中行湖北分行办公楼位于湖北省武汉市江汉区新华路251号, 东为新华路, 南为新华小路, 西为劲松巷, 北邻钰龙国际广场, 总建筑面积约为96 000m²。主楼地下3层, 地上42层, 大屋面高度204.7m, 建筑总高度239.9m;裙房为4层, 裙房高度25.6m, 裙房与塔楼之间不设防震缝;主楼标准层平面呈“长方形”, 平面最大长度为47.5m, 最大宽度为41.0m。建筑效果图见图1, 主楼剖面图见图2。

　　 主体结构设计使用年限为50年, 结构安全等级为一级;抗震设防类别为乙类, 抗震设防烈度为6度, 设计基本地震加速度为0.05g, 地震设计分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类, 属于对建筑抗震一般地段, 本场地可不考虑砂土液化问题, 场地特征周期为0.40s^[1];地面粗糙度类别为C类, 基本风压按50年一遇取0.35kN/m², 结构承载力设计时按50年一遇基本风压的1.1倍采用^[2]。

　　 结构初步设计阶段, 考虑了混凝土结构、钢管混凝土柱+钢梁结构及钢骨混凝土结构等多种方案并进行了比选。由于混凝土结构方案自重大, 基础造价高且桩基础设计困难, 楼层净高低, 所以混凝土结构首先排除在外。另因甲方对本项目工期要求紧, 考虑钢管混凝土柱+钢梁结构方案施工工期、施工难度等方面均优于钢骨混凝土结构, 因此选定钢结构为最终实施方案。

　　 结构布置方案如下:主楼采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系 (钢管混凝土柱+钢梁混合框架+钢筋混凝土核心筒) , 裙楼采用钢管混凝土柱+钢梁组成的混合框架结构。利用楼、电梯井等隔墙设钢筋混凝土核心筒, 周边采用钢管混凝土柱、H型钢梁形成框架, 与核心筒共同组成抗侧力结构体系。筒体内楼、屋盖采用现浇钢筋混凝土梁板体系, 筒体外楼板采用钢筋桁架楼承板体系。主楼与裙楼不设置结构缝, 标准层结构平面见图3。

　　 因结构X向核心筒高宽比较大, 致使结构X向刚度偏弱, 基于风荷载作用下结构刚重比 (带裙房计算) ^[3]不满足高规^[4]要求。首先考虑通过减轻结构自重的办法来满足结构刚重比的计算, 采用减小楼板厚度和核心筒墙体厚度的办法试算后, 结构刚重比仍然无法满足规范要求。因此, 为加强外框架与核心筒的连接, 提高结构的整体稳定性, 考虑结合建筑避难层设置加强层。拟采用的布置方案为在加强层沿X向设置四榀人字形伸臂桁架, 并在周边外框柱间设置人字形支撑腰桁架, 如图4所示。腰桁架使外框架柱承受的轴力趋于均匀, 既可提高外框架抗倾覆力矩的能力, 也可提高结构抗侧刚度;伸臂桁架连接外框架和内筒, 使二者协同工作, 可以有效提高结构抗侧刚度。因此本工程加强层采用伸臂桁架和腰桁架合并设置的方案。

　　 结构15, 30层为建筑避难层, 结构方案设计阶段, 比选了设置一个加强层和两个加强层的方案:1) 方案A:15, 30层均设置加强层;2) 方案B:仅30层设置加强层, 构件截面与方案A相同, 此方案结构刚重比不能满足规范限值要求;3) 方案C:仅30层设置加强层, 通过加大各层边框架梁使结构刚重比满足规范限值要求。各方案刚重比计算结果对比见表1。各方案钢梁和加强层桁架构件的用钢量对比见表2。方案B无法满足结构整体稳定性计算, 方案C可以满足规范要求, 但与方案A比较, 结构的用钢量增加, 故最终选用方案A。

　　 随着结构高度增加, 柱、剪力墙混凝土强度等级从下至上由C60变化到C40, 核心筒剪力墙外周墙体厚度从下至上由800mm变到500mm, 核心筒内部剪力墙厚度从下至上由500mm变到200mm, 圆钢管混凝土柱的直径从下至上由1 200mm变到1 000mm, 裙楼圆钢管混凝土柱截面从下至上由700mm变到600mm。外框架周边H型钢梁典型截面高度为900mm;连接外框架与核心筒的楼面H型钢梁典型截面高为700mm。伸臂桁架弦杆采用Q390B, 其余钢构件均采用Q345B。楼板厚度采用120mm, 加强层上下楼板及大屋面楼板采用150mm, 并配置双层双向钢筋。

　　 结构存在下列多项超限情况:1) 考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2, 属于平面扭转不规则;2) 有多层楼板开设较大洞口, 有效宽度小于该层楼面宽度的50%, 属楼板不连续;3) 带加强层, 侧向刚度突变;4) 相邻层受剪承载力变化大于80%, 属于层间承载力突变;5) 局部存在穿层柱。根据结构的重要性, 综合考虑抗震设防类别、设防烈度和业主要求, 设定本工程结构的抗震性能目标为C级。具体构件在不同地震水准下的性能目标见表3。

　　 结构采用SATWE (2011年版) 和PMSAP (2011年版) 进行设计及弹性分析结果对比;在计算分析中, 由于本结构属于钢与混凝土混合结构形式, 因此小震下结构阻尼比采用0.04, 风荷载下结构阻尼比采用0.03 (舒适度验算采用0.015) 。地下1层与首层侧向刚度比大于2.0, 满足嵌固端要求, 上部结构整体分析时以地下室顶板作为嵌固部位。

　　 表4为结构前3阶振型周期及周期比计算结果, 第一扭转周期与第一平动周期之比均小于0.85, 结构抗扭刚度较大, 扭转变形小, 满足规范规定。

　　 图5给出了楼层侧刚比和抗剪承载力比的对比结果。由图可知, 14, 29, 43层楼层的抗剪承载力比不满足规范要求 (14, 29层均是加强层下一层, 43层为观景平台层, 其上一层为屋顶桁架结构) , 即为相对薄弱层。

　　 图6给出了结构X, Y向层间位移角曲线, 图7给出了结构X, Y向层间位移比曲线。对比分析表明, 两种软件对层间位移角的计算结果相近。最大层间位移角小于规范限值1/602。在两个加强层附近, 层间位移角发生了较大的突变, 显示了伸臂对层间位移的减小作用。所有楼层的层间位移比均未超过1.4, 局部楼层层间位移比超过1.2, 满足规范规定。

　　 图8给出了X, Y向结构各层框架分担地震剪力与基底剪力比值曲线。可以看出, SATWE与PMSAP统计的框架柱承担的地震剪力在15, 30层加强层处均发生突变, 远小于其相邻上下层的数值。其原因在于SATWE仅统计了框架柱剪力, 而未计入加强层桁架分担的地震剪力, 导致加强层框架分担剪力统计结果很小。PMSAP统计结果为框架剪力, 加强层地震剪力全部计入“墙及支撑剪力”, 导致统计结果中框架剪力百分比为0, 而墙及支撑剪力百分比为100%。两种软件所计算的基底剪力值大小相近, 框架部分分配的地震剪力标准值小于结构基底剪力的20%, 但各楼层框架部分分配的地震剪力最大值不小于结构基底剪力标准值的10%, 表明框架与筒体可以形成相对较好的双重抗侧力体系。设计时框架部分地震剪力应按照结构基底剪力标准值的20%和框架部分分配的地震剪力标准值中最大值的1.5倍二者中的较小值进行调整, 框架柱端弯矩及与之相连的框架梁端弯矩、剪力进行相应调整。

　　 采用安评报告提供的2条人工地震波和5条天然地震波对结构进行小震弹性时程分析。表5为各条时程曲线计算所得的结构基底剪力及其平均值与振型分解反应谱法计算结果比较, 每条时程曲线计算所得结果在结构主方向的平均基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的80%, 每条地震波输入的计算结果不小于振型分解反应谱法计算结果的65%。对比分析表明, 7条地震波时程曲线计算所得楼层剪力曲线变化形式各不相同, 但其楼层最大剪力平均值曲线、楼层最大弯矩曲线与振型分解反应谱法计算结果变化趋势基本一致, 当顶部几层采用振型分解反应谱法计算所得的地震剪力小于时程分析结果时, 按时程分析法和振型分解反应谱法计算结果的包络值进行结构设计。

　　 采用MIDAS Building软件对结构进行了大震作用下的动力弹塑性分析。目的是以构件的实际承载力为基础, 着重于发现薄弱部位并提出相应措施。分别进行了以X向为主方向和以Y向为主方向的水平地震波输入, 本文以下仅给出X向为主方向的计算结果。

　　 表6为X向为主方向时结构的弹塑性时程分析基底剪力、位移和层间位移角的结果, 图9给出了X向为主方向时各条地震波作用下结构X向层剪力曲线对比。可以看出, 弹塑性时程分析结果与弹性时程分析结果规律基本一致, 各条地震波作用下结构的基底剪力相差较大。结构X向和Y向的特性表现出明显差异, Y向的基底剪力明显小于X向。各条地震波作用下的顶点最大位移相差也比较明显, Y向的顶点位移较小。各条地震波作用下的最大层间位移角位置与大小相差不大, Y向的层间位移角明显小于X向。结构的最大弹塑性层间位移角均小于规范规定的弹塑性层间位移角限值1/100, 满足性能水准4对结构的变形要求。

　　 图10给出了X向为主方向时各条地震波作用下结构X向层间位移角曲线对比。可以看出, 在各加强层附近X向层间位移角曲线突变。这是由于除了带状桁架之外, 结构X向还布置了伸臂桁架, 对其起到一定的加强作用, 因而X向层间位移角减小。而相邻的31层由于剪力墙数量减少以及框架截面减小, 造成了31层刚度的相对较弱, 因而层间位移角普遍增大。

　　 以反应较大的天然波3为例, 给出结构构件在X向为主方向时地震波作用下的出铰、应力应变情况。框架出铰情况见图11。大震下大部分连梁出现塑性铰, 但均为第一屈服阶段 (受弯开裂) 和第二屈服阶段 (受压一侧最外端的材料达到极限应变) 的弯曲铰, 结构未出现第三屈服阶段的塑性铰, 表明构件承载能力未出现降低。钢框梁均未出铰。除顶层个别柱外, 钢管混凝土框架柱未出铰。按照性能水准4的要求, 框架均能满足要求。加强层伸臂桁架和带状桁架斜撑出铰情况见图12, 腹杆未出铰, 个别伸臂桁架腹杆屈服, 出现第二屈服阶段的塑性铰, 满足性能水准4对一般构件承载力要求。

　　 分析表明筒体最大平均压应力均小于混凝土的抗压强度标准值。筒体墙体有少量局部点的剪应力在各时刻大部分均在5MPa之内, 参照《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[5]11.7.3条的条文说明, 偏安全地对墙体的最大剪应力取0.20f_ck, 则对于C40～C60的混凝土, 其最大剪应力可近似在5.36～7.68MPa, 大部分墙体未受剪破坏。筒体的墙体满足性能水准4对竖向构件的正截面承载力及受剪承载力要求。

　　 根据分析结果, 在结构设计时针对超限情况采取下列针对性的措施。

　　 (1) 针对相对薄弱层, 在设计时按照高规^[4]3.5.8条的要求, 将其地震力标准值放大1.25倍。

　　 (2) 为保证作为第二道防线的框架具有一定的抗侧能力, 调整各层框架柱承担的地震剪力不小于基底剪力的20%和计算层最大剪力的1.5倍二者中的较大值。框架柱端弯矩及与之相连的框架梁端弯矩、剪力进行相应调整。

　　 (3) 提高穿层柱的抗震能力, 按照中震弹性的抗震措施对其进行设计。设计中按实际长细比进行稳定性计算, 并适当加大穿层柱的截面。

　　 (4) 对开有较大洞口的楼板加强层及其相邻上下层楼板进行大震下的楼板应力分析;并加大楼板厚度, 采用双层双向配筋, 楼板单层配筋率增大至0.35%, 提高结构楼板的抗震能力, 加强结构楼板整体性。

　　 (5) 在筒体角部设置钢骨端柱, 加强筒体剪力墙边缘构件的抗震能力;为防止连梁出现脆性剪切破坏, 适当提高连梁箍筋配筋, 跨高比不大于2时, 设置交叉暗撑, 受力较大处配合剪力墙钢骨端柱设置型钢混凝土连梁。

　　 将筒体剪力墙底部加强部位在重力荷载代表值作用下的墙肢轴压比限值控制在0.5以内, 底部加强区筒体的竖向分布筋配筋率提高至0.6%, 以提高筒体底部的延性。按照《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) ^[6]的要求, 验算混凝土构件在中震作用下是否出现小偏心受拉, 对出现小偏心受拉的竖向构件采用特一级构造, 在拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的部位设置型钢。

　　 加强层处存在承载力突变, 应增加竖向构件的延性, 因此在加强层及相邻层核心筒剪力墙设置约束边缘构件;加强层及其相邻上下层核心筒剪力墙抗震等级提高为特一级。

　　 根据本结构既定的性能目标, 第3性能水准结构在设防烈度地震作用下, 关键构件及普通竖向构件受剪承载力宜满足弹性设计要求。在SATWE中采用等效弹性方法对结构进行中震分析, 通过增加阻尼比和折减连梁刚度的方法来近似考虑结构阻尼增加和刚度退化。中震弹性分析时, 阻尼比取为0.04, 连梁刚度折减系数取为0.8。利用分析结果进行关键构件及普通竖向构件的受剪承载力弹性设计, 构件受剪承载力满足高规^[4]式 (3.11.3-1) 规定的弹性设计要求。

　　 对比分析表明, 伸臂桁架和带状桁架对结构的刚度影响非常大。设置伸臂桁架和带状桁架可明显减小上部结构层间位移角, 其中X向最大层间位移角减小31.6%, Y向最大层间位移角减小10.2%。由于伸臂桁架仅沿X向设置, 故X向的位移控制效果更显著。

　　 伸臂桁架的刚度较大, 影响框架与筒体之间的内力分布, 应在设计中考虑。为了研究伸臂桁架和带状桁架施工顺序对结构的影响, 进行了按顺序逐层施工和主体结构完工后安装伸臂桁架腹杆两种模拟施工过程的对比分析。分析表明, 伸臂桁架腹杆后装施工时, 与伸臂桁架相连的柱轴力均大于逐层施工时的柱轴力;而按顺序逐层施工时, 伸臂桁架将重力内移, 导致筒体分担的竖向力大于伸臂桁架后装施工时筒体分担的竖向力。因此与伸臂腹杆相邻的柱、筒体及其基础需偏于安全地按两者包络进行设计。伸臂桁架腹杆后安装施工时, 其轴力显著减小, 因此按照逐层顺序施工设计支撑杆件, 偏于安全。伸臂桁架腹杆材料可采用Q345B, 低于弦杆的强度, 以利于腹杆在中大震作用下率先屈服耗能, 可避免加强层附近外框架柱及核心筒墙肢发生破坏, 以实现规范要求的框架-核心筒结构宜采用“有限刚度”加强层的目的^[7]。

　　 考虑伸臂桁架腹杆后安装施工时, 伸臂桁架和带状桁架的弦杆轴力均远小于按顺序施工时的轴力, 按照逐层施工设计弦杆偏于安全。带状桁架腹杆后安装时, 相连的柱轴力均小于同步施工时的柱轴力, 由于带状桁架安装不会对柱与剪力墙的内力分布产生影响, 因此带状桁架腹杆可以不考虑后期安装, 与主体结构同时施工即可。

　　 (1) 本工程为多项指标超限的超高层建筑, 采用带加强层的框架-核心筒混合结构体系, 能满足结构对承载力、整体稳定性、结构抗侧力和变形控制的需求。

　　 (2) 按照规范采用性能化抗震设计方法, 根据构件的重要程度采取不同的性能水准, 并有针对性

　　 地采取设计和构造措施。

　　 (3) 弹塑性时程分析结果与弹性时程分析结果规律基本一致, 分析结果表明结构能满足性能目标C级的要求。

　　 (4) 本工程设置两道加强层, 加强外框架与核心筒的连接, 控制结构的整体稳定性, 增加结构的刚度, 明显减小了上部结构层间位移角。加强层刚度较大, 影响框架与筒体之间的内力分布, 在设计中须考虑施工顺序影响。