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金圓大廈超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計 賴艷芳 中元( 廈門) 工程設(shè)計研究院有限公司,，福建廈門361004 [摘要] 廈門金圓大廈項目采用鋼管混凝土鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系,，主塔樓高度為215m，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,、樓板不連續(xù),、帶加強(qiáng)層剛度突變、核心筒立面收進(jìn)豎向不連續(xù),、底層大堂躍層柱等5項不規(guī)則,，屬于超限高層。介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計措施,、抗震性能設(shè)計要求,，進(jìn)行了多遇地震下的反應(yīng)譜計算和罕遇地震下的彈塑性分析，開展了環(huán)帶桁架加強(qiáng)層設(shè)計,、施工模擬分析,、塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計等多項分析工作。計算結(jié)果表明項目結(jié)構(gòu)方案合理可行,，可實現(xiàn)預(yù)定的性能目標(biāo),，具有良好的抗震性能。 [關(guān)鍵詞] 超限高層建筑,；框架—核心筒結(jié)構(gòu),；結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 工程概況 金圓大廈位于廈門市湖里區(qū)兩岸金融中心片區(qū)，由1棟45層超高層辦公樓及3～6層附屬配套建筑組成，大屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高208.5m,，塔冠頂標(biāo)高215m,，地上建筑面積9.1萬㎡，地下4層,，地下建筑面積2.7萬㎡,。首層層高6.8m，2~3層層高6m,，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m,，避難層層高5.5m。首層和2層主樓區(qū)域為躍層大堂,，躍層高度為12.8m,。 設(shè)計使用年限50年，建筑抗震設(shè)防類別為乙類,，安全等級為一級,，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，場地類別Ⅲ類,，抗震設(shè)防烈度為7度,，設(shè)計基本地震加速度0.15g，設(shè)計地震分組為第三組,，特征周期0.65s,。50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓0.8kPa，臨近海邊,，地面粗糙度取A類,。 2 結(jié)構(gòu)體系 塔樓高度215m，超過《高層建筑砼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]B級高度180m的限值,，采用鋼管混凝土鋼框架-現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu),，由于水平荷載較大，為提高抗側(cè)剛度,、控制位移,，結(jié)合避難層位置在28層、41層設(shè)置環(huán)帶桁架加強(qiáng)層[2],。為建筑功能需求,，塔樓角部取消了結(jié)構(gòu)柱，在加強(qiáng)層外周設(shè)置環(huán)帶桁架后,，各外框架柱承受的軸力更加均勻化,，大大改善了“剪力后滯”的效應(yīng)[3]。主體結(jié)構(gòu)三維模型見圖1,。 現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒內(nèi)置型鋼,，低區(qū)的平面尺寸為19.4m×20m,，核心筒的高寬比為11.1；在第20層核心筒收進(jìn),，平面尺寸變?yōu)?/span>16.0m×20m,。從底到頂，核心筒外圍剪力墻厚度從1200mm變截面到800mm,。外框結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土柱,、鋼框梁及環(huán)帶桁架構(gòu)成。外框柱距9.6m,，由于角部抽柱,，懸挑長度達(dá)7.9m。塔樓每側(cè)4根圓鋼管混凝土柱,，截面從首層1700mm×40mm變截面至1000mm×30mm,。
圖1 地上結(jié)構(gòu)三維模型圖 主樓核心筒內(nèi)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，核心筒外及裙房采用鋼筋桁架樓承板和鋼梁,，采用鋼筋桁架樓承板和鋼梁,。加強(qiáng)層上下樓板厚度取200㎜，樓板混凝土強(qiáng)度等級C40,。核心筒變平面的20層樓板厚度取150㎜,，其余標(biāo)準(zhǔn)層板厚樓板厚度取120㎜。圖2為標(biāo)準(zhǔn)樓層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖,。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面示意圖 3 整體彈性分析 3.1小震彈性 結(jié)構(gòu)分析采用YJK及ETABS兩種軟件進(jìn)行整體對比驗證,，計算結(jié)果基本吻合。塔樓地上結(jié)構(gòu)恒載與活載的總質(zhì)量141542.2t,，平均質(zhì)量約1.830t/㎡。除避難層,、底部裙房及頂部出屋面層外,，樓層質(zhì)量沿高度的分布比較均勻，無異常突變,，如圖3,。
圖3 層質(zhì)量分布圖 塔樓X向及Y向前48階有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%?？紤]扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時振動周期,，第一周期T1=4.9407s為X向平動，第二周期T2=4.6091s為Y向平動,，第三周期T3=2.6739s為扭轉(zhuǎn),。第一扭轉(zhuǎn)振型與第一平動振型的周期比為0.54，小于高規(guī)[1]對B級高度高層建筑0.85的要求,。 地震作用下的層間位移角見圖4,，YJK與ETABS的計算結(jié)果樓層最大層間位移角均滿足規(guī)范1/592的限值要求,。彈性時程分析所得的樓層剪力、層間位移角與反應(yīng)譜結(jié)果規(guī)律基本吻合,，也證明反應(yīng)譜法計算結(jié)果合理,。
圖4 地震作用下的位移角 值得注意的是，本項目的全部樓層框架承擔(dān)的地震剪力均大于分段總剪力的8%（見圖5）,，這在超高層項目的設(shè)計中較為少見,，究竟其原因，在于塔樓核心筒的尺寸相對較小,，特別到了19層核心筒平面還收進(jìn),，平面尺寸減少到16.0m×19.8m，剛度較小,，相應(yīng)的也減少了對外框的需求,，雖然外框柱每側(cè)僅4根，也較容易達(dá)到《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》[4]不宜低于5%的限值,。
圖5 樓層剪力分布圖 3.2風(fēng)荷載 本項目塔樓高度215m大于規(guī)范要求200m,，周邊地形和環(huán)境較復(fù)雜[1]，臨界地塊是超高層建筑群,，且面臨大海,，業(yè)主委托中國建研科技股份有限公司的實驗室做了風(fēng)洞試驗確定建筑物的風(fēng)荷載。圖6可以看出風(fēng)洞風(fēng)荷載作用下,，基底剪力隨風(fēng)向角的變化,，X向基底剪力最大發(fā)生在310度方向，Y向基底剪力最大發(fā)生在0度方向[5],。
圖6 風(fēng)洞試驗各風(fēng)向角等效靜力風(fēng)荷載（0度為-Y向） 風(fēng)洞試驗給出的風(fēng)荷載明顯小于規(guī)范值,，層間位移角和層剪力也均明顯小于規(guī)范風(fēng)荷載值，但無論風(fēng)洞風(fēng)荷載還是規(guī)范風(fēng)荷載的作用下,，最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/592,，如圖7所示。其原因主要是本建筑周邊存在數(shù)量較多的高層及超高層建筑,，對來流風(fēng)具有一定的遮擋效應(yīng),。 風(fēng)荷載下的底部剪力X向、Y向均為3.2萬kN,，地震下的底部剪力X向,、Y向均為3.1萬kN，較為接近,。風(fēng)荷載下的傾覆彎矩X向,、Y向均為3.9×106kN.m，明顯大于地震下的傾覆彎矩X向,、Y向均為3.2×106kN.m,。風(fēng)荷載還是為控制工況,。
圖7 風(fēng)洞試驗風(fēng)荷載與規(guī)范風(fēng)荷載下位移角對比 結(jié)構(gòu)舒適性驗算取10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.5kPa，阻尼比取0.02,。風(fēng)致結(jié)構(gòu)頂點加速度最大值0.2m/s2,，滿足《高規(guī)》[1]對辦公0.25 m/s2的要求。 3.3整體穩(wěn)定分析 結(jié)構(gòu)的屈曲與荷載分布模式密切相關(guān),。本項目采用ETABS軟件對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性屈曲分析,，所采用荷載工況為1.0恒+1.0活。見圖8所示,，前3階的屈曲因子均大于10,，結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下具有較好的穩(wěn)定性。
圖8 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析前3階屈曲因子 3.4躍層空間加強(qiáng)分析 塔樓1層~3層作為挑空大堂,，躍層柱高12.8m,，主樓16根外框柱共有10根躍層，占總數(shù)的62.5%,，屬豎向不規(guī)則,。由于周邊沒有樓板約束，長度較大,，躍層柱的剪切剛度較小,，分配到的地震剪力也相對較小,；其余的主樓柱和裙房柱的長度較小,，剪切剛度較大，承擔(dān)了較大的地震剪力,，普通柱首先出現(xiàn)塑性鉸剛度退化而引起躍層柱地震剪力重分布,，不低估并準(zhǔn)確計算躍層柱受力影響到結(jié)構(gòu)的安全。 結(jié)構(gòu)整體屈曲計算中均未能找出塔樓底部躍層柱的局部屈曲模態(tài),。計算采用在躍層柱頂部施加單位力的方式求解躍層柱屈曲因子,，見圖9，根據(jù)歐拉臨界力換算,，可反推計算長度系數(shù)
圖9 躍層柱頂部施加單位力 除在整體計算時按柱中震彈性復(fù)核躍層柱的承載力外，還補(bǔ)充以下分析：刪除不相干的裙房部分,，僅保留塔樓的模型,，按正常柱調(diào)整其承擔(dān)的地震剪力,，并相應(yīng)調(diào)整其彎矩。保證每根穿層柱所受的剪力應(yīng)至少取相應(yīng)樓層框架部分承受剪力的平均值的1.2倍,。 4 動力彈塑性分析 采用了SAUSAGE選用2組天然波和1組人工波對塔樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震下彈塑性分析,，X向最大頂點位移為1014mm，最大層間位移角為1/137（14層）,；Y向最大頂點為901mm,，最大層間位移角為1/157（35層），滿足“大震不倒”1/100限值的要求,。大部分連梁發(fā)生受壓損傷且縱筋屈服形成了鉸機(jī)制,，說明形成了連梁塑性耗能機(jī)制；剪力墻墻肢混凝土受壓損傷較小,，底部加強(qiáng)區(qū)部分暗柱縱筋或鋼骨屈服,，墻體的塑性損傷較小。受壓損傷較大區(qū)域均為剪壓或彎壓關(guān)鍵部位,，損傷分布符合其受力特點和傳力機(jī)理,，最大應(yīng)變與屈服應(yīng)變比見圖10。外框柱混凝土受壓損傷微小,，外框柱鋼管均未屈服,，加強(qiáng)層腰桁架僅個別弦桿接近屈服，處于彈性工作狀態(tài),，本工程是能夠滿足既定的性能化目標(biāo)的要求,。
X向地震X向墻體 Y向地震Y向墻體 圖10 核心筒剪力墻墻肢最大應(yīng)變與屈服應(yīng)變比圖 5環(huán)帶桁架加強(qiáng)層設(shè)計 本工程塔樓核心筒較小，且在20層X向核心筒收進(jìn),，X向整體抗彎剛度不足,，如不設(shè)置加強(qiáng)層，最大層間位移角出現(xiàn)在墻體收進(jìn)的樓層區(qū)間,，風(fēng)荷載控制下的層間位移角不能滿足規(guī)范要求,。初設(shè)時做了2種加強(qiáng)層方案比選：帶環(huán)帶桁架加強(qiáng)層、帶伸臂桁架加強(qiáng)層,；顯然帶伸臂桁架加強(qiáng)層的方案對減小側(cè)移的效果更為顯著,，但造成幾個難題：①環(huán)帶桁架屬“有限剛度”加強(qiáng)[6]，而伸臂桁架的結(jié)構(gòu)剛度和樓層應(yīng)力突變更大些,，地震反應(yīng)也較大,，上下樓層易產(chǎn)生薄弱層效應(yīng)；②伸臂桁架貫穿核心筒,，與墻體連接構(gòu)造復(fù)雜,，施工難度較大；③避難層也是設(shè)備轉(zhuǎn)換層,，伸臂桁架的存在影響建筑空間的使用,； 基于以上因素,，選擇整層高（5.4m）的環(huán)帶桁架加強(qiáng)層方案，滿足了增加抗側(cè)剛度減小結(jié)構(gòu)位移的需求,，且豎向剛度變化相對柔和,，還給設(shè)備提供了開闊的使用空間。經(jīng)計算比較,，結(jié)合避難層的位置,，加強(qiáng)層設(shè)置在28層（0.6H）與37層（0.8H）對于增加整體剛度最為高效。 環(huán)帶桁架和加強(qiáng)層樓板形成“虛擬伸臂”[6]的受力機(jī)理,，樓板肩負(fù)聯(lián)系核心筒及環(huán)帶桁架,，分配側(cè)向力和協(xié)調(diào)變形的重?fù)?dān)，設(shè)計中應(yīng)保證中震下不屈服的性能目標(biāo),。
圖11 中震下樓板面內(nèi)最大軸力分布圖 28層,、29層、37層,、38層作為加強(qiáng)層,，板厚增加200㎜，混凝土強(qiáng)度等級C40,，中震下復(fù)核樓板最小壓應(yīng)力σmin水平約為3～5MPa,，基本滿足中震抗剪截面剪壓比要求。分析中震下樓板面內(nèi)軸力分布圖（見圖11）可知,，各加強(qiáng)層樓板大多數(shù)部位軸向應(yīng)力分布較均勻,，少數(shù)部位軸向應(yīng)力較大，需要特別加強(qiáng),。最大軸力出現(xiàn)在28層,，絕大多數(shù)部位面內(nèi)設(shè)計軸力為825kN/m，板的上下表面計算配筋各為1031mm2/m（實配14@100,，1539mm2）,；加強(qiáng)層樓板還采用以下加強(qiáng)措施：雙層雙向通長配筋，板底設(shè)水平鋼支撐（H250x250x16x16） 環(huán)帶桁架在塔樓結(jié)構(gòu)受力中類似整層高的外框深梁,，只因桁架空腹,，剛度相對實腹梁較為有限。當(dāng)與大尺度的外框柱匹配時是可以視為加強(qiáng)層提高整體剛度,。作為塔樓結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件,，環(huán)帶桁架的性能化目標(biāo)是中震彈性，考慮震后加強(qiáng)層樓板剛度退化環(huán)帶桁架的可靠度,，取板厚“0”按中震彈性復(fù)核環(huán)帶桁架桿件應(yīng)力比不大于0.8,。 6 施工模擬分析 高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)在整個施工過程中是一個時變體系,，整個結(jié)構(gòu)是逐層施工完成的,，其豎向剛度和豎向荷載也是逐層形成和施加的,，這種情況與結(jié)構(gòu)剛度一次形成、豎向荷載一次施加的計算方法（簡稱一次加載）存在較大差異,。不考慮混凝土收縮徐變時,，本項目考慮階段施工影響的墻柱豎向變形約20～30mm。墻柱豎向變形差在施工階段約為4mm,，使用階段約為9mm,。考慮收縮徐變影響,，不同的時間軸上墻柱的變形： ①施工結(jié)束時,，墻柱變形差最大值為9.57mm（11層）；②使用1年后,，墻柱變形差最大值為9.96mm（11層）,；③使用10年后，墻柱變形差最大值為23.91mm（47層）,。 收縮徐變產(chǎn)生的豎向變形差會使梁固端附加彎矩增大15%～50%（見圖12）,，這在構(gòu)件設(shè)計中予以考慮。
圖12 收縮徐變對桿端彎矩的影響 混凝土收縮徐變引起的混凝土累積豎向變形在豎向構(gòu)件變形中占的比例較大,。至施工完畢時,，核心筒筒體徐變變形占總變形的比例達(dá)到35% 以上。需要在施工階段對構(gòu)件的長度進(jìn)行精確控制,，補(bǔ)償收縮徐變帶來的額外變形,，這對施工單位的施工經(jīng)驗和施工水平要求較高。 7塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計 塔冠會客廳從樓面標(biāo)高192.4m至屋面標(biāo)高213m,，共20.6m的高度,，是全樓景觀最好的空間，打造高品質(zhì),、開闊的視野是建筑師的需求,，要求原本受力良好的外框柱截止到會客廳樓面，不再往上延伸,，見圖13,。但應(yīng)造型需求的“盆式屋頂”還有大型擦窗機(jī)、軌道,、儲藏及各設(shè)備間等重型荷載,，給結(jié)構(gòu)師提出了較大的挑戰(zhàn)，也是超限審查時專家關(guān)注的重點之一,。
圖13 塔冠會客廳剖面圖 圖14 構(gòu)造柱銷軸做法
圖15 屋面懸挑桁架及平面桁架布置圖 結(jié)構(gòu)方案在塔樓屋頂布置4榀懸挑桁架,，為保證桁架的整體穩(wěn)定，結(jié)合建筑功能和造型要求，懸挑桁架頂部設(shè)置平面桁架,，外立面通高幕墻的構(gòu)造柱也是抗風(fēng)柱（H450×700×16×40）鉸接在外邊梁形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體（見圖14）,。 在塔冠屋面的結(jié)構(gòu)體系中，懸挑桁架承擔(dān)核心筒外的所有荷載,，包括會客廳20.6m高的通高幕墻,。平面桁架類似一個“剛片”約束懸挑桁架平面外的位移。幕墻構(gòu)造柱布置只與建筑幕墻分割的位置有關(guān),，柱頂和柱底通過銷軸的做法（見圖15）鉸接在平面桁架外圍鋼梁和會客廳樓面結(jié)構(gòu)梁上,，其不承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載豎向荷載?？紤]到塔冠核心筒縮進(jìn)較多,，墻體消弱、外框柱截斷等因素引起的“鞭梢效應(yīng)”影響,，還做了取消和保留會客廳外圍幕墻構(gòu)造柱2工況下的包絡(luò)計算[7],。 8 結(jié)論 本項目除高度超限外，項目還存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,、樓板不連續(xù),、帶加強(qiáng)層引起的剛度突變、核心筒立面收進(jìn)引起的豎向不連續(xù),、底層大堂12.8m高穿過3層空間的躍層柱,，共計5項不規(guī)則。設(shè)計時針對結(jié)構(gòu)自身特點,，制訂相應(yīng)的抗震性能化設(shè)計目標(biāo),，進(jìn)行了彈性及彈塑性分析，結(jié)果表明,，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期性能要求,。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程: JGJ 3—2010[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011. [2] 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點:建質(zhì) [2015] 67號[S]．北京: 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng) 建設(shè)部, 2015． [3] 建筑抗震設(shè)計規(guī)范: GB 50011—2010[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010. [4] 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點. 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建質(zhì)[2015]67號. [5] 廈門金圓大廈風(fēng)洞試驗報告.中國建研科技股份有限公司，2020. [6] 寧波綠地中心超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計,，哈敏強(qiáng),，《建筑結(jié)構(gòu)》2015年第7期 [7] 廈門市金圓大廈（2018G03地塊）工程設(shè)計抗震專項審查專家組意見，2020. |
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