日立电梯(中国)有限公司大石厂区新建试验塔位于广州市番禺区大石街石北工业区，主要功能为电梯试验与研发，用于中速、高速、超高速以及大型载重电梯开发试验。项目总建筑面积约1.77万m²，地下3层，地上40层，标准层主要层高7.5m，局部3.75m。建筑高度为273.8m，平面尺寸约为22.6m×22m的十字形，建筑高宽比为12.4。外墙整体采用清水混凝土，立面为竖向凹槽式样的波浪形，其建筑效果图如图1所示。

　　 结构设计使用年限为50年，结构安全等级二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，抗震设防类别为丙类。结构基本风压为0.60kPa，位移计算按照基本风压0.60kPa采用，承载力计算按照基本风压的1.1倍采用，地面粗糙度类别为B类。结构高度超过200m，按照规范^[1]要求进行风洞试验。风洞试验由两家单位独立完成。

　　 由于建筑使用功能的特殊性，结构每层楼板多数开洞，建筑平面布置见图2。为尽量减小对功能的影响，竖向构件尽可能分布在结构外围，结构拟采用钢筋混凝土筒体结构。对结构进行初步概念判断和试算分析，结构主要受风荷载控制。按照常规设计，竖向构件应均匀分布并从下至上快速收进以减轻结构重量，但计算结果表明外围墙肢在风荷载作用下整截面拉力超过竖向荷载产生的压力而出现拉应力，对混凝土构件较为不利，用钢量会大幅度提高而增加造价，因此应合理调整竖向构件布置使结构受力更加合理、造价更加经济。该结构高宽比较大，楼层高度较大，楼层数较少，楼面荷载较小，结构重量较轻，应使有限的重量尽可能分布在外围墙肢，保证外围墙肢在重力荷载下有足够的压力，从而避免风荷载组合下墙肢出现拉力，同时，由于结构层高较大，层间墙肢长度较大，外围墙肢须承受层间风荷载并通过楼层结构传至整体结构，墙肢需要有足够的厚度保证传力及稳定性。通过对比分析，将剪力墙均匀布置于结构外围，保持墙厚由底部到顶部均为800mm，可有效避免风荷载组合下墙肢受拉。

　　 原始方案建筑高度262m，平面为21.3m×21.3m的十字形，通过试算结构横风向下的响应明显大于顺风向并且横向下的层间位移角及顶点加速度不满足规范要求。如何采取有效措施减小结构在风荷载下的响应是本结构设计的一大难点。通过查阅相关资料发现，在建筑立面开设洞口可有效减小基底风荷载，并且上部开洞比下部开洞对减小顺风向平均基底弯矩和横风向基底弯矩根方差更为有利^[2,3,4]。为此，设想本结构是否也可通过立面洞口的合理设置减低风荷载效应。经与建筑师沟通，可在中部或者上部楼层开设洞口(简称风穴口)，风穴口的大小为3.6m×5.5m，并通过风洞试验进行验证。

　　 本次风洞试验由RWDI完成。按照设计要求，RWDI进行了四个方案的风洞对比(图3)。方案A:无风穴口;方案B:风穴口设置在33～35层;方案C:风穴口设置在21～23层和33～35层;方案D:风穴口设置在33～34层。各方案风洞试验结果见表1。风洞试验参考坐标系如图4所示。

　　 通过表1风洞试验对比结果可知:风荷载响应:方案A>方案D>方案B>方案C，表明开设风穴口，可减小风荷载响应;方案B相对于方案A风荷载响应减小约13%，方案C减小约16%，方案D减小约7%，风穴口数量越多，风荷载响应减小越大，但方案C相对于方案B效率明显降低。综合考虑风荷载响应以及风穴口对结构刚度的削弱，选择方案B。

　　 风洞试验验证了增设风穴口，可有效减小风荷载响应，并且风洞试验结果同设计判断一致，结构为横风向控制(图5)，横风作用下的加速度响应(表2)较大，不满足规范对于办公楼的限值要求。

　　 横风向响应受建筑体型、平面尺寸影响较大^[5]，是否可通过调整建筑布置减低结构横风向下结构的响应。参考第一次风洞试验结果并与业主、建筑师多次沟通，对原方案进行了调整:平面尺寸由原来的21.3m×21.3m修改为22.6m×22m(图6)，外立面设置波浪形竖向凹口，并且由于建筑立面需求，风穴口调整为31～33层设置。修改后的标准层、风穴层结构布置图以及模型示意图如图7和8所示。按照修改后的方案进行了第二次风洞试验，本次试验由华南理工大学(SCUT)完成。调整建筑外形和改变建筑立面粗糙度等措施前后的风荷载响应减小约5%。

　　 第二次风洞试验再次验证了设置风穴以后，风荷载响应可有效减小，风荷载下内力可降低6.2%～8.5%，重现1～10年的加速度响应可降低8%～28%^[6]，具体见表3。

　　 综合结构概念设计和两次风洞试验结果发现:通过设置风穴口、调整建筑外形以及改变建筑外表面的粗糙度，可有效地降低结构在风荷载下的结构响应。

　　 为了保证竖向和水平荷载的可靠传递，结构在筒体内部局部楼层增设层间剪力墙。增设的剪力墙可分为两类:1)非风穴层增设的层间剪力墙，不落地，4～5层为一个区段，底部支撑在截面300×2 000的大梁上，其主要是为了承受竖向荷载，不影响水平荷载作用下的结构传力方式，根据转换结构的定义，该部分不属于转换结构;2)风穴层增设的层间剪力墙，主要是为了弥补结构由于层高增大而减小的侧向刚度，以避免出现侧向刚度竖向不规则，该部分增设的剪力墙会分担部分水平荷载，使风荷载从34层开始部分传递给小墙肢，相应外墙肢分担的剪力减小，在30层又通过楼板将剪力传回给外墙肢，一定程度上改变了荷载的传力路径，形成局部的抗侧力构件转换，为了保证剪力传递的可靠性，通过楼板应力分析将风穴层相连的上下楼层的板厚加厚至180mm。

　　 本工程塔楼混凝土筒体采用钻(冲)孔灌注桩基础，基础顶面标高为-15.50m，基础持力层为微风化粉砂质泥岩，要求持力层岩石天然湿度单轴抗压强度标准值不小于12.0MPa。钻(冲)孔灌注桩ZH1，桩径2 500mm，单桩竖向抗压承载力特征值为66 000kN;钻(冲)孔灌注桩ZH2，桩径1 200mm，单桩竖向抗压承载力特征值为6 000kN。桩基础平面图如图9所示。

　　 地下室底板厚800mm，局部厚度为1 200mm。塔楼部分的地下室，由上部结构重量抵抗水浮力;地下室疏散楼梯由于面积较小，采用底板出挑并通过挑板上土体压重来抵抗水浮力。施工阶段采用保持降水至底板以下的措施抵抗水浮力。

　　 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)，本工程超限情况如表4所示。

　　 为实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”抗震设计目标，提高结构的抗震安全度，本工程对抗侧力结构进行性能化设计，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)性能目标设定为C级，各水准地震作用下的性能水准及结构构件的性能目标如表5所示。

　　 本工程设计风荷载取风洞试验结果与规范算法的包络。风洞试验数据及规范算法的50年一遇风荷载作用下，结构基底反力如表6所示。规范算法通过调整风荷载体型系数，使其与风洞试验结果基底反力基本一致，风洞试验结果通过在软件中输入多风向风洞数据进行计算，设计结果取两者包络。

　　 我国现行规范对于钢筋混凝土结构承载力计算时阻尼比一般取为5%，而多栋超高层的实测阻尼比均小于5%^{[7,8,9,10,11,12]}。参考其他项目以及日本同类型结构的实测数据^[13]，本结构阻尼比在采用规范算法强度和刚度计算时取为2%，舒适度计算时取为1%。

　　 采用YJK和ETABS两种不同分析软件对结构进行小震和风荷载作用下的内力和位移计算。两种软件的主要分析结果详见表7。结果表明:两个软件的主要计算结果，结构周期、刚重比、结构总重量、风荷载和地震作用下的位移、基底剪力及基底弯矩等信息均比较接近，验证了分析的可靠性。

　　 本工程计算得到刚重比:X方向:EJ/∑GH²=2.868>2.7;Y方向:EJ/∑GH²=2.746>2.7;分析结果显示，结构整体稳定具有足够安全度，并且可不考虑重力二阶效应的不利影响。考虑到本结构的特殊性，大部分楼层开大洞，楼板不连续，剪力墙存在多层连通的情况，为了进一步验证结构的安全性，对该结构采用SAP2000进行屈曲稳定性分析。本结构屈曲分析采用以下四种组合:1)1.2D+1.4L;2)1.0D+1.0L;3)1.0D+1.0L+1.0W_X;4)1.0D+1.0L+1.0W_Y，分析得到的屈曲因子如表8所示。

　　 综上所述:1.2D+1.4L组合下，屈曲因子λ最小值为15.88>10，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(GBJ 15-92—2013)第5.4.5条的规定，结构的整体稳定性能够得到保证，并且风穴层由于增设层间剪力墙，刚度得到加强，前两个模态中未出现局部屈曲，第三模态开始虽有局部屈曲现象，但屈曲因子最小为31.66，远大于整体稳定对应的屈曲因子，表明在重力荷载下不会出现墙肢局部失稳。水平荷载组合下，结构的屈曲因子相对于重力荷载组合(1.0D+1.0L)并没有明显降低，且屈曲因子λ最小值为19.23>10，说明该结构的稳定性主要受竖向荷载控制，受水平荷载的影响较小。

　　 为验证结构在风荷载以及地震作用下底部墙肢是否会出现拉力，提取底部典型墙肢的各工况内力，见表9。经复核，在小震和风荷载组合下，底部墙肢未出现拉力。各墙肢编号详见图7(b)。

　　 对上述墙肢进行了中震等效弹性补充分析，中震组合下，底部墙肢仍未出现拉力。

　　 采用美国CSI公司开发的三维整体结构弹塑性分析与抗震性能评估软件PERFORM-3D程序进行结构在罕遇地震下的抗震性能评估。选取2组天然波和1组人工波按主方向∶次方向=1∶0.85双向输入，地震波峰值加速度取220gal。

　　 大震弹塑性与大震弹性对应的基底剪力时程及顶点位移时程如图10、图11所示。

　　 罕遇地震作用下结构基底剪力与小震作用下结构基底剪力对比见表10。由表10可知:罕遇地震作用下的结构基底剪力大概是小震的4.59～5.76倍，结构部分进入弹塑性。

　　 大震作用下剪力墙单元受拉损伤主要集中结构底部加强区，但钢筋均未达到其屈服应变;剪力墙单元受压损伤主要集中在结构底部加强区，混凝土最大压应变可达0.001 2;剪力墙单元受剪损伤分布较均匀，天然波1和人工波1作用下剪应力均未超过f_tk;天然波2作用下底部加强区的个别墙肢剪应力超过f_tk，但未达到0.15f_ck;结构在罕遇地震作用下能够达到预期的性能目标。

　　 本工程为钢筋混凝土筒体结构，剪力墙均匀布置于结构外围，结构的平面及竖向尺寸均较规则，但由于本结构使用功能的特殊性，结构每层楼板均开大洞，楼板的整体性受到影响，并且结构高度超过7度区钢筋混凝土筒体结构的限值。因此，本结构除按照规范要求进行设计外，还应针对超限项目采取以下加强措施:

　　 (1)加强结构底部加强区

　　 适当提高结构底部加强区的配筋率，提高底部加强区水平和竖向分布钢筋的配筋率为0.6%，提高筒体的抗弯承载力并控制底部剪力墙在罕遇地震作用下的剪应力水平，使其满足“抗剪不屈服”的性能目标，确保结构在罕遇地震下的安全性。

　　 (2)提高大开洞楼板的配筋率

　　 在实际的结构中，楼板是保证结构各构件协同受力的关键因素。该结构由于使用功能的特殊性，结构每层楼板均开大洞，楼板的整体性受到影响。为了保证传力的可靠性，适当提高开洞楼板的配筋率，并且对于周边无楼板相接的梁，可适当提高其配筋率，加大通长钢筋的比例，提高结构安全度。

　　 (3)加强风穴层相连的上下层楼板

　　 风穴层增设的层间剪力墙，主要是为了弥补结构由于层高增大而减小的侧向刚度，以避免出现侧向刚度竖向不规则，该部分增设的剪力墙会分担部分水平荷载，一定程度上改变了荷载的传力路径，形成局部的抗侧力构件转换，为了保证剪力传递的可靠性，将风穴层相连的上下楼层的板厚加至180mm。

　　 (4)考虑合理的施工顺序

　　 30层个别小墙肢在大震作用下剪应力较大，经分析，该墙肢在竖向荷载作用下的剪切应力已达到0.625f_tk，实际由水平荷载引起的剪切变形所占比例较小，为了改善这些小墙肢的受力状况，在施工阶段，可采取相应的施工措施，将这些墙肢后浇，以达到释放竖向荷载下剪力的目的。

　　 本工程为钢筋混凝土筒体结构，方案阶段合理利用概念设计，将结构剪力墙均匀布置在结构外围并保持墙厚上下不变，从而避免风荷载作用下墙肢出现拉力;在建筑中上部开设风穴层，有效减小风荷载作用下的结构响应;通过改变建筑平面外形，使结构由原来的横风控制转变为顺风控制并且使顶点加速度能够满足规范要求，并经过风洞试验验证。采用了YJK,ETABS等多个软件对其进行了竖向荷载、风荷载、地震作用下的弹性计算，同时采用SAP2000进行了屈曲分析，并采用了PERFORM-3D弹塑性分析程序对其进行了罕遇地震作用下的弹塑性动力分析。根据上述分析结果，针对超限项目采取了一些加强措施。分析结果表明:该结构抗震性能良好，能够满足设定的抗震性能目标。