哈爾濱富力中心結構設計中的若干問題處理

閆 鋒

（華東建筑設計研究院有限公司，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 塔樓地上部分設置結構縫與裙房分開，T2、T3 與裙房連為一體。整個項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。

在結構超限審查時哈爾濱的抗震設防烈度為6度，50年一遇基本風壓為0.55 kN/m2。T1塔樓基礎底板厚度為3.0 m，采用樁端樁側后注漿鉆孔灌注樁，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)域的典型基礎底板厚度為0.7 m，柱下設置尺寸較大的承臺，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塔樓的結構選型

綜合考慮建筑布置、結構高度、抗震設防烈度、基本風壓等方面的因素，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)帶桁架結構體系［1］。結合建筑避難層位置，在36層和48層設置了兩道環(huán)帶桁架。環(huán)帶桁架上下弦所在樓板加厚到180 mm，配筋也進行了加強。在結構選型的過程中，對比了是否設置伸臂桁架對于低區(qū)框架梁截面、環(huán)帶桁架截面、風荷載下結構最大層間位移角、工期的影響，見表1。對比后放棄設置伸臂桁架，通過適當加大低區(qū)樓層框架梁截面、適當加大環(huán)帶桁架桿件截面，來滿足結構的性能要求，從而達到了方便施工、減少工期的效果［2］。T1 塔樓典型結構平面布置見圖2，結構計算模型示意見圖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 是否設置伸臂桁架的對比Table 1 Case comparison with/without the outrigger trusses

圖2 T1塔樓典型結構平面圖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算不出來，計算出的弦桿應力比將小于實際應力比。構件承載力設計時環(huán)帶桁架上下弦所在加強層樓板設置為彈性樓板，并且樓板剛度折減為彈性狀態(tài)時的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塔樓計算模型Fig.3 Calculating model of T1 tower

整體結構前三階自振周期分別為6.71 s、6.43 s、3.22 s。X和Y向風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。除加強層及相鄰上下層外的框架剪力分擔比最大值達到10%以上，約60%以上的樓層框架剪力分擔比達到8%以上，達到了超限審查專家的要求［4］。

2 錯層區(qū)域鋼折梁的設計

由于裙房層高6 m，T1 塔樓4-7 層層高4 m，所以存在錯層2 m 高的錯層；而建筑布置需要將錯層位置放置到核心筒旁的走道側邊，圖4 表示了折梁的平面位置。為了做到對建筑的影響最小，結構最好的處理方式就是采用折梁，折梁的梁面標高由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，樓板配筋適當加強。

圖4 錯層的平面位置Fig.4 Position of staggered floors

圖5 折梁的節(jié)點詳圖（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)點設計中，同樣需要考慮剪力和軸力的共同作用，相比普通樓面鋼梁，設置更多的高強螺栓來抵抗軸力、剪力和附加偏心矩的作用。

3 裙房轉換桁架的設計

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廳，宴會廳內(nèi)部沒有柱子，宴會廳頂部所在的5 層存在跨度達36 m 的轉換桁架，托住5-7 層的結構。圖7 表達了轉換桁架的平面布置圖，圖8 表達了轉換桁架的立面圖。

圖7 轉換桁架平面布置圖Fig.7 Structural plan of transferred trusses

圖8 轉換桁架立面圖Fig.8 Elevation of transferred truss

轉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，滿足結構受力性能要求。由于轉換桁架跨度很大、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。在計算分析時對于樓板按照剛度不折減和剛度折減系數(shù)為0.01 進行包絡設計。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桿件，并且在周邊布置成平面內(nèi)桁架的形式，見圖9。轉換桁架和相連框架柱，是關鍵結構構件，分別進行了小震、中震、大震下的計算分析，達到了大震彈性的性能水準，保證了結構安全［5］。

圖9 下弦拉結結構示意圖Fig.9 Schematic of bottom chord connection structures

4 地下室外墻設計

本項目地下室四層，地下室外墻設計時需要考慮支承條件、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電設備區(qū)域會要求兩層地下室層高，就會出現(xiàn)地下室外墻跨層才有支承的情況，如圖10 所示，此時需要加大外墻厚度到800 mm。

外墻邊存在車道時，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，不能對外墻形成有效支承，需要在樓梯兩側設置剪力墻對外墻形成面外支承，如圖12 所示。此時地下室外墻將地下室外的水土壓力傳遞到樓梯兩側的剪力墻上，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。對于開數(shù)個連續(xù)較小洞口的情況，采取了在外墻設置暗梁的加強方式。此時地下室外墻的厚度取700 mm。

此外，由于本項目地下四層，有些地下室外墻需要考慮改變墻厚以適應不同的受力需要。對于臨近地下室外墻的基礎底板，需要考慮外墻傳遞過來的彎矩需要底板來平衡，可能需要適當加厚臨近外墻的基礎底板，或者適當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 地下室無梁樓蓋設計

地下室的B3、B2 層大部分區(qū)域為車庫，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構，同時設置了柱帽。在確定柱帽的尺寸時，考慮其抗沖切和抗彎作用，柱帽平面尺寸相對較大，對于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。本項目地下室平面尺寸大約為280 m×135 m，是超長結構。在確定無梁樓蓋的配筋方式時，考慮到計算配筋數(shù)值和施工的便利性，還考慮到抵抗超長結構的收縮應力。對柱帽區(qū)域附加配筋進行了加強，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，同時對于墻邊進行了附加配筋。無梁樓蓋在墻邊的配筋示意圖見圖15。對于無梁樓蓋板厚220 mm 和300 mm 的區(qū)域交界處，設置了暗梁。

6 鋼管混凝土柱和鋼筋砼梁節(jié)點設計

圖14 無梁樓蓋區(qū)域結構施工圖示意（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，關系到受力性能的可靠和施工的便利性。參考相關工程經(jīng)驗，對于一般部位的這類節(jié)點，采用了鋼管上焊接環(huán)形牛腿、圍繞柱做環(huán)梁的節(jié)點形式，如圖16所示［6］。這種節(jié)點做法鋼結構焊接相對方便且可以在工廠進行，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、天津富力等項目中都采用了這類節(jié)點。

對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)點形式，如圖17 所示。這種節(jié)點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)點二Fig.17 Typical joint of RC beams and CFT columns

7 跨層內(nèi)隔墻的設計

在三層宴會廳區(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構，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，在計算時和主體結構一樣輸入地震作用參數(shù)，計算地震作用。鋼柱的長細比按照不超過200 控制［7］。鋼龍骨框架的典型布置和節(jié)點如圖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 論

通過對哈爾濱富力中心超高層綜合體結構設計中若干重要問題的思考和精心設計，得到以下結論：

（1）對于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)帶桁架結構體系是合適的。

（2）彎折前后梁面標高相差較大的折梁，會有較大的軸力產(chǎn)生，需要進行專門的計算分析，并采用與內(nèi)力相匹配的節(jié)點設計。

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

（4）地下室外墻需要根據(jù)支承條件分類進行設計，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構體系，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)濟效益。

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

（7）對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。