成都环球贸易广场办公塔楼位于四川省成都市锦江区成都无缝钢管厂片区, 北临塔子山城市公园, 东临沙河, 南侧及西侧均临城市规划道路。建筑高度约为280m (主屋面结构高度约为269m) , 地上共57层, 标准层层高为4.33m。办公塔楼1~4层为商业裙房区域, 5层及以上为办公区域, 其中6层、17层、30层及45层为避难层, 55~56层为交易层, 57层为观景层。地下共4层, 使用功能为停车场和设备用房。办公塔楼总建筑面积为130 792m²。

　　 塔楼底部办公区平面尺寸为53.4m×53.4m, 四边呈弧线形且沿塔楼高度方向渐变收进, 立面与垂直线的夹角为0.67°, 顶部平面尺寸为46.9m×46.9m。

　　 该高塔塔楼与旁边一栋约200m的办公塔楼在底部通过商业裙房相连, 形成大底盘多塔楼结构 (图1) 。

　　 本工程设计基准期为50年, 结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅱ类, 场地特征周期为0.45s, 阻尼比为0.05。基本风压值采用100年重现期的0.35k N/m^2[1], 地面粗糙度类别为C类, 风荷载体型系数取1.4。外框架抗震等级为一级, 筒体抗震等级为特一级。

　　 结合建筑功能需要, 考虑框架-核心筒结构能发挥框架和核心筒两种结构体系的优点, 办公塔楼采用框架-核心筒结构这种现代高层建筑常用的结构形式。

　　 由于办公塔楼高度较大, 在选取结构体系时需考虑风荷载的影响^[2,3]。办公塔楼平面边角采用弧形流线, 立面采用向内渐变的体型, 能有效减小空气阻力、风荷载及加速度, 同时可以减少对材料的需求, 由此不但可以减少费用, 而且为环境带来益处, 也能缩短施工周期。

　　 在方案设计阶段, 针对结构体系和结构布置进行了大量的方案对比, 主要如下:

　　 经过对比, 在经济性方面, 混凝土结构楼面的材料造价约为钢结构楼面的70%, 明显优于钢结构楼面;在结构抗侧刚度方面, 混凝土结构楼面亦优于钢结构楼面, 如表1所示。

　　 设置加强层可在一定程度上减小剪力墙、筒体和柱的截面尺寸, 但考虑到本塔楼在采用混凝土结构体系的前提下, 竖向构件的截面由轴压比控制, 且设置加强层会对建筑功能有所影响, 因此不设置加强层。

　　 经过计算分析, 斜柱体系的抗侧效率要远优于直柱体系, 且直柱体系在底部的悬挑较大, 不利于建筑功能的实现^[4]。

　　 经过对16, 12, 9m的柱距进行对比, 同时考虑业主及建筑师对于整体效果的需求, 如表2所示, 最终选取了综合最优的12m柱距。

　　 经过对型钢混凝土柱与混凝土柱在地下3层~地上12层范围内的截面对比, 如表3所示。同时综合考虑建筑面积利用率、首层大堂的通透性、综合经济性等需求, 采用局部楼层为型钢混凝土柱的方案。

　　 本塔楼和裙房在商业部分联系紧密, 如分缝会严重影响建筑效果及使用功能, 而且会造成大量的单跨结构以及单悬挑结构, 对抗震极其不利, 故不再考虑塔楼和裙房的分缝, 如图2所示。

　　 综合考虑业主定位、建筑效果、结构效率、结构造价及施工难度, 结构采用钢筋混凝土方案, 地下3层~地上12层范围内为型钢混凝土柱, 不设加强层, 并与裙房及低塔楼形成大底盘多塔结构。

　　 结构平面和立面规则、无大的突变。典型结构平面见图3。

　　 钢筋混凝土核心筒作为结构主要抗侧力构件, 从承台面延伸至办公楼顶层。矩形的核心筒底部平面尺寸约为25.65m×29.2m (外墙外壁尺寸) , 顶层平面尺寸为23.75m×27.3m, 核心筒高宽比为10.5, 核心筒从下到上内壁位置保持不变。

　　 外框架由矩形混凝土柱和周边混凝土梁组成。框架柱共14根, 沿周边对称布置, 柱距为12m。为配合建筑外形, 从6层开始一直到屋面框架柱为斜柱, 与建筑立面的倾斜角度一致。外框架梁截面尺寸为500×950;内部框架梁截面尺寸为700×700;次梁截面尺寸为400×700;角部最大悬挑长度为4.5m。塔楼框架柱及核心筒外墙厚度分别见表4和表5。

　　 办公塔楼结构的超限情况根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2002) ^[1] (简称高规) 及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》 (建质[2010]109号) ^[5] (简称超限要点) 判定。

　　 主屋面结构高度为269m, 远超过7度区框架-核心筒结构最大适用高度, 属于超B级高度高层建筑。7度区且设计地震分组为第三组的地区, 超过250m且不设加强层的类似超高层结构设计参考案例较少。

　　 因考虑商业裙房价值最大化, 不再设置防震缝而形成的大底盘多塔楼结构也为塔楼增加了受力的复杂和设计难度。另外, 因建筑体型形成的斜柱变直柱节点、部分楼层的中空大堂引起的局部大开洞、46层及以上核心筒右下角因电梯需求的减小变成常规的办公空间从而导致核心筒墙体的收进等问题也是设计需要关注的。

　　 在方案设计阶段, 对结构体系和材料的选择进行了大量的比选工作, 从而达到一个经济和合理的平衡。

　　 针对塔楼超高、混凝土结构重量大的特点, 结构底部框架柱内设置型钢, 其余部分框架柱严格控制轴压比, 并采用在合适的位置设置芯柱等措施, 框架柱抗震等级由一级提高至特一级, 提高框架柱的承载力及延性;严格控制核心筒的轴压比, 底部加强区的墙体轴压比不宜超过0.4, 对轴压比超限或者中大震受拉的墙肢增加型钢, 剪力墙约束边缘构件高度适当提高, 提高剪力墙的延性。

　　 为避免设置加强层, 需要提高框架-核心筒的整体刚度, 对结构布置进行了综合考虑:为提高外框架的抗侧能力, 采用较大的框架柱截面和外框梁截面;为提高内框筒的抗侧能力, 采用封闭性较好的核心筒, 平面尺寸较方正, 且墙体厚度较大;为提高内、外筒体的整体抗侧能力, 将外框柱与内框筒外侧墙体对齐, 且由刚度较大的楼面主梁连接, 化集中刚度加强为每层有限刚度加强。

　　 对于大底盘多塔楼结构, 采用单塔模型、多塔带大底盘模型、单塔带大底盘的模型, 考虑各种不利情况进行包络设计。

　　 根据办公塔楼的超限水平、结构特点以及对结构在小、中、大震下进行的计算结果, 同时综合考虑社会效益和经济性等因素, 并结合概念设计中“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”和框架柱二道防线的基本概念, 制定办公塔楼抗震性能目标为C级。结构的性能目标与结构在小、中、大震下的结构抗震性能水准如表6所示。

　　 在风荷载和小震作用下的弹性分析使用SATWE软件和MIDAS软件进行计算分析。单塔计算结果简述如下:

　　 (1) 裙房以上结构在规定水平力作用下的最大结构扭转位移比均小于1.2, 满足位移比要求。结构扭转为主的第一扭转周期T_t与平动为主的第一自振周期T₁之比为0.63, 小于0.85, 满足高规4.3.5条中对周期比的要求。结构前3阶周期见表7, 可见两方向刚度接近, 且抗侧和抗扭刚度大, 结构刚度无突变。

　　 (2) 在小震和100年风荷载作用下的最大层间位移角均小于高规中的限值1/500, 见表8。

　　 (3) 塔楼X向及Y向剪重比满足高规要求。塔楼X, Y向刚重比分别为2.54, 2.56, 均大于1.4, 但小于2.7, 计算时应该考虑重力二阶效应。

　　 (4) 塔楼楼层侧向刚度比满足高规4.4.2条要求。

　　 (5) 在采取井字复合箍及芯柱等措施并考虑短柱影响后, 塔楼柱轴压比均可以控制在限值以内。

　　 (6) 外框柱承担剪力和弯矩的比例约23%, 在避难层附近略有增大。

　　 选取五组天然波和二组人工合成的加速度时程波来进行弹性时程分析, 每组时程波包括3个方向的分量。时程计算中, 考虑三向地震波的影响, 加速度的有效峰值为35cm/s², 三向输入为水平X向∶水平Y向∶竖向Z向=1.00∶0.85∶0.65。计算结果取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。

　　 由时程波平均值和反应谱层剪力的比较可以看到, 在高区 (约41层及以上) 时程波平均值比反应谱大, 体现了地震作用高阶振型的影响, 见图4。故构件设计中, 小震作用下将这些楼层的地震剪力进行相应放大, 以确保构件安全。

　　 斜柱在重力作用下会产生附加弯矩, 但由于倾斜角度非常小, 因此影响非常轻微。在水平力作用时 (如风荷载及地震作用) , 向内倾斜的塔楼柱对结构的稳定性更有利。

　　 办公塔楼外框柱在6层以下为直柱, 在6层及以上为斜柱, 斜柱与垂直线以0.67°夹角向核心筒均匀收进, 直到顶层。以标准层高4.33m计算, 每层柱向核心筒方向收进50mm。因斜柱变直柱, 会对6层的水平构件产生拉力, 现对6层的框架梁和楼板进行受拉分析。

　　 6层环梁和中梁在多遇地震、设防地震、罕遇地震和风荷载作用下最不利荷载工况按拉弯构件进行设计。在多遇地震作用下典型柱的节点水平受力见图5及表9。可近似得出:Nsin0.67°=N₁+V₁+V₂, 因框架柱 (截面尺寸为1 800×2 200) 的剪切刚度大且斜柱变直柱的竖向角度非常小, 在多遇地震作用下, 由斜柱轴力N产生的水平拉力约90%由柱剪力平衡, 只有10%左右的水平力传到6层的楼面梁板上, 因此楼面梁产生的拉力不大, 楼板分担的拉力更小。

　　 多遇地震作用下, 有无楼板对楼面梁的影响见表10。从有楼板的模型计算结果中可知, 楼板的拉应力非常小, 最大为1.3MPa<1.57MPa (C35混凝土抗拉强度) 。考虑到斜柱层的受力情况, 对6层楼板加厚至150 mm, 并加强楼板配筋, 在斜柱周边加大楼板配筋率, 增大安全系数, 防止楼板局部开裂, 或采用楼板后浇的方式。由表10可知, 有楼板时楼面梁的拉力为无楼板时楼面梁拉力的80%, 设计楼面时按无楼板情况进行设计, 这样偏安全。

　　 为满足建筑需要, 塔楼3层楼面处楼板局部开大洞, 造成部分柱穿层、长短柱共用的情况, 对抗震不利, 3层楼面布置示意图见图6。

　　 为保证此薄弱部位的可靠性, 对穿层处的短柱和楼板进行了大震不屈服工况下的验算。具体思路为:第一, 用经过0.2Q₀调整的楼层框架柱剪力来验算楼板剪压比和配筋;第二, 本层的短柱承担经过0.2Q₀调整的楼层框架柱剪力, 验证短柱在“大震不屈服”下的承载力。验算结果均满足设计要求。

　　 楼盖结构宜具有适宜的刚度、质量及阻尼, 其竖向振动舒适度应符合下列规定:1) 楼盖结构竖向频率不宜小于3Hz;2) 振动峰值加速度不应超过限值0.05m/s²。

　　 采用GSA软件对办公塔楼楼板舒适度进行分析。计算时采用全节点激励进行包络计算, 计算结果取各节点的加速度最大值。取塔楼的其中一个标准层进行楼板振动验算, 塔楼核心筒内板厚为150mm, 核心筒外板厚为120mm, 办公楼阻尼比取3%。动力时程分析结果显示, 楼板竖向振动的最小自振频率为7.042Hz, 在步行荷载作用下的峰值响应加速度为0.045m/s², 小于高规的限值0.05m/s², 见图7。

　　 采用LS-DYNA软件对结构进行罕遇地震下非线性动力时程分析, 依据美国联邦紧急事务管理署 (FEMA) 第356号文件^[6]中提供的结构构件弹塑性变形可接受限值及所建议的结构非线性地震分析方法与步骤, 评估结果是否满足预定的性能目标。

　　 选取七组地震波进行大震弹塑性分析, 两组人工波和五组天然波, 考虑三向地震输入, 七组波分析结果取平均值评估结构大震弹塑性性能。

　　 以第五组天然波 (主方向Y向) 为例, 大震作用下连梁塑性铰、核心筒最大压应变、核心筒钢筋应变、核心筒裂缝分布、外框架柱塑性铰、楼面框架梁塑性铰、楼板混凝土最大压应变以及楼板钢筋最大拉应变分布图分别见图8~15。经分析得出以下结论:

　　 (1) 大部分连梁都较早进入了塑性, 约在15s之后, 仍有少量连梁陆续进入塑性, 且连梁都处于IO^[6] (可运行) 状态。

　　 (2) 剪力墙在大震作用下混凝土压应变都小于混凝土极限压应变0.003 3。

　　 (3) 剪力墙中钢筋的水平应变和竖向应变都远小于钢筋的极限拉应变, 所以没有出现钢筋拉断的脆性破坏。另外, 从剪力墙裂缝分布图中可以看出:剪力墙损伤较轻微, 损伤的部位主要集中在底部和高区;钢筋拉应变较大的区域也在底部和高区。

　　 (4) 从塑性发展的过程看, 在连梁进入塑性之前, 剪力墙混凝土的损伤及压应变都较小, 当连梁大部分进入塑性之后, 剪力墙中混凝土的损伤情况加剧, 压应变显著增大。可见连梁先于剪力墙大部分进入塑性, 这与抗震概念设计相一致。

　　 根据建筑特点和抗震设计概念, 对结构整体布置进行研究, 并针对斜柱受力、楼板局部缺失及楼板舒适度问题进行了专项分析论证。可得以下结论:

　　 (1) 风荷载及小震下的弹性计算结果表明, 各结构指标基本满足规范要求, 结构性能良好。

　　 (2) 非线性动力时程分析结果表明, 结构层间位移角满足规范要求, 大震下具备足够的延性, 结构能够满足性能化设计目标, 结构整体是安全可靠的。