閆 鋒

（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200070）

0 概 述

哈爾濱富力中心是超高層綜合體，主要功能為辦公、酒店、商業(yè)，位于哈爾濱市道里區(qū)友誼西路，包括T1、T2、T3三幢塔樓、七層高的裙房、四層地下室。T1 塔樓地上部分設(shè)置結(jié)構(gòu)縫與裙房分開，T2、T3 與裙房連為一體。整個(gè)項(xiàng)目的地下建筑面積約 12 萬 m2，地上建筑面積約 36 萬 m2，圖 1表示了富力中心的建筑效果圖。

本項(xiàng)目中最高的T1 塔樓建筑高度270 m，大屋面高度247.55 m，地上56 層。塔樓平面尺寸45.3 m×45.3 m，核心筒尺寸21.7m×23.1m，第10層、25 層、36 層、48 層為避難層，9～35 層為辦公區(qū)，37～53層為五星級(jí)酒店區(qū)，54層以上分別為健身、空中大堂和餐飲。T1 塔樓地上建筑面積約13.2萬m2，地下建筑面積約為1.2萬m2。

在結(jié)構(gòu)超限審查時(shí)哈爾濱的抗震設(shè)防烈度為6度，50年一遇基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2。T1塔樓基礎(chǔ)底板厚度為3.0 m，采用樁端樁側(cè)后注漿鉆孔灌注樁，有效樁長42 m，樁端持力層為泥巖，單樁承載力特征值15 000 kN。裙房區(qū)域的典型基礎(chǔ)底板厚度為0.7 m，柱下設(shè)置尺寸較大的承臺(tái)，類似于無梁樓蓋的柱帽，和底板一起發(fā)揮抗彎和抗沖切作用。裙房區(qū)域主要采用抗拔樁，樁身直徑0.8 m，樁側(cè)后注漿，有效樁長29 m，單樁抗拔承載力特征值3 500 kN。

1 T1塔樓的結(jié)構(gòu)選型

綜合考慮建筑布置、結(jié)構(gòu)高度、抗震設(shè)防烈度、基本風(fēng)壓等方面的因素，T1 塔樓采用了鋼管混凝土柱、鋼梁、鋼筋混凝土核心筒、鋼環(huán)帶桁架組成的框架-核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系［1］。結(jié)合建筑避難層位置，在36層和48層設(shè)置了兩道環(huán)帶桁架。環(huán)帶桁架上下弦所在樓板加厚到180 mm，配筋也進(jìn)行了加強(qiáng)。在結(jié)構(gòu)選型的過程中，對(duì)比了是否設(shè)置伸臂桁架對(duì)于低區(qū)框架梁截面、環(huán)帶桁架截面、風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)最大層間位移角、工期的影響，見表1。對(duì)比后放棄設(shè)置伸臂桁架，通過適當(dāng)加大低區(qū)樓層框架梁截面、適當(dāng)加大環(huán)帶桁架桿件截面，來滿足結(jié)構(gòu)的性能要求，從而達(dá)到了方便施工、減少工期的效果［2］。T1 塔樓典型結(jié)構(gòu)平面布置見圖2，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意見圖3。

圖1 哈爾濱富力中心建筑效果圖Fig.1 Renderings of Harbin R&F center

表1 是否設(shè)置伸臂桁架的對(duì)比Table 1 Case comparison with/without the outrigger trusses

圖2 T1塔樓典型結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 Typical structural plan of T1 tower

核心筒外周剪力墻底部最大厚度900 mm，頂部最小厚度350 mm，內(nèi)部剪力墻底部最大厚度350 mm，頂部最小厚度250 mm。周邊框架柱底部最大直徑1 500 mm，頂部最小直徑800 mm。低區(qū)框架梁典型截面H900×350×16×25，高區(qū)框架梁典型截面H700×350×14×25。核心筒外樓面梁典型截面H550×200×10×12，核心筒外一端與柱連接的樓面梁典型截面H550×300×12×22。

如果采用剛性樓板假定，環(huán)帶桁架弦桿的軸力計(jì)算不出來，計(jì)算出的弦桿應(yīng)力比將小于實(shí)際應(yīng)力比。構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)時(shí)環(huán)帶桁架上下弦所在加強(qiáng)層樓板設(shè)置為彈性樓板，并且樓板剛度折減為彈性狀態(tài)時(shí)的0.01 倍，以考慮地震作用下樓板開裂造成抗拉能力的降低［3］。

圖3 T1塔樓計(jì)算模型Fig.3 Calculating model of T1 tower

整體結(jié)構(gòu)前三階自振周期分別為6.71 s、6.43 s、3.22 s。X和Y向風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角分別為 1/652、1/551，X和Y向地震作用下的最大層間位移角分別為 1/1 502、1/1 381。X和Y向一層剪重比分別為0.56%、、0.55%，本工程周期位于反應(yīng)譜的位移控制段，各樓層均需按照底部剪力系數(shù)的差值增加該層的地震剪力。除加強(qiáng)層及相鄰上下層外的框架剪力分擔(dān)比最大值達(dá)到10%以上，約60%以上的樓層框架剪力分擔(dān)比達(dá)到8%以上，達(dá)到了超限審查專家的要求［4］。

2 錯(cuò)層區(qū)域鋼折梁的設(shè)計(jì)

由于裙房層高6 m，T1 塔樓4-7 層層高4 m，所以存在錯(cuò)層2 m 高的錯(cuò)層；而建筑布置需要將錯(cuò)層位置放置到核心筒旁的走道側(cè)邊，圖4 表示了折梁的平面位置。為了做到對(duì)建筑的影響最小，結(jié)構(gòu)最好的處理方式就是采用折梁，折梁的梁面標(biāo)高由23.920 m 變?yōu)?1.850 m，折梁跨度為11.850 m，圖5 表示了折梁的節(jié)點(diǎn)詳圖。圖6 表示了折梁在豎向荷載組合下的軸力圖和彎矩圖。在鋼折梁計(jì)算中，沒有考慮其上的樓板參與受力，但是考慮了樓板傳遞荷載與防止鋼折梁側(cè)向失穩(wěn)的作用。樓板厚度和典型樓層相同取為125 mm，樓板配筋適當(dāng)加強(qiáng)。

圖4 錯(cuò)層的平面位置Fig.4 Position of staggered floors

圖5 折梁的節(jié)點(diǎn)詳圖（單位：mm）Fig.5 Details of polyline steel beams（Unit：mm）

普通樓面梁主要承受彎矩和剪力，并且可以按照組合梁考慮，普通辦公層樓面梁截面為H550×200×10×12。彎折較大的折梁除彎矩和剪力外，還要承受較大的軸向力，并且不能按照組合梁考慮，所以其截面為H550×300×14×22。在鋼折梁端部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，同樣需要考慮剪力和軸力的共同作用，相比普通樓面鋼梁，設(shè)置更多的高強(qiáng)螺栓來抵抗軸力、剪力和附加偏心矩的作用。

3 裙房轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計(jì)

圖6 折梁的軸力圖和彎矩圖Fig.6 Axial forces and moments of polyline beams

在裙房的三層布置了跨層大宴會(huì)廳，宴會(huì)廳內(nèi)部沒有柱子，宴會(huì)廳頂部所在的5 層存在跨度達(dá)36 m 的轉(zhuǎn)換桁架，托住5-7 層的結(jié)構(gòu)。圖7 表達(dá)了轉(zhuǎn)換桁架的平面布置圖，圖8 表達(dá)了轉(zhuǎn)換桁架的立面圖。

圖7 轉(zhuǎn)換桁架平面布置圖Fig.7 Structural plan of transferred trusses

圖8 轉(zhuǎn)換桁架立面圖Fig.8 Elevation of transferred truss

轉(zhuǎn)換桁架腹桿的布置方式經(jīng)過了優(yōu)化比選，最終選擇了端部兩跨采用交叉斜腹桿、中間跨采用受拉斜腹桿和受壓斜腹桿交替布置的方案，在限定桁架高度、考慮施工便利性的前提下，滿足結(jié)構(gòu)受力性能要求。由于轉(zhuǎn)換桁架跨度很大、其上還承托三層樓面的荷載，所以端部下弦桿的軸力和彎矩很大，造成桁架端部相連柱承受很大的彎矩和剪力以及軸力。為減小轉(zhuǎn)換桁架端部柱承受的彎矩和剪力，提高其延性，采取了端部下弦桿后連接的方案。

由于桁架跨度較大，為增強(qiáng)其穩(wěn)定性，采用了箱型截面的桿件，弦桿的最大截面□700×500 ×80×80，最小截面□700×500×25×25，斜腹桿的最大截面□500×500×55×55，最小截面□500×500×20×20。在計(jì)算分析時(shí)對(duì)于樓板按照剛度不折減和剛度折減系數(shù)為0.01 進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。桁架上弦及沿桁架方向的相鄰跨樓面板厚特別加厚到180 mm，配筋加強(qiáng)到板面雙向C14@100，壓型鋼板肋頂垂直方向C12@100，順壓型鋼板方向肋槽底配置C12@220。為了保證桁架下弦的穩(wěn)定性，在下弦平面的每榀桁架之間布置了拉結(jié)桿件，并且在周邊布置成平面內(nèi)桁架的形式，見圖9。轉(zhuǎn)換桁架和相連框架柱，是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分別進(jìn)行了小震、中震、大震下的計(jì)算分析，達(dá)到了大震彈性的性能水準(zhǔn)，保證了結(jié)構(gòu)安全［5］。

圖9 下弦拉結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic of bottom chord connection structures

4 地下室外墻設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目地下室四層，地下室外墻設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮支承條件、地下水位等因素。一般的外墻在每層地下室樓面處有樓板支承，這種情況下的外墻厚度取為500 mm。

但是在臨外墻的鍋爐房等機(jī)電設(shè)備區(qū)域會(huì)要求兩層地下室層高，就會(huì)出現(xiàn)地下室外墻跨層才有支承的情況，如圖10 所示，此時(shí)需要加大外墻厚度到800 mm。

外墻邊存在車道時(shí)，其支承條件要考慮臨近頂板的一段懸臂，下部各層的坡道板支承標(biāo)高不斷變化的情況，如圖11 所示。這種情況下需要取外墻厚度為700 mm。

圖10 地下室外墻跨層Fig.10 Cross levels of wall

圖11 地下室外墻邊存在坡道Fig.11 Ramp besides wall

還有些樓梯位于地下室外墻邊，不能對(duì)外墻形成有效支承，需要在樓梯兩側(cè)設(shè)置剪力墻對(duì)外墻形成面外支承，如圖12 所示。此時(shí)地下室外墻將地下室外的水土壓力傳遞到樓梯兩側(cè)的剪力墻上，此段外墻主要靠水平方向配筋受力，剪力墻厚度取為800 mm。

在地下室頂板開較大洞口部位，也需要考慮地下室外墻在樓板處支承作用的削弱，如圖13 所示。對(duì)于開數(shù)個(gè)連續(xù)較小洞口的情況，采取了在外墻設(shè)置暗梁的加強(qiáng)方式。此時(shí)地下室外墻的厚度取700 mm。

此外，由于本項(xiàng)目地下四層，有些地下室外墻需要考慮改變墻厚以適應(yīng)不同的受力需要。對(duì)于臨近地下室外墻的基礎(chǔ)底板，需要考慮外墻傳遞過來的彎矩需要底板來平衡，可能需要適當(dāng)加厚臨近外墻的基礎(chǔ)底板，或者適當(dāng)加大臨近外墻的底板配筋。有些地下室外墻連接無梁樓蓋，還需要考慮增加外墻配筋抵抗無梁樓蓋傳遞到外墻上的彎矩。

圖12 外墻邊存在樓梯Fig.12 Stair besides wall

圖13 外墻邊地下室頂板開洞Fig.13 Floor holes besides wall

5 地下室無梁樓蓋設(shè)計(jì)

地下室的B3、B2 層大部分區(qū)域?yàn)檐噹?，樓板開洞較少，為降低層高、減少基坑開挖，在車庫區(qū)域采用了無梁樓蓋結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)置了柱帽。在確定柱帽的尺寸時(shí)，考慮其抗沖切和抗彎作用，柱帽平面尺寸相對(duì)較大，對(duì)于9 m×9 m 的柱網(wǎng)區(qū)域，柱帽的平面尺寸為4 m×4 m，柱帽厚度為600 mm，無梁樓蓋板厚220 mm。本項(xiàng)目地下室平面尺寸大約為280 m×135 m，是超長結(jié)構(gòu)。在確定無梁樓蓋的配筋方式時(shí)，考慮到計(jì)算配筋數(shù)值和施工的便利性，還考慮到抵抗超長結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力。對(duì)柱帽區(qū)域附加配筋進(jìn)行了加強(qiáng)，未區(qū)分柱上板帶和跨中板帶配筋。典型無梁樓蓋區(qū)域的施工圖示意見圖14。

在靠近地下室外墻的區(qū)域，由于無梁樓蓋跨度較大，板厚加大到300 mm，同時(shí)對(duì)于墻邊進(jìn)行了附加配筋。無梁樓蓋在墻邊的配筋示意圖見圖15。對(duì)于無梁樓蓋板厚220 mm 和300 mm 的區(qū)域交界處，設(shè)置了暗梁。

6 鋼管混凝土柱和鋼筋砼梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖14 無梁樓蓋區(qū)域結(jié)構(gòu)施工圖示意（單位：mm）Fig.14 Construction drawing of the flat slab areas（Unit：mm）

圖15 無梁樓蓋在墻邊的配筋示意圖（單位：mm）Fig.15 Reinforcement of the flat slabs beside the wall（Unit：mm）

T1 塔樓采用了鋼管混凝土柱，地下室的框架梁為鋼筋混凝土梁，兩者采用何種方式連接，關(guān)系到受力性能的可靠和施工的便利性。參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于一般部位的這類節(jié)點(diǎn)，采用了鋼管上焊接環(huán)形牛腿、圍繞柱做環(huán)梁的節(jié)點(diǎn)形式，如圖16所示［6］。這種節(jié)點(diǎn)做法鋼結(jié)構(gòu)焊接相對(duì)方便且可以在工廠進(jìn)行，無須在鋼管上打孔穿筋，施工便利性較好。在福州世茂國際中心、武漢中心、天津富力等項(xiàng)目中都采用了這類節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于柱邊存在電梯洞口的情況，環(huán)梁加環(huán)形牛腿的節(jié)點(diǎn)形式不再適用，采用了鋼管上焊接鋼牛腿，梁鋼筋焊接到鋼牛腿翼緣的節(jié)點(diǎn)形式，如圖17 所示。這種節(jié)點(diǎn)形式下鋼管混凝土柱邊可以開洞，方便了建筑的布置，現(xiàn)場(chǎng)鋼筋和鋼牛腿之間的焊接工作量也基本可控。

圖16 鋼筋混凝土梁和鋼管混凝土柱連接典型節(jié)點(diǎn)一Fig.16 Typical joint of RC beams and CFT columns

圖17 鋼筋混凝土梁和鋼管混凝土柱連接典型節(jié)點(diǎn)二Fig.17 Typical joint of RC beams and CFT columns

7 跨層內(nèi)隔墻的設(shè)計(jì)

在三層宴會(huì)廳區(qū)域，由于凈高要求大，四層挑空，隔墻直接由三層樓板延伸到五層樓板，隔墻高度達(dá)到約11.8 m。為了滿足隔墻穩(wěn)定性要求，采用了鋼龍骨輕質(zhì)隔墻。鋼龍骨采用了鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼柱間距不大于5 m，鋼梁間距不大于5 m，鋼柱底端焊接到樓板上的預(yù)埋件或者后置錨板上。鋼柱頂端采用連接角鋼焊接到后置錨板。鋼龍骨框架主要承受隔墻傳遞過來的重力荷載，同時(shí)考慮人或者物體碰撞可能造成的水平荷載0.5 kN/m施加到水平橫梁上，并且按照下述方法考慮地震作用。專門建立鋼龍骨計(jì)算模型，把隔墻的重力荷載作用到鋼龍骨橫梁上，鋼龍骨自重和隔墻的重力荷載一起組成重力荷載代表值，在計(jì)算時(shí)和主體結(jié)構(gòu)一樣輸入地震作用參數(shù)，計(jì)算地震作用。鋼柱的長細(xì)比按照不超過200 控制［7］。鋼龍骨框架的典型布置和節(jié)點(diǎn)如圖18所示。

圖18 跨層內(nèi)隔墻鋼龍骨示意圖Fig.18 Steel keels of cross-floor inter walls

8 結(jié) 論

通過對(duì)哈爾濱富力中心超高層綜合體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中若干重要問題的思考和精心設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于6 度區(qū)總高度270 m 的超高層建筑，采用鋼管混凝土柱-鋼梁-鋼筋混凝土核心筒-環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系是合適的。

（2）彎折前后梁面標(biāo)高相差較大的折梁，會(huì)有較大的軸力產(chǎn)生，需要進(jìn)行專門的計(jì)算分析，并采用與內(nèi)力相匹配的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

（3）跨度達(dá)36 m、其上承托3 層樓面的轉(zhuǎn)換鋼桁架，由于樓板可能受拉開裂，在計(jì)算分析時(shí)要按照樓板剛度折減和不折減進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；為保證桁架端部柱子的延性可采用下弦桿后連接設(shè)計(jì)。

（4）地下室外墻需要根據(jù)支承條件分類進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用不同的墻厚。

（5）在地下室的車庫區(qū)域，采用較大柱帽的無梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系，在保證凈高、減少地下室挖深、方便施工方面是合適的，具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

（6）鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)，需要考慮施工便利性并根據(jù)建筑需要采用不同的節(jié)點(diǎn)形式。

（7）對(duì)于高度很大的跨層內(nèi)隔墻，采用鋼龍骨輕質(zhì)隔墻，是一種合理的選擇。