南充綠地中心超高層結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

陳 繼 偉

(上海聯(lián)創(chuàng)設(shè)計集團股份有限公司，上海 200093)

1 工程概況

本項目位于四川省南充市順慶區(qū)，由1幢超高層主塔樓、4幢百米高層辦公樓、3層商業(yè)裙房組成，總面積約43.7萬m2。主塔樓為辦公樓，建筑面積約9.3萬m2，地下2層，地上45層，其中11層、24層、37層為避難層，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2 m，避難層層高5.1 m，首層層高10.2 m，屋面結(jié)構(gòu)高度為198.9 m，建筑總高度為238 m，屋頂塔冠高39.1 m，基礎(chǔ)埋深12.5 m。主塔樓與裙房地上通過抗震縫脫開。建筑效果圖及剖面圖見圖1。

本工程已于2014年完成初步設(shè)計，2015年完成施工圖設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

塔樓結(jié)構(gòu)安全等級為二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。單體建筑面積超8萬m2，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，根據(jù)《四川省建設(shè)工程抗御地震災(zāi)害管理辦法》的規(guī)定塔樓抗震設(shè)防烈度取6度，設(shè)計基本地震加速度取0.05g，地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。50年一遇基本風(fēng)壓為0.30 kPa，地面粗糙度類別為C類。結(jié)構(gòu)風(fēng)壓高度變化系數(shù)、體型系數(shù)等均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值。

3 基礎(chǔ)設(shè)計

塔樓總質(zhì)量約14.3萬t，底板底埋深12.5 m，根據(jù)《勘察報告》的建議并結(jié)合南充地區(qū)的土質(zhì)條件，綜合安全、經(jīng)濟、施工難度、周期、上部荷載及變形控制等因素，決定采用大直徑旋挖灌注樁。樁端持力層微風(fēng)化泥巖，樁徑1.2 m，擴大頭直徑1.6 m，樁長39 m，樁間距不小于3.6 m，單樁承載力1 400 t，筏板厚2.7 m。為減小塔樓與周邊地下室的差異沉降、降低筏板的應(yīng)力并減薄筏板厚度，采用變剛度設(shè)計原理，采用核心筒內(nèi)滿堂布樁、外框柱下集中布樁的方式，基礎(chǔ)平面布置圖如圖2所示。

4 結(jié)構(gòu)方案選型

結(jié)構(gòu)高寬比是超高層建筑中影響造價的關(guān)鍵因素，適當(dāng)?shù)母邔挶瓤杀苊饪箓?cè)剛度過小，本項目因建筑高度與開發(fā)體量要求，單層面積約1 920 m2，平面尺寸43.5 m，等效高寬比5.47較小，核心筒平面尺寸為19.9 m×22.8 m，高寬比10.5，有效地提升了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。根據(jù)中國高層建筑委員會對我國超高層結(jié)構(gòu)體系的統(tǒng)計結(jié)果，200 m左右的超高層建筑，一般采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)[1,2]，可根據(jù)高寬比、烈度需要設(shè)置一定數(shù)量的加強層。因此結(jié)合建筑布置，初步選擇稀柱鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)方案。

4.1 純混凝土結(jié)構(gòu)與混合結(jié)構(gòu)的選擇

初步計算結(jié)果見表1，根據(jù)初步計算結(jié)果，由于混凝土結(jié)構(gòu)有足夠的整體剛度，如采用混合結(jié)構(gòu)方案，則必須加強截面，加大抗側(cè)剛度，反而會造成更大的鋼材浪費。項目地處三級城市，混合結(jié)構(gòu)施工要求較高、難度相對較大，對工期反而不利。而且后期維護、防火、使用舒適度方面均不如純混凝土結(jié)構(gòu)方案。

表1 主要結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)對比

4.2 設(shè)置加強層的考慮

塔樓結(jié)構(gòu)在不設(shè)置任何加強層時，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均可滿足高規(guī)限值要求。為減少結(jié)構(gòu)自重降低投資，本文通過設(shè)置加強層，分析其對結(jié)構(gòu)剛度的影響，旨在通過減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，進而論證是否有必要設(shè)置加強層。

根據(jù)高規(guī)[3]10.3，當(dāng)結(jié)構(gòu)需要增設(shè)加強層來提高結(jié)構(gòu)剛度時，應(yīng)合理設(shè)計加強層的數(shù)量、剛度及豎向位置。本文結(jié)合建筑功能，利用24層，37層避難層和設(shè)備層，設(shè)置兩道加強層。為減少伸臂桁架對建筑的影響，加強層采用環(huán)桁架。如表2所示，與不設(shè)置環(huán)桁架加強層結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下X向最大層間位移角由1/1 567減小為1/1 761，結(jié)構(gòu)X向剛度提高了約12%。結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用下Y向最大層間位移角由1/1 471減小為1/1 587，結(jié)構(gòu)Y向剛度提高了約8%。與不設(shè)置環(huán)桁架加強層結(jié)構(gòu)相比，標(biāo)準(zhǔn)層核心筒剪力墻均減薄，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量減少約1%。

表2 主要結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)對比

由于設(shè)置加強層會造成結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，對結(jié)構(gòu)抗震較不利，需對加強層及相鄰上下層梁板柱加強設(shè)計。且加強層采用鋼結(jié)構(gòu)，為保證構(gòu)件連接，導(dǎo)致上部外框架豎向構(gòu)件均需采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，對降低投資反而不利。故本工程最終不采用帶加強層方案。

5 結(jié)構(gòu)體系

經(jīng)多方案比選，塔樓結(jié)構(gòu)體系采用鋼筋混凝土框架—核心筒，核心筒作為塔樓主要抗側(cè)力構(gòu)件，核心筒周邊墻體厚度隨樓層高度增加不斷向內(nèi)收進，核心筒外墻厚度從底部的700 mm逐步縮小至頂部的350 mm，確保了連續(xù)均勻的剛度變化和適宜的壓、剪應(yīng)力水平。筒內(nèi)剪力墻厚度從底部350 mm/300 mm逐漸減小至頂部200 mm，底部若干層核心筒內(nèi)剪力墻通過增加翼緣墻肢，保證墻體穩(wěn)定。核心筒承擔(dān)了主要的水平荷載，為結(jié)構(gòu)提供了很大的側(cè)向剛度，其抗震等級二級。

外圍框架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，框架柱結(jié)合建筑品質(zhì)和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理性的綜合考慮，在四邊采用矩形截面柱，柱截面自下而上變化范圍為1 100×1 100～600×600，角部采用圓形柱，截面范圍D1 200～D700，底層由于層高較高，為控制豎向剛度均勻，首層柱加大截面，考慮首層作為大堂，結(jié)合建筑觀感采用圓柱，柱截面D1 500。外圍柱距7.5 m～8 m?？紤]到外框柱作為二道防線的重要性，為增加結(jié)構(gòu)延性，同時合理減小柱截面、增加使用面積，設(shè)計中對底部十層框架柱采用內(nèi)置十字鋼骨的型鋼混凝土柱。

框架梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁，主要截面：外周框架梁截面主要為400×800，徑向框架梁截面主要為300×800，次梁截面主要為250×750。由于首層層高較大，為了使結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻，避免結(jié)構(gòu)底層薄弱層，二層樓面框架梁截面加大至600×1 300(外圈600×1 600)。標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見圖3。

塔樓43層以上至屋頂及塔冠四角向?qū)欠较騼A斜，塔冠屋頂層相對于底層，每邊均向內(nèi)退2.51 m。

塔冠高39.1 m，塔冠采用自重較輕的空間鋼桁架體系，桁架截面高約5 m～3.5 m，為保證建筑立面分隔，豎向桁架每4.2 m高設(shè)置一道水平封閉桁架，設(shè)計為保證豎向桁架平面外穩(wěn)定，對其隔層設(shè)置支撐桿與斜撐。塔冠第二層設(shè)置支桿與核心筒小屋面連接。塔冠外側(cè)鋼柱落在屋頂混凝土框架柱上，內(nèi)側(cè)鋼柱落在主體混凝土框架梁上。立面桁架與塔冠平面布置如圖4所示。外圍水平桿截面采用矩形鋼管250×300×10，其余水平桿φ203×6～10，桁架立柱φ450×18，桁架腹桿φ180×6～8。

6 結(jié)語

1)6度區(qū)200 m左右的超高層建筑，一般采用鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)可滿足規(guī)范剛度需求。如采用混合結(jié)構(gòu)，需根據(jù)剛度需要加強構(gòu)件設(shè)置，造成鋼材浪費。

2)鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)，設(shè)置環(huán)桁架一般可提高結(jié)構(gòu)剛度10%左右。6度區(qū)200 m左右的超高層建筑，當(dāng)剛度滿足計算需求時，可不設(shè)置加強層，從而避免設(shè)置加強層導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向突變及抗震構(gòu)造的復(fù)雜性。