该工程为1幢超高层办公楼, 位于广州市琶洲新港东路148号地段。建筑用地面积为12 636m², 总建筑面积为122 997m², 其中地上部分面积为99 418m², 地下部分面积为23 579m²。设3层地下室, 底板面标高为-14.4m;地面以上54层, 标准层层高为4.1m, 从室外地面起算的建筑总高度为230.5m, 属超B级高度的钢筋混凝土框架-核心筒结构, 结构平面尺寸为59.3m×33.9m, 核心筒平面尺寸为36.6m×16.7m。建筑立面在42层以上作缩进一跨的收进处理, X向结构高宽比为4.15, Y向为7.48, 超过《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3—2010) ^[1] (简称高规) 中7.0的建议值;X向核心筒高宽比为6.3, Y向为23, 远超高规中15以内的建议值。地下室为车库和设备用房, 其中地下3层为核六常六级人防, 地上1层为大堂, 2, 3层为餐厅, 4~12层东面为公寓, 西面为办公, 由于层高不一致, 形成局部错层;13, 22~23, 39层分别为第一、二、三避难层, 其他层均为办公^[2]。建筑效果图和剖面图分别见图1, 2, 典型楼层的结构平面布置图详见图3。

　　 根据现行《工程结构可靠性设计统一标准》 (GB 50153—2008) 、《建筑工程抗震设防分类标准》 (GB 50223—2008) 以及高规, 本工程进行结构分析与设计时, 采用的分类参数如下:主体结构设计基准期及设计使用年限为50年;抗震设防烈度为7度 (0.1g) ;抗震设防类别为丙类 (核定结构单元总人数小于80 000, 故设防类别为丙类) , 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类;场地特征周期为0.35s, 阻尼比为0.05;结构安全等级为二级 (γ₀=1.0) ;基础设计等级为甲级;基本风压为0.5k N/m², 结构抗风起控制作用;考虑超限加强后, 塔楼结构各部位的抗震等级如表1所示。

　　 由于结构主体采用钢筋混凝土结构, 结构高度达230m, 地上有54层, 且柱间距达到10m以上, 在重力荷载作用下框架柱的轴力较大, 如采用钢筋混凝土柱, 其首层柱典型截面尺寸达到2 000×2 000, 为尽可能增加建筑的使用面积, 结构框架柱采用钢管混凝土圆柱, 则首层柱直径为1 300mm, 可见截面尺寸大幅减小。

　　 结构Y向高宽比及核心筒Y向高宽比均较大, 导致Y向抗侧刚度偏弱, 在Y向风荷载作用下, 普通结构形式难以满足广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》 (DB J15-92—2013) 对抗侧刚度的要求, 故采取了以下加强措施:1) 在39层避难层设置加强层以提高结构Y向的侧向刚度;2) Y向边框架的梁高增大至900mm;3) 利用低区楼层电梯间在结构下部楼层布置剪力墙, 具体示意见图3。

　　 为分析加强层设置在哪个部位最有效和最经济, 以及加强层伸臂类型、框架柱、框架边梁尺寸等因素对结构整体刚度的影响程度, 以钢桁架加强层方案为例进行详细的敏感性分析。

　　 可设置加强层的位置沿高度分别为:13层 (第一避难层) 、22~23层 (第二避难层) 、39层 (第三避难层) 。分别对比以下4个方案。方案A-1:不设置加强层;方案A-2:在第三避难层设置一道加强层;方案A-3:在第二、三避难层设置两道加强层;方案A-4:在第一、二、三避难层设置三道加强层, 如图4所示。

　　 Y向风荷载作用下加强层各方案的层间位移角曲线对比如图5所示 (层间位移角限值为1/524) , 由图5可知, 在第三避难层设置加强层效果比较显著。在第二避难层设置加强层效果微小, 在第一避难层设置加强层基本无效, 由此可知, 可以只在第三避难层, 即39层设置一道加强层。

　　 分析其原因应与核心筒和外框架柱沿全高的整体变形特点有关。加强层减小结构侧向变形的原理为:由于核心筒与外框架柱的整体弯曲转动不同步 (即在整个楼层平面内的平截面假定不成立) , 当核心筒转动较大而外框架柱转动较小时, 随核心筒一起转动的伸臂桁架则在外侧两端受到框架柱的拉压力约束, 该拉压力形成的力偶相当于对核心筒施加了一个反向的弯矩, 因此可使加强层处的楼层转角相应减小, 从而实现减小结构侧向变形的效果。由上述原理可知, 核心筒整体弯曲转角大于外框架柱越多, 则加强层减小结构侧向变形的效果越明显。在水平荷载作用下, 剪力墙和筒体的整体变形为弯曲型, 转角由下至上逐渐增大, 而框架的整体变形则为剪切型, 转角由下至上逐渐减小, 框架-核心筒结构将两者组合在一起协同受力, 故知在结构的上部, 核心筒整体弯曲转角大于外框架柱较多, 因此设置加强层能发挥较大作用, 结构下部和底部核心筒转角大于外框架柱较小甚至可能小于外框架柱转角, 故发挥作用不大。

　　 分别计算对比以下5个加强层桁架平面位置方案。方案B-1:不设加强层;方案B-2:设置四榀伸臂桁架和两榀腰桁架;方案B-3:设置四榀伸臂桁架;方案B-4:设置两榀伸臂桁架;方案B-5:设置两榀伸臂桁架和两榀腰桁架, 如图6所示。

　　 Y向风荷载作用下各方案的层间位移角曲线对比如图7所示, 由图7可知, 随着桁架榀数的增加, 结构的侧向刚度逐渐提高, 但方案B-2与方案B-5相比, 方案B-2最大层间位移角为1/600, 方案B-5为1/587, 减小幅度仅为2.2%, 可见去掉中部两榀伸臂桁架后刚度变化不大, 故知其贡献较微;由方案B-4与不设加强层的方案B-1相比可知, 在核心筒外侧设置两榀伸臂桁架对结构刚度的增大效果最明显, 最大层间位移角由方案B-1的1/505减小至方案B-4的1/551, 减小幅度达8.3%;其次为设置两榀腰桁架的效果也较为明显, 方案B-5与方案B-4相比, 最大层间位移角由1/551减小到1/587, 减小幅度为6.1%。

　　 由以上结果分析可知, 中部两榀伸臂桁架之所以作用不大, 是因为它只在一侧有伸臂桁架, 与常规两侧均存在伸臂桁架的情形相比只发挥一半的伸臂桁架作用。因此, 结构可采用方案B-5, 即设置两榀伸臂桁架和两榀腰桁架来提高结构刚度。

　　 对于框架柱截面尺寸变化的影响分别计算对比以下4种方案。方案C-1:框架柱直径全部为1 300mm;方案C-2:39层以下全部柱直径加大至1 400mm;方案C-3:39层以下12根柱直径加大至1 400mm;方案C-4:39层以下4根柱直径加大至1 400mm, 如图8所示。

　　 Y向风荷载作用下框架柱直径增大各方案的层间位移角曲线对比如图9所示, 由图9可知, 随着加大直径的框架柱根数的增加, 结构的侧向刚度有所增大, 但效果不明显, 且增加框架柱的直径对结构的成本和建筑使用面积的影响较大。因此可知, 在满足侧向刚度的条件下尽量选用直径较小的框架柱, 底层柱直径均为1 300mm。

　　 经上述比较分析, 决定采用直径为1 300mm的钢管混凝土柱, 加强层设在39层。再分别计算对比以下5种加强层方案。方案D-1:分别设置两榀方钢管截面为□600×800×35的伸臂桁架和腰桁架加强层;方案D-2:设置两榀方钢管截面为□600×800×35的伸臂桁架和两根截面为500×3 700的钢筋混凝土腰梁加强层;方案D-3:设置两榀方钢管截面为□600×800×35的伸臂桁架和两根截面为300×6 900的钢筋混凝土腰梁 (满层布置) 加强层;方案D-4:设置四根截面为500×3 700的钢筋混凝土伸臂大梁和两根截面为500×3 700的钢筋混凝土腰梁加强层;方案D-5: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的钢筋混凝土腰梁 (满层布置) 加强层, 如图10所示。钢桁架及钢筋混凝土大梁示意如图11所示。

　　 钢桁架与钢筋混凝土大梁布置各方案的层间位移角曲线对比如图12所示, 由图可知, 各方案侧向刚度均能满足规范要求, 但方案D-4结果与限值较接近, 富余较小。对比计算表现出的规律为:沿楼层全高设置的钢桁架和钢筋混凝土大梁刚度优于截面高度未达楼层全高的混凝土大梁。钢筋混凝大梁具有施工成熟简便、造价经济、防火防腐蚀性能好、使用期免维护等优点, 但全高布置的腰梁对设备布置有一定限制。

　　 在条件允许的情况下, 尽量采用方案D-5的钢筋混凝土大梁。方案D-5中间的两根半层高的伸臂大梁保证了避难层空间的连通性, 两侧两根本层高的腰梁对侧向刚度贡献较大, 这样保持整栋结构基本采用普通钢筋混凝土工艺, 不需因加强层而专门另请一支钢结构施工队伍。

　　 通过上述对比分析, 并经征求甲方意见及与设备专业配合后, 决定采用加强层方案D-5:在39层设置一道加强层, Y向沿核心筒最外侧剪力墙设置两根500×3 700的钢筋混凝土伸臂大梁, 并在平面最外侧框架设置两根300×6 900整层布置的钢筋混凝土腰梁。

　　 (1) 框架-筒体结构设置加强层, 位于全高2/3以上的高位效率较高, 位于全高1/2以下位置时效率较低或无效。

　　 (2) 加强层可采用钢筋混凝土大梁, 半层高大梁的作用虽没有整层高大梁的大, 但也能发挥相当的作用, 在某些限定的条件下可考虑应用。

　　 (3) 加大框架柱截面对结构侧向刚度的贡献效率较低, 且对建筑功能和结构造价的影响较大, 不到无计可施的时候不建议采用。