天津中海城市廣場(四期)344m超高層主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

王明星, 王 楊, 王石磊, 符國勇, 蔣俊杰, 黃 河, 翟文博, 陳 超

(1 中海保利達(dá)地產(chǎn)(天津)有限公司，天津 300160；2 中海企業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，深圳 518000；3 宋騰添瑪沙帝建筑工程設(shè)計咨詢(北京)有限公司，北京 100004)

1 工程概況

天津中海城市廣場(四期)主塔位于天津市河?xùn)|區(qū),總建筑面積約18萬m2,地下4層、地上71層,建筑高度344m,結(jié)構(gòu)主屋面高度325.7m。塔樓效果圖如圖1所示。建筑主要功能為辦公,塔樓與裙房設(shè)縫脫開。典型平面布置如圖2所示。

圖1 塔樓效果圖

圖2 塔樓典型結(jié)構(gòu)平面圖

建筑抗震設(shè)防類別為乙類[1],設(shè)防烈度為8度(0.2g)[2],設(shè)計地震分組為第二組,場地類別為Ⅲ類,特征周期為0.62s。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.5kPa[3],地面粗糙度類別為C類[4]。

2 結(jié)構(gòu)方案選型

方案階段主要對三種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比選:方案1為巨柱框架-核心筒方案(8柱),方案2為框架-核心筒(14柱),方案3為密柱框架-核心筒(44柱)[5]。三種結(jié)構(gòu)體系都是300m以上高度常見的結(jié)構(gòu)體系,均具備較高的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力效率,且在8度區(qū)都有應(yīng)用案例。通過計算分析,三種結(jié)構(gòu)體系從結(jié)構(gòu)方案角度均可行,綜合結(jié)構(gòu)體系對建筑的適用性、結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性以及施工難易程度等方面對方案進(jìn)行多維度的評估,如表1所示,最終選定方案3,即密柱框架-核心筒(44柱)為實(shí)施方案。

表1 三種結(jié)構(gòu)方案評估

如圖3所示,塔樓結(jié)構(gòu)體體系為環(huán)帶桁架+密柱框架-核心筒。外框密柱框架采用型鋼混凝土柱和鋼梁,典型柱距為4.5m,每側(cè)10根柱,四周框架柱從4層開始沿順時針整體傾斜,以適應(yīng)外立面的造型要求,框架柱尺寸從底部1 500×1 500逐步減小至1 000×800。核心筒為鋼筋混凝土核心筒,在中高區(qū)分別有兩次收進(jìn),外墻厚度從底部1300mm減小至500mm,內(nèi)墻厚度由750mm減小至300mm。在40、50、61層設(shè)置有3道環(huán)帶桁架,環(huán)帶桁架布置如圖4所示。

圖3 塔樓結(jié)構(gòu)體系組成

圖4 環(huán)帶桁架布置

3 傾斜外框密柱框架設(shè)計

3.1 建筑外立面設(shè)計特點(diǎn)

建筑外立面幕墻豎梃每4層沿順時針方向整體錯動550mm,整體外觀呈現(xiàn)螺旋上升的形式,如圖5所示。經(jīng)多方案比選,除底部1～8層為直柱外,結(jié)構(gòu)外框柱采用斜柱的形式隱藏在錯動的豎梃后方,四個面的斜柱角度均為1.75°,從而實(shí)現(xiàn)理想的建筑效果。

圖5 外框柱與豎梃的關(guān)系

3.2 傾斜密柱框架的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

和一般直柱框架相比,斜柱框架的受力有以下幾個特點(diǎn):

(1)對于單榀斜柱框架,柱軸力沿著柱軸線方向傳遞,當(dāng)柱傾斜時,柱軸力會產(chǎn)生水平分力,此水平分力會帶來額外的柱底彎矩;柱軸力水平分力會使框架在重力作用下產(chǎn)生頂點(diǎn)水平位移,柱底彎矩會隨之進(jìn)一步放大,即二階效應(yīng)。當(dāng)附加彎矩的比例不超過10%時,傾斜密柱框架的穩(wěn)定性可以得到保證。

(2)當(dāng)斜柱框架與樓板、核心筒整體考慮時,其重力下的傳力路徑仍有不同于一般直柱框架的特點(diǎn):1)外框柱沿外立面平面內(nèi)傾斜約1.75°,軸向力會有水平分量,其大小為軸力的3%;與直柱相比,柱軸向力的增量非常小,僅為0.47%。2)斜柱軸力的分布與直柱基本一致,各層柱水平分力大小與本層的柱軸力增量即本層的樓面荷載與自重的大小有關(guān)。3)柱水平分力的傳遞路徑有兩條:通過樓板傳遞至核心筒,然后傳遞至基礎(chǔ);通過下部框架抗彎直接傳遞至基礎(chǔ)。兩條路徑分別傳力多少,取決于兩條路徑的剛度相對大小。

(3)外框柱的傾斜方向?yàn)檠刂⒚骓槙r針方向,沿著外立面形成力的環(huán)流通過樓板傳遞至核心筒,形成了核心筒的扭矩外力。設(shè)計時,先假設(shè)樓板和墻體為無限剛體,估算出各層墻體扭矩的理論最大值。再通過分析得到不同樓板剛度下核心筒受到的實(shí)際扭矩,就可以判斷出兩條傳力路徑中的主要路徑。具體分析結(jié)果如圖6所示?？梢钥吹?當(dāng)樓板采用25%剛度和100%剛度假定時,大部分的柱水平分力都傳遞至核心筒,不同樓板剛度假定下差異很小,剩余小部分的力由外框抗彎承擔(dān)。

圖6 外框柱水平分力的分配

(4)9層為斜柱起始樓層,重力荷載作用下產(chǎn)生的樓板應(yīng)力最大,從概念上布置樓面斜撐來傳遞水平力。

3.3 傾斜密柱框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗(yàn)算

結(jié)合以上特點(diǎn),外框在豎向荷載作用下的驗(yàn)算包含以下內(nèi)容:外框柱抗壓彎承載力驗(yàn)算;核心筒抗扭承載力驗(yàn)算;9層樓板抗剪驗(yàn)算及樓面斜撐驗(yàn)算;外框梁栓釘承載力驗(yàn)算。

3.3.1 外框柱抗壓彎承載力驗(yàn)算

在豎向荷載作用下,不考慮樓板作用,即柱軸力水平分量全部由框架承擔(dān)。地震作用下,對小震、中震、大震作用下的外框柱按照表2設(shè)置抗震性能目標(biāo)。經(jīng)計算,柱承載力滿足各項(xiàng)性能目標(biāo)要求[5-6]。

表2 外框柱的抗震性能目標(biāo)

3.3.2 核心筒抗扭承載力驗(yàn)算

柱水平分力通過樓板傳遞至核心筒形成扭矩。在核心筒外翼墻產(chǎn)生附加剪力。經(jīng)分析,在扭矩最大的9層,扭矩產(chǎn)生的名義剪應(yīng)力與墻體抗剪承載力0.25fc[7]的比值為0.055。如圖7所示,墻體應(yīng)力結(jié)果在非應(yīng)力集中區(qū),墻體剪應(yīng)力為0.38MPa< 0.7ft=1.43MPa(0.7ft為抗剪承載力)。綜上,斜柱產(chǎn)生的附加扭矩對核心筒抗剪承載力影響很小。

圖7 9層及其上下層墻體應(yīng)力/MPa

3.3.3 9層樓板抗剪驗(yàn)算和樓面斜撐驗(yàn)算

9層為斜柱起始樓層,樓板剪應(yīng)力最大。豎向荷載作用下,樓板在標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0恒載+1.0活載)下剪應(yīng)力如圖8所示,9層最大剪應(yīng)力為0.42MPa,為抗剪承載力0.7ft的35%。

圖8 9層和相鄰兩層標(biāo)準(zhǔn)組合下樓板剪應(yīng)力/MPa

為實(shí)現(xiàn)水平傳力的二道防線,當(dāng)不考慮樓板剛度時,在9層樓板下部設(shè)置樓面斜撐,斜撐桿件采用φ300×16的鋼管,其布置如圖9所示。斜撐按照中震不屈服和大震極限的性能目標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計。計算結(jié)果表明,附加的樓面斜撐滿足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)。

圖9 9層樓面斜撐布置

3.3.4 外框梁栓釘承載力驗(yàn)算

柱水平分力通過外框鋼梁頂部的樓面栓釘傳遞至樓板。外框梁栓釘按等強(qiáng)原則設(shè)計,即栓釘?shù)目辜舫休d力不小于樓板的抗剪承載力。經(jīng)過驗(yàn)算,當(dāng)布置雙排φ19栓釘、間距200mm時,其抗剪承載力為710kN/m,遠(yuǎn)大于樓板按標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度算得的抗剪承載力368kN/m,滿足設(shè)計要求。

在合理控制外框柱傾斜角度時,斜柱引起的水平附加扭矩或水平分力有限,通過對斜柱起始樓層的樓蓋設(shè)置樓面斜撐,可確保外框斜柱與核心筒的整體受力。

3.4 高區(qū)斜柱轉(zhuǎn)換設(shè)計

因建筑效果需要,在41層以上平面西北側(cè)進(jìn)行“斜切角”,切角區(qū)域保留3根框架斜柱轉(zhuǎn)換,并將斜柱的傾斜角度控制在10°,以控制斜柱引起的水平力不至于過大。在斜柱起始層41層通過增加樓面斜撐將斜柱水平力傳遞至核心筒,并對與斜柱相連的樓面梁和斜撐按照“大震不屈服”的性能目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。在核心筒墻體內(nèi)設(shè)置構(gòu)造型鋼與承擔(dān)水平力的斜撐或樓面梁連接,并將墻體水平構(gòu)造配筋率提高至0.5%左右,再結(jié)合實(shí)際剪力進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

4 核心筒設(shè)計

核心筒在44層和52層有兩次收進(jìn),筒從底部至44層外輪廓尺寸為27m×32m的矩形。44層西側(cè)電梯取消,外輪廓尺寸變?yōu)?3m×32m,在52層核心筒南側(cè)收進(jìn)3.2m,外輪廓尺寸變?yōu)?7m×27.5m。如圖10所示。

在44層,核心筒外側(cè)翼墻收進(jìn),內(nèi)側(cè)翼墻延伸,無墻體轉(zhuǎn)換;在52層,核心筒采用斜墻過渡的收進(jìn)方式收進(jìn)。在各收進(jìn)處對樓板應(yīng)力、斜墻區(qū)段腹墻的剪應(yīng)力進(jìn)行了檢查。對斜墻起始樓層的樓板加厚至200mm,并考慮樓板折減后對起始層的樓面梁進(jìn)行驗(yàn)算,保證二道水平傳力路徑。

核心筒底部樓層在中震作用下存在拉應(yīng)力,綜合考慮《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號)[8]和《天津市超限高層建筑工程設(shè)計要點(diǎn)》(2016年版)[9]的建議要求,對墻體中震作用下的拉應(yīng)力驗(yàn)算按照以下原則進(jìn)行復(fù)核和采取措施:1)中震時雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力小于1.5倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk時,采用鋼筋承擔(dān)拉力;2)中震時雙向水平地震下墻肢全截面由軸向力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力大于1.5倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk時,設(shè)置型鋼;3)當(dāng)全截面含鋼率超過2.5%時,全截面平均名義拉應(yīng)力限值按比例放松。

計算結(jié)果表明,不配置型鋼時,個別墻肢最大拉應(yīng)力達(dá)到3.9ftk,大部分墻肢拉應(yīng)力位于2.5ftk以內(nèi),墻體最大型鋼配鋼率為4.1%,大部分位于3%以內(nèi)。

5 基礎(chǔ)設(shè)計

語言分析與應(yīng)用中，不同的人其表達(dá)方法與方式不同，但一定程度上，語言應(yīng)用與作品意境解析能力，是個體文學(xué)修養(yǎng)的充分反映。例如經(jīng)常講到的，文學(xué)修養(yǎng)高的人，秋天夕陽下，看到湖邊的鳥，其可能會講到“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”的意境深遠(yuǎn)的經(jīng)典詩句；如果沒有文學(xué)修養(yǎng)，那么其也就只能有“好多鳥啊，好漂亮的風(fēng)景啊”的表達(dá)。兩者之間的差距是非常明顯的，因而語言應(yīng)用與意境解析，是個人文學(xué)修養(yǎng)的全面體現(xiàn)。

樁基礎(chǔ)布置方案如圖11所示?？倶稊?shù)為334根,其中核心筒下222根、外框下112根。筏板厚度為3.5m,核心筒下加厚至4.5m。

圖11 樁基平面布置圖

基礎(chǔ)最大沉降位于核心筒下,最大沉降值約95mm,最小沉降位于角部柱下,最小沉降值約50mm,沉降差為45mm,相對變形為1.1‰<2‰[10]。

6 整體結(jié)構(gòu)計算

采用ETABS和YJK軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。整體指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

6.1 主要指標(biāo)計算結(jié)果

(1)周期和振型

塔樓的前3階振型和周期見表3。由表3可見,塔樓周期比為0.56<0.85,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[6](簡稱《高規(guī)》)要求。

表3 塔樓前3階模態(tài)與周期

(2)最大層間位移角

在不同的荷載條件下塔樓最大層間位移角的計算結(jié)果見表4,均滿足不大于1/500的限值要求。

表4 塔樓最大層間位移角

(3)整體穩(wěn)定驗(yàn)算

塔樓的剛重比計算結(jié)果:X向1.96、Y向2.21,均大于1.4,但小于2.7。整體穩(wěn)定性滿足《高規(guī)》要求,承載力和變形驗(yàn)算時需要考慮重力二階效應(yīng)。

(4)大震彈塑性最大層間位移角

采用Perform 3D計算得到的結(jié)構(gòu)大震彈塑性層間位移角計算結(jié)果如表5所示,滿足《高規(guī)》要求的不大于1/100。

表5 塔樓最大彈塑性層間位移角

6.2 構(gòu)件性能目標(biāo)驗(yàn)算

(1)核心筒剪力墻。剪力墻墻肢在底部加強(qiáng)區(qū)、環(huán)帶桁架層及其相鄰層的受力相對較大。最大塑性變形量為0.8IO,位于62層環(huán)帶桁架層。結(jié)構(gòu)損傷特點(diǎn)符合高烈度區(qū)一般帶加強(qiáng)層塔樓核心筒的損傷特點(diǎn)。性能目標(biāo)滿足預(yù)設(shè)要求。

(2)外框柱。外框柱最大轉(zhuǎn)角全部小于IO水準(zhǔn),滿足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)要求。

(3)外框鋼梁。外框鋼梁本質(zhì)上為耗能構(gòu)件?？紤]到是斜柱外框,本項(xiàng)目按一般構(gòu)件考慮外框梁的性能目標(biāo),即最大轉(zhuǎn)角需滿足小于LS水準(zhǔn)的要求。經(jīng)驗(yàn)算,外框鋼梁滿足此性能目標(biāo)。

(4)連梁。連梁為耗能構(gòu)件。經(jīng)過驗(yàn)算,93%的連梁進(jìn)入塑性(>IO),但僅有1%的連梁轉(zhuǎn)角大于CP水準(zhǔn),說明連梁在充分發(fā)展塑性耗能的同時,承載力表現(xiàn)依舊良好。

(5)轉(zhuǎn)換桁架桿件的性能滿足大震不屈服的性能目標(biāo)要求,其他構(gòu)件也均滿足相應(yīng)性能目標(biāo)。

7 結(jié)語

(1)在符合建筑外立面設(shè)計特點(diǎn)的前提下,高烈度區(qū)采用密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震性能。

(2)密柱體系具有良好的外框剛度,可減少加強(qiáng)層的數(shù)量,對減小核心筒厚度及型鋼配置均有好處,對降低結(jié)構(gòu)造價有利。

(3)外框柱整體傾斜可行,但需要控制斜柱的角度,驗(yàn)算外框在整體傾斜的條件下產(chǎn)生的水平分力或附加扭矩不至于過大。

(4)對斜柱轉(zhuǎn)折樓層以及相鄰樓層的樓板需進(jìn)行專門分析以及必要的加強(qiáng)措施。

(5)在滿足小震設(shè)計要求的前提下,結(jié)構(gòu)的整體性能目標(biāo)通過局部加強(qiáng)后可滿足設(shè)計要求。