波按主方向:次方向=1∶0.85双向输入, 持时40s。主要分析结果如下:1) 在各条地震波作用下结构在主方向的最大层间位移角包络图见图6, 结构主要计算指标见表4。可见最大弹塑性层间位移角为1/153, 小于表1预设的性能目标1/100。2) 有较大量的连梁或者框架梁出现弯曲塑性铰但均未达到严重破坏, 总体损伤低于“中度损坏、部分比较严重损坏”的程度。3) 剪力墙均未达到屈服, 能达到底部加强部位“轻度损坏”、其余部位“部分中度损坏”的抗震性能目标。4) 1～41层的钢管混凝土柱均未屈服, 满足“轻度损坏”的抗震性能目标;41层以上的钢筋混凝土柱, 仅顶部部分柱出现轴弯受拉轻度损坏, 但均未达到中度损坏;均未出现混凝土轴弯受压压碎, 满足部分“中度损坏”的抗震性能目标。

　　 总体而言, 剪力墙、框架柱、框架梁及连梁等均能满足表1中所设定的性能目标要求。

　　 (1) 加强层即40层在钢管柱外围包裹厚度为500mm的环形截面钢筋混凝土柱, 并在柱上下端设置连接钢牛腿, 以保证与钢筋混凝土大梁的连接和钢筋锚固, 连接大样如图7所示。

　　 (2) 前期方案钢管柱仅设至加强层下层即39层。分析结果表明, 加强层及其相邻层的框架柱内力发生突变, 尤其是加强层上一层柱剪力的增幅明显, 经反复试算, 最终保持钢管柱伸至加强层上一层即41层, 直径为1 300mm的钢管柱壁厚由底部40mm渐变至38层20mm, 39～41层钢管柱壁厚加厚至40mm, 42～43层为过渡层, 设置直径1 400mm内配型钢的钢筋混凝土柱, 尽量减小因柱刚度和承载力突变带来的不利影响, 过渡层柱大样如图7所示。

　　 (1) 对结构采用设置伸臂大梁及腰梁加强层的钢筋混凝土框架-核心筒结构体系, 并采用基于性能的抗震设计方法, 结构整体及构件在小震弹性分析、小震弹性时程分析、中震验算、大震作用下均能达到抗震性能目标C级。

　　 (2) 钢管柱伸至加强层上一层即41层, 并增加壁厚;同时42～43层设计为内配型钢的钢筋混凝土柱过渡层, 并加大截面, 该措施能有效减小因柱刚度和承载力突变带来的不利影响。

　　 (3) 加强层中与钢筋混凝土伸臂桁架 (大梁) 、腰桁架 (大梁) 相连的钢管柱外包环形截面钢筋混凝土柱, 能有效保证两者连接且便于施工。

　　 本工程于2013年8月通过了超限高层建筑抗震设防专项审查, 目前已竣工并投入使用。