屈 濤， 易 劍， 林 海， 徐紫鵬

(奧雅納工程顧問， 深圳 518048)

1 工程概況

深圳某證券公司總部大樓位于深圳市福田中心區(qū)，用地東臨民田路、南臨福華路，占地面積5 454.78 m2。項(xiàng)目總建筑面積約80 000m2，其中商業(yè)面積約12 000m2，辦公面積約68 000m2[1]。

塔樓建筑高度228m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.35m，結(jié)構(gòu)高度201.4m，屬于超B級復(fù)雜超高層超限結(jié)構(gòu)。地上51層，地下5層，主要用途為辦公，頂部設(shè)有停機(jī)坪；裙房地上3層，主要用途為商業(yè)。本文主要對塔樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。塔樓建筑效果圖如圖1所示。項(xiàng)目空腔剖面示意圖如圖2所示。塔樓內(nèi)設(shè)有3個(gè)多層通高大堂及2個(gè)全樓貫通空腔，1～4層為4層通高的入口大堂，僅3，4 層保留局部樓板；11～13層及26～29層為兩個(gè)通高空中大堂，局部樓板大開洞；南北面靠近外幕墻處設(shè)全樓貫通空腔，連接入口大堂及大樓中部的2個(gè)空中大堂，起自然通風(fēng)作用，是本項(xiàng)目一大建筑特色。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 塔樓建筑效果圖

圖2 項(xiàng)目空腔剖面示意圖

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04[2]。采用深圳地區(qū)50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為0.75kN/m2，地面粗糙度類別為C類，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.4。辦公標(biāo)準(zhǔn)層樓面恒荷載為1.7kN/m2，活荷載為3kN/m2。

3 結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

辦公塔樓結(jié)構(gòu)平面尺寸為40m×42.7m，結(jié)構(gòu)高寬比約為5.04；核心筒外圍尺寸22m×25m，核心筒高寬比約9.45。典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置見圖3,辦公樓主塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，由外框架和核心筒共同組成抗側(cè)力體系。核心筒采用鋼筋混凝土筒，外框柱主要采用鋼管混凝土柱。結(jié)構(gòu)大屋面以上局部外框柱和核心筒繼續(xù)延伸作為頂部停機(jī)坪的支撐。其中南北面外框架由于貫通空腔在立面上S形的布置導(dǎo)致部分柱及外框梁截?cái)啵瑬|西面外框架為完整框架，結(jié)構(gòu)體系組成如圖4所示。

圖3 典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置圖

本項(xiàng)目最大建筑特色是設(shè)置在南北外立面的貫通全樓的空腔中庭，此處是業(yè)主和建筑師關(guān)注的重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)貫通中庭在立面上的S形造型，南北面的外框架可分為由不落地鋼柱、懸挑鋼梁、落地柱組成的整體空腔框架以及角部的通高框架，并通過剛度優(yōu)化使貫通中庭兩側(cè)的荷載較均勻地傳遞至落地柱。整體空腔框架立面范圍見圖5，6。南北面空腔框架的布置及設(shè)計(jì)原則如下：1)不落地的外框架部分參考空腹桁架的概念進(jìn)行設(shè)計(jì)，梁承載力驗(yàn)算時(shí)考慮軸力，軸力計(jì)算時(shí)不考慮板的剛度；2)貫通空腔的立面外輪廓處設(shè)鋼斜柱，并在不落地柱的根部將鋼斜柱打斷，避免豎向荷載向下逐層累積，造成底部的外框梁無法設(shè)計(jì)；3)在不落地柱的根部區(qū)域加強(qiáng)外框梁，保證抗彎承載力的同時(shí)控制剛度，減小變形；4)不落地柱與核心筒之間的鋼梁在柱端剛接，利用核心筒對空腔框架的豎向支撐作用，進(jìn)一步保證空腔框架的傳力，并減小變形。

圖4 塔樓結(jié)構(gòu)組成示意

圖5 南北立面空腔框架示意圖

圖6 空腔外立面鋼斜柱模型比較示意

為說明空腔外立面鋼斜柱打斷的必要性，對比了鋼斜柱打斷和鋼鋼斜柱連續(xù)兩個(gè)模型。兩個(gè)模型空腔框架底部外框梁在恒荷載+活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的彎矩分別為3 555，6 589 kN·m；外立面鋼斜柱底部的軸力分別為1 548，2 638 kN。

本項(xiàng)目外框柱的外輪廓尺寸均為400×1 000，落地柱采用矩形鋼管混凝土柱，不落地柱為純鋼柱。核心筒貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土材料。豎向構(gòu)件的尺寸如表1所示。

主要豎向構(gòu)件截面尺寸 表1

本項(xiàng)目核心筒外梁均采用鋼梁，標(biāo)準(zhǔn)層外框梁截面(h×b×tw×tf)為H500×300×12×20，核心筒和外框柱之間鋼梁截面為H450×200×9×14，鋼材等級Q345B。樓板采用閉口型組合樓板，標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度為120mm，避難層樓板厚度為150mm。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)如下：1)外框在南北立面無法貫通，需保證外框架豎向傳力的合理性，并且滿足變形要求，不發(fā)生傾覆；2)外框無法貫通對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響；3)南北立面的外框施工方案，構(gòu)件設(shè)計(jì)滿足施工階段受力要求；4)外框無法貫通對結(jié)構(gòu)彈塑性性能的影響。

針對上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)，采取了以下措施：1)詳細(xì)分析了外框的豎向傳力，加強(qiáng)了相關(guān)構(gòu)件以提高空腔框架的豎向剛度；2)對比分析了多個(gè)模型，研究了外框無法貫通對結(jié)構(gòu)整體的影響；3)進(jìn)行了施工模擬分析，根據(jù)施工過程中的受力和變形情況調(diào)整構(gòu)件設(shè)計(jì)；4)進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析，研究塔樓在大震作用下的性能，外框在大震作用下基本保持彈性，核心筒連梁起到了良好的耗能效果。詳細(xì)的分析及對應(yīng)的相關(guān)加強(qiáng)措施見第7節(jié)。

4 塔樓超限項(xiàng)檢查及性能目標(biāo)

根據(jù)《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)〔2003〕46號(hào))和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3](簡稱高規(guī))規(guī)定，項(xiàng)目的主要超限情況如表2所示。

主要超限情況 表2

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)和塔樓在各水準(zhǔn)地震作用下的受力機(jī)理，綜合考慮安全性和建筑使用要求及經(jīng)濟(jì)性，設(shè)定結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)為C級。

本塔樓核心筒高寬比較小，外框相對較弱，核心筒起主要的抗側(cè)作用。所以將底部加強(qiáng)區(qū)核心筒作為關(guān)鍵構(gòu)件，由于南北立面外框局部缺失，將底部落地外框柱也定義為關(guān)鍵構(gòu)件。部分構(gòu)件的性能目標(biāo)如表3所示。

抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo) 表3

5 南北立面空間框架的設(shè)計(jì)

5.1 對整體指標(biāo)的影響

為了研究塔樓南北面外框架局部不連續(xù)對整體結(jié)構(gòu)的影響，采用以下3種模型進(jìn)行分析對比：1)基準(zhǔn)模型：按實(shí)際建筑條件建模，部分外框柱不落地，外框梁在空腔處間斷；2)外框梁閉合模型：在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，外框梁在空腔處拉通，形成外框梁閉合，用以拉通的外框梁截面尺寸與標(biāo)準(zhǔn)層外框梁一致；3)完整外框模型：在基準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，外框梁閉合，將南北向被打斷的外框柱上下相連，且貫通落地后，底部區(qū)域柱截面尺寸與東西向框架柱基本一致。

外框柱截面較小，同時(shí)外框梁采用鋼梁，以上3種模型的總質(zhì)量相差較小，完整外框模型較基準(zhǔn)模型的總重量增加不到0.3%，且3種模型構(gòu)件截面基本一致，這是3種模型可以進(jìn)行整體指標(biāo)對比的基礎(chǔ)。3種模型的周期對比如表4所示，最大層間位移角對比如表5所示。

周期對比 表4

最大層間位移角對比 表5

由表4,5可知，外框的局部缺失對整體剛度的影響較小，即使是完整的外框模型，周期較基準(zhǔn)模型也僅減小0.04s，將近1%；最大層間位移角也僅減小約6%?？梢婋m然S形的空腔將多根外框柱打斷，由于空腔的寬度并不大，對每層來說僅有1根外框柱缺失，且核心筒較強(qiáng)，核心筒承擔(dān)了主要的抗側(cè)作用。所以南北面外框柱局部不落地對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響不大。

3種模型外框的基底剪力及傾覆力矩占整體模型的比值見表6。

小震下外框基底剪力和傾覆力矩占比 表6

由表6可知，3種模型的外框的基底剪力和傾覆力矩的占比差別都較小;Y向的基底剪力占比基本相同。而且3種模型的核心筒承擔(dān)了絕大部分的基底剪力和大多數(shù)的傾覆力矩。

5.2 空間框架的豎向傳力機(jī)制

整個(gè)結(jié)構(gòu)的豎向傳力體系可分為3個(gè)部分：核心筒、通高框架和空腔框架，如圖7所示。其中空腔框架通過落地的外框柱，承擔(dān)豎向力。

圖7 豎向力傳力體系示意

基準(zhǔn)模型和完整外框模型的豎向傳力體系的占比如表7所示。由表7可知，空腔部分的結(jié)構(gòu)方案對整體豎向力分布的影響程度約為2%[4]。

基準(zhǔn)模型整體結(jié)構(gòu)在恒荷載+活荷載作用下的豎向力為1 375 000kN，也就是說，相比于外框柱全落地的完整外框模型，現(xiàn)有的空腔框架基準(zhǔn)模型少傳遞了15 000kN的豎向力，這部分豎向力有一半通過核心筒傳給了基礎(chǔ)，一半通過通高框架部分傳給了基礎(chǔ)。接下來分析這15 000kN的豎向力是如何傳遞給核心筒和通高框架的。

豎向傳力體系占比 表7

圖8 空腔框架結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖9 外框柱編號(hào)示意圖

空腔框架結(jié)構(gòu)組成示意如圖8所示，空腔框架通過立面上的框架梁和剖面上的框架梁通過懸挑作用，將豎向力傳給通高框架和核心筒。將核心筒與空腔框架之間的梁在柱端按剛接設(shè)計(jì)，并對這些立面上和剖面上的框架梁進(jìn)行加強(qiáng)以提供足夠的豎向剛度支撐空腔框架，減少空腔框架的豎向變形。

根據(jù)空間框架傳力的特點(diǎn)，對以下外框柱做加強(qiáng)：1)南北側(cè)框架的通高框架柱C8，C3底部(位置見圖9)；2)角部通高的框架柱C2，C9底部；3)通高框架柱C3對應(yīng)空腔框架的根部，在第一個(gè)空中大堂處。加強(qiáng)措施為增加矩形鋼管混凝土柱的壁厚，并提高鋼材強(qiáng)度至Q390。對空腔框架的根部的外框梁也進(jìn)行加強(qiáng)，采用箱形梁，且鋼材強(qiáng)度取Q390。

6 外框架施工方案

由于貫通全樓的空腔立面上呈S形，造成多根外框柱被截?cái)?，且截?cái)帱c(diǎn)的立面高度各不相同，對外框的施工影響較大。為保證空腔框架的受力模式和設(shè)計(jì)分析一致，采用MIDAS Gen軟件對外框柱進(jìn)行了施工模擬分析。

為保證外框架從下到上施工，需每個(gè)工序均設(shè)置臨時(shí)支撐，共設(shè)置6道臨時(shí)支撐，然后再從上到下依次拆除，施工次序如圖10所示。圖中Z1～Z6表示臨時(shí)支撐。

圖10 施工次序示意圖

根據(jù)以上的施工方案及初步的施工計(jì)劃，將整個(gè)施工過程劃分為235個(gè)階段，進(jìn)行詳細(xì)的施工模擬分析。對施工過程中的變形進(jìn)行分析，得到的空腔框架柱施工各階段的變形示意如圖11所示。由圖可知，在拆完最后一道臨時(shí)支撐Z1后，結(jié)構(gòu)的豎向變形最大，最大點(diǎn)發(fā)生在空腔框架處。同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注施工過程中空腔框架的框架柱變形。分析結(jié)果表明，空腔框架中間懸挑最遠(yuǎn)處的柱(P41)在拆撐時(shí)變形會(huì)較大幅度增加，總的變形值為84mm[5]。

對臨時(shí)支撐在施工階段的受力進(jìn)行詳細(xì)分析，臨時(shí)支撐在主體結(jié)構(gòu)完成或者拆撐時(shí)內(nèi)力最大。各臨時(shí)支撐最大內(nèi)力發(fā)生的施工階段如表8所示。此外，對施工過程中特別是拆撐時(shí)塔樓構(gòu)件的受力進(jìn)行了復(fù)核，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

各臨時(shí)支撐最大內(nèi)力發(fā)生的施工階段 表8

圖11 空腔框架柱施工各階段的變形示意

7 結(jié)構(gòu)彈塑性分析

為了研究結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的性能，本項(xiàng)目采用LS-DYNA軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下非線性動(dòng)力時(shí)程分析。

為確保LS-DYNA非線性結(jié)構(gòu)模型在構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段工作之前，該模型動(dòng)力特性與彈性的PKPM模型相一致，采用了LS-DYNA求解特征值的功能，得到了LS-DYNA模型小變形、小應(yīng)變的周期和振型。在求解特征值的分析中，構(gòu)件的剛度值取其初始的彈性剛度。表9給出了LS-DYNA模型和PKPM模型前3階振型的周期。由表可知，兩個(gè)模型的動(dòng)力特性基本一致。

結(jié)構(gòu)周期/s 表9

在選用3條地震波(天然波1、天然波2和人工波)進(jìn)行地震作用分析，地震作用下塔樓的層間位移角曲線如圖12所示(計(jì)算包括頂部小塔)。由圖12可知，塔樓最大層間位移角：X向?yàn)?/165，Y向?yàn)?/162，滿足高規(guī)對層間位移角的要求。由圖還可看出，在核心筒收進(jìn)區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度有所削弱，對該區(qū)域的加強(qiáng)措施是必要的。

圖12 地震作用下層間位移角曲線

從塔樓各主要構(gòu)件在大震下的響應(yīng)情況(圖13～15，圖中Elastic≤0.8θy,IO≤θy,CP≤11θy,Damage>θy,θy為鋼梁屈服轉(zhuǎn)角，余同)來看，外框柱、梁在大震作用下保持彈性，可以滿足大震作用下部分中度損壞的性能水準(zhǔn)。南北立面空腔框架部分在大震下同樣保持彈性。連梁作為耗能構(gòu)件，在大震作用下絕大多數(shù)進(jìn)入塑性，充分起到耗能作用。且連梁先于墻破壞，符合抗震設(shè)計(jì)概念。部分連梁塑性轉(zhuǎn)角達(dá)到LS，其余大部分都在IO范圍內(nèi)，滿足中度破壞，部分嚴(yán)重破壞塑性轉(zhuǎn)角θ< CP的性能目標(biāo)。

本項(xiàng)目核心筒為主要的抗側(cè)力體系，對核心筒在大震作用下的性能進(jìn)行了重點(diǎn)分析。由圖16可知，剪力墻混凝土在大震作用下受壓小于峰值壓應(yīng)變，停機(jī)坪收進(jìn)處局部壓應(yīng)變較大，但仍小于混凝土的極限壓應(yīng)變。剪力墻分布鋼筋基本保持彈性，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻豎向分布筋的拉應(yīng)力包絡(luò)如圖17所示。底部加強(qiáng)區(qū)僅有局部靠近連梁處的剪力墻豎向分布筋達(dá)到屈服應(yīng)變，但沒有超過鋼筋極限應(yīng)變。核心筒在大震作用下仍然能起到承擔(dān)豎向力和抵抗側(cè)向力的作用。

圖13 外框柱塑性鉸開展情況

圖14 南北立面外框梁塑性鉸開展情況

圖15 核心筒連梁塑性鉸開展情況

圖17 底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻豎向分布鋼筋拉應(yīng)變包絡(luò)

8 結(jié)論

本項(xiàng)目已于2012年4月通過了超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì)的審查，目前塔樓已經(jīng)結(jié)構(gòu)封頂。主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下：

(1)為充分實(shí)現(xiàn)建筑效果，南北立面上的外框被空腔打斷，對外框進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并考慮了施工模擬，空腔框架的受力及變形滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)對基準(zhǔn)模型、外框梁閉合模型、完整外框模型進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了本項(xiàng)目采取了相應(yīng)的加強(qiáng)措施后，空腔對結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)性能的影響較小。核心筒高寬比較小，為主要的抗側(cè)力構(gòu)件。

(3)由于外框不連續(xù)，對施工影響較大，外框施工時(shí)需沿立面設(shè)置6組臨時(shí)支撐，并進(jìn)行了詳細(xì)的施工模擬分析，復(fù)核了臨時(shí)支撐及主體結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力及變形，滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)施工過程中需加強(qiáng)監(jiān)測，拆撐時(shí)應(yīng)逐步卸載，避免一次卸載量過大造成較大的動(dòng)力效應(yīng)。

(4)在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角和構(gòu)件破壞程度均滿足要求。塔樓滿足性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。本項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能目標(biāo)，結(jié)構(gòu)安全可靠。