怡亨当代艺术会馆项目位于广东省惠州市惠东县巽寮湾M-10-05地块, 巽寮湾海滨旅游度假区南段西侧, 总建筑面积7.26万m²。项目地上由两栋塔楼组成, 其中A栋塔楼 (简称A塔) 地上26层, 建筑高度99.8m;H栋塔楼 (简称H塔) 地上22层, 建筑高度85.55m。在7～9层、15～17层分别设有3层高连体结构, 将两栋塔楼连为一体, 主要功能为高级住宅和精品住宅, 同时也设有少量的商业。地下2层主要功能为车库及设备用房。建筑效果图及剖面图见图1, 2。

　　 结构抗震设防类别为标准设防类, 设计使用年限为50年, 建筑结构安全等级为二级, 地基基础设计等级为甲类。抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类。50年一遇基本风压为0.80kN/m², 由于本工程体型比较特殊, 为确保结构安全, 本工程进行了风洞模型试验, 以获得更为准确的风荷载, 计算取规范荷载值与风洞试验结果进行包络设计。

　　 本工程采用钢管混凝土框架-支撑结构体系, 框架柱为钢管混凝土柱, 框架梁为H型钢梁。利用楼梯、电梯、隔墙位置设置支撑, 加强了结构的侧向刚度。楼面次梁两端与主梁铰接, 楼板采用钢筋桁架楼承板。本工程地上由两栋塔楼和两个连廊组成, 塔楼平面狭长, A塔柱网平面尺寸 (不含悬挑部分) 为63m×9m, H塔柱网平面尺寸 (不含悬挑部分) 为50m×9m, 典型无连廊标准层平面布置图见图3。

　　 两栋塔楼均为单跨结构, A塔高宽比约为11.1, H栋塔楼高宽比为9.5, 均远超《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) ^[1]建议值, 抗侧刚度不足是塔楼设计的难点之一。为此, 在楼、电梯核心筒周边设置支撑, 以增强结构整体抗侧刚度。核心筒分布在塔楼两侧, 基本保证了塔楼刚度的均匀性。为满足建筑专业的要求, 同时也为了提高核心筒的刚度, 核心筒周边框架柱均采用了矩形钢管混凝土柱, 截面 (长×宽×壁厚) 由底部的□1 400×800×80向上渐变至□600×600×20, 斜撑截面由底部的□600×500×36×36向上渐变至H500×300×25×25。核心筒之外的落地框架柱均采用圆钢管混凝土柱, 截面由底部的ϕ1 200×40向上渐变至ϕ600×20, 直接支撑连廊的4根框架柱截面由底部的ϕ1 400×50向上渐变至ϕ1 000×20。所有落地钢管柱内均灌注混凝土, 混凝土强度等级均为C60。框架梁均采用H型钢梁。为增强侧向刚度, 适当加大梁高, 截面采用H750×300×14×26。横向钢梁则根据建筑要求控制梁高, 截面主要为H600×350×14×26。楼面次梁也均为H型钢梁, 主要截面为H500×300×10×26。由于塔楼均为单跨结构, 结构平面为扁长形, 需要特别关注水平力在楼面中的传递。为此, 塔楼楼板均采用双层双向配筋, 配筋率不小于0.25%, 以保证楼板的整体性和水平力传递的可靠性。

　　 塔楼两个核心筒之外的框架柱在部分楼层为跃层柱, 如1～3层, 7～9层, 15～17层等。设计时对其进行屈曲验算, 确保大震下不发生屈曲。同时, 在底部的跃层柱设计过程中, 将跃层柱的内力值按照同等条件的非跃层柱的内力值放大, 确保跃层柱的安全。

　　 塔楼端部有悬挑结构, 悬挑长度约为5～11m。由于房间均为公寓房间, 无法加设斜撑等构件, 悬挑部位均采用空腹桁架结构体系。典型端部悬挑结构示意如图4所示。在房间分隔墙位置设置3层贯通柱, 使整个悬挑区域形成空腹桁架。根据建筑专业要求, 上层的梁高控制在600mm以内, 最下层梁根部受力最大, 梁高从1 200mm渐变至600mm。空腹桁架的竖腹杆采用矩形钢管柱, 截面由底部的□500×800×40向上渐变至□500×500×20。

　　 上连廊位于15～17层, 平面布置图见图5 (a) 。上连廊主要受力体系由两道连接于塔楼之间的空腹桁架TR1, TR2组成。TR1, TR2分别支承于两侧塔楼的4根大柱子上, 跨度分别为38.33m和28.395m。外侧空腹桁架TR1穿过支撑框架柱后继续向两侧延伸, 通过拉杆BR支承于塔楼核心筒框架柱上。连廊的竖向和水平荷载通过楼面梁传递到两道桁架上, 再传递至框架柱及核心筒上。

　　 上连廊桁架TR1, TR2的下弦杆截面主要为□1 200×600×40×100, 竖腹杆截面主要为□600×800×40×30, 中部各层弦杆截面主要为H750×500×30×80, 上弦杆截面主要为H1 000×500×30×80, 拉杆BR主要截面为H700×400×40×40。上连廊桁架TR1, TR2立面见图6, 4-14轴拉杆BR立面见图7。

　　 下连廊位于7～9层, 平面布置图见图5 (b) 。下连廊与上连廊相比, 体型基本一致, 但向外旋转了9°左右, 造成外侧的空腹桁架TR1无法直接搭接在塔的框架柱上。为此, 增设了两道斜拉杆, 将TR1拉结在框架柱和核心筒上。由于连廊向外旋转, 造成连体右侧区域为悬挑结构。此区域采用了与端部悬挑区域相同的空腹桁架结构形式。连体左侧为3层上空区域, 为保证建筑效果, 仅在最端部设置了拉杆。

　　 下连廊桁架TR1, TR2的下弦杆截面主要为□1 200×800×40×100, 竖腹杆截面主要为□800×1 000×40×80, 上部各层弦杆截面主要为H750×500×30×60, 拉杆BR主要截面为H700×400×40×40。下连廊桁架TR1, TR2立面见图8, 3-1轴拉杆BR立面见图9。

　　 为了保证连体结构的整体性, 将上、下连廊的顶板、底板厚度均增加至150mm, 双层双向配筋, 配筋率为0.3%。同时设置了楼板水平支撑, 确保连体结构水平力的传递。

　　 本工程地下室采用框架-剪力墙结构, 在对应的上层钢支撑部位设置剪力墙, 以保证水平剪力的直接传递和抗侧刚度上下连续。主楼基础采用钻孔灌注桩;裙房基础采用高强预应力混凝土管桩, 同时兼做抗拔桩, 解决地下室区域的抗浮问题。

　　 本工程由于建筑造型要求, 连体两端塔楼高度不同, 连体跨度38m, 属于特殊类型高层建筑。平面呈八字形, 属于不规则平面。连体结构采用空腹桁架形式, 主楼两侧部分楼层外挑4～13m, 采用空腹桁架悬挑, 属于大悬挑结构或竖向构件不连续。结构在考虑偶然偏心情况下, 扭转位移比最大值为1.36, 大于1.2, 属于扭转不规则。同时部分楼层还存在局部的跃层柱及楼板不连续情况。

　　 综上, 本项目为连体复杂结构, 同时, 也存在着扭转位移比偏大、平面形状不规则、楼面开大洞、悬挑构件长度过大、竖向构件不连续、相邻层承载力变化过大等多项不规则情况, 属于特殊类型的超限高层建筑。

　　 针对本工程的超限情况, 提出以下措施:1) 采用钢管混凝土框架-支撑结构体系, 确保结构具有足够的延性和承载能力;确保框架作为二道防线的作用。2) 采用SATWE, YJK和MIDAS/Gen三种软件对结构进行分析、对比, 同时按照整体模型和分塔独立模型分别进行分析、对比, 在承载力设计时进行包络设计。3) 将1～3层的框架柱、支撑的抗震等级提高为一级, 按照中震弹性设计, 并控制大震下的塑性发展程度。4) 连廊空腹桁架及与连廊相连的塔楼竖向构件在连廊高度范围内及上、下各一层, 抗震等级提高为一级, 按照中震弹性、大震不屈服设计;连廊结构拉杆按照大震弹性设计。5) 端部悬挑空腹桁架及与其相连的塔楼竖向构件按照中震弹性、大震不屈服设计。6) 对端部悬挑区域, 楼板双层双向配筋并适当加大配筋率。在进行承载力分析时, 忽略楼板对钢梁的有利作用, 即将楼板厚度取为0, 将楼板重量作为荷载施加, 并与弹性楼板模型包络设计。7) 对连体结构的底层地面及顶层顶板板厚加大至150mm, 双层双向配筋并适当加大配筋率, 并设置楼板水平支撑, 确保水平力的传递。8) 对跃层柱进行屈曲验算分析, 确保结构安全。

　　 分别采用SATWE和YJK软件对结构进行了整体弹性分析, 并采用MIDAS/Gen软件进行补充计算分析。结构自振周期及主要计算结果见表1, 2。结构的周期、位移角指标均满足《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[2] (简称抗规) 的要求。

　　 进行小震弹性时程分析时, 根据设防烈度、场地类别等选取5条天然波和2条人工波。峰值加速度调整为35gal, 地震波的持续时间为30s, 时间间隔为0.02s。各塔X, Y向基底剪力V_x, V_y计算结果见表3。7条地震波作用下结构基底剪力均大于反应谱法基底剪力的65%, 平均基底剪力大于反应谱法基底剪力的80%, 表明地震波选取满足抗规要求。弹性时程计算结果与反应谱法计算结果基本一致。

　　 根据广东省地方标准《建筑结构荷载规范》 (DBJ 15-101-2014) ^[3], 巽寮湾基本风压w₀取为0.80kN/m² (50年一遇) 。本工程进行了风洞模型试验, 在统计风洞试验结果时将A塔和H塔分别统计, 设计时也将按两栋塔楼的风荷载分别输入。风洞试验提供的等效静力风荷载最不利组合见表4。

　　 根据风洞试验提供的等效静力风荷载最不利组合, 计算风荷载工况下的基底剪力、基底弯矩及最大层间位移角见表5。计算取各工况包络进行构件设计。

　　 风洞试验结果提供了10年重现期两塔顶部最大加速度 (阻尼比1%) , 结果见表6, 满足《高层民用建筑钢结构技术规程》 (JGJ 99—2015) ^[1]要求。

　　 采用ABAQUS软件对结构整体进行了动力弹塑性分析。弹塑性时程分析采用2条天然波和1条人工波, 峰值加速度调整为220gal。弹塑性时程分析中, 分别沿X向、Y向作为主输入方向输入上述地震动, 主次方向地震动峰值按1∶0.85设置, 竖向地震动峰值按0.65设置, 阻尼比取3.5%。根据弹塑性时程的计算结果, 对结构在罕遇地震作用下的抗震性能主要评价如下:

　　 (1) 3组罕遇地震波、三向作用下的弹塑性时程分析表明, 两塔变形曲线均呈弯剪型, 其中A塔最大弹塑性层间位移角:X向为1/97, Y向为1/87;H塔最大弹塑性层间位移角:X向为1/84, Y向为1/84, 均满足规范1/50的限值要求。两塔最大层间位移角曲线见图10。整个计算过程中, 结构始终保持直立, 能够满足规范的大震不倒要求。

　　 (2) 部分钢支撑屈服, 但并未大面积屈服;位于底层和顶层的局部钢管混凝土柱屈服, 未出现大面积屈服;钢管混凝土柱还具有较高的剩余承载力, 满足大震不倒的抗震设防要求。

　　 (3) 局部钢梁屈服, 但未大面积屈服, 连体部位的钢梁局部进入塑性, 塑性发展并不充分, 不会出现垮塌。

　　 (4) 连廊空腹桁架及与连廊相连的塔楼竖向构件、连廊结构拉杆、两塔楼端部悬挑空腹桁架及与其相连的塔楼竖向构件, 均能达到抗震性能目标。

　　 (5) 楼板损伤较为严重的位置位于A塔顶层开洞较大部位, 因为该部位的板为悬挑板, 连体部位楼板累计受压损伤最严重的位置位于17层;局部楼板钢筋拉应力为461MPa左右, 绝大部分楼板钢筋拉应力小于200MPa, 未达到屈服应力, 楼板不会出现局部垮塌的危险。

　　 两连廊空腹桁架下弦与钢管混凝土柱相连处相交杆件较多, 受力复杂, 属于抗震薄弱部位。现选取7层钢管混凝土柱节点, 采用ABAQUS软件进行有限元抗震分析, 考虑了几何非线性和材料非线性, 节点构造及柱中肋板计算模型见图11。

　　 混凝土柱采用实体单元模拟, 钢管柱、型钢采用四边形S4或三角形缩减积分壳单元S3R模拟。柱下端铰接, 上端约束水平向变形, 梁不约束, 施加大震下的轴力、剪力和弯矩。加载共分两步:第一步为重力荷载;第二步为结构荷载。其在大震不屈服工况下的应力分布见图12。

　　 在大震不屈服工况下, 钢结构部分X向竖向位移为-3.29mm, Y向为-3.57mm;X向最大von Mises应力为420.2MPa, Y向为420.8MPa, 节点钢结构部分除个别应力集中点之外均未进入塑性状态, 该节点可以满足大震不屈服的性能目标要求。

　　 怡亨当代艺术会馆项目为复杂连体结构, 属于超限高层建筑。结构设计时, 通过对上、下两连廊区域及两塔楼两侧局部悬挑区域进行合理的结构布置、确定性能目标, 针对超限情况采用相应的计算分析方法及措施, 并进行局部关键构件、节点的补充验算, 从而保证结构具有足够的抗震性能。通过分析可以看出, 结构的体系及主要构件能够达到既定的设防目标, 满足结构安全性的要求, 具有良好的设防烈度抗震能力, 且在罕遇地震下的变形满足规范要求, 抗震薄弱部位均能够满足性能目标。通过风洞试验, 获得更为准确的风荷载, 计算取包络进行构件设计, 以确保结构安全。