深圳冠澤金融中心超高層辦公塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張偉生，任恩輝，李 鵬，衛(wèi) 文，金光艷，李 倫

(1 廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州500010； 2 廣東筠誠建筑科技有限公司， 云浮 527300)

1 項(xiàng)目概況

1.1 建筑概況及形體評價(jià)

深圳冠澤金融中心位于深圳前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)，是由2棟公寓(公寓北塔、公寓南塔)、1棟酒店、2棟超高層辦公樓(辦公A塔、辦公B塔)組成的城市綜合體，建筑效果圖見圖1，本文主要介紹辦公A塔。辦公A塔地上建筑面積約為15萬m2，建筑屋面高281.2m，建筑層數(shù)61層，其首層～3層為通高大堂，層高為17.7m；4～13層為商業(yè)，層高4.5m；7，9，13層為下層商業(yè)上空，層高9m；13層以上樓層均為辦公，層高均為4.5m；11，22，33，44，53層為避難層，層高均為5m；設(shè)4層地下室，埋深為-22.70m。塔樓建筑平面尺寸51.8m×51.8m，隨高度逐步收進(jìn)為50.5m×50.5m；其典型結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖2。目前，本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)已驗(yàn)收。

圖1 項(xiàng)目建筑效果圖

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面布置圖

項(xiàng)目建筑形體評價(jià)為：1)平面規(guī)則。結(jié)構(gòu)長寬比=1<6，高寬比=5.83<7，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ 15-92—2013)[1]第12.1.3條及3.4.3條要求。2)立面規(guī)則。造型上塔樓轉(zhuǎn)角向上收進(jìn)以增強(qiáng)挺拔的建筑高度感，體型上削角處理能有效鈍化建筑角部，有效降低風(fēng)荷載作用尤其是風(fēng)荷載下的橫向風(fēng)振效應(yīng)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等級

塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限及耐久性使用年限均為50年，安全等級為二級，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級。地面粗糙度類別為B類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，重點(diǎn)設(shè)防類，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組[2-3]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及對應(yīng)措施

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)難點(diǎn)一：平面采用8個(gè)框柱的稀柱柱網(wǎng)，并集中設(shè)置于建筑物角部，邊框柱柱距由38.8m隨高度收至28.8m，角框柱柱距由8.2m隨高度擴(kuò)大至14.4m，框柱柱距大，框架對抗側(cè)、抗扭剛度貢獻(xiàn)小，結(jié)構(gòu)抗側(cè)、抗扭剛度弱。

(2)難點(diǎn)二：8個(gè)框柱選用五邊形異形柱，目前軟件對此類異形柱計(jì)算模擬有限，承載力缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)。

(3)難點(diǎn)三：框梁跨度大，其線剛度較框柱線剛度小，框柱缺少有效約束，其計(jì)算長度需準(zhǔn)確定義。

(4)難點(diǎn)四：為滿足建筑造型要求，8個(gè)框柱在4層上下存在錯(cuò)位，需采用搭接轉(zhuǎn)換柱組進(jìn)行過渡[4]，如圖3所示。

圖3 搭接轉(zhuǎn)換柱組節(jié)點(diǎn)

(5)難點(diǎn)五：1～3層核心筒外均無樓板，總高度為17.7m；建筑8，10，13，59層核心筒外均無樓板，結(jié)構(gòu)層高為9m；存在側(cè)向剛度不規(guī)則、樓層承載力突變。

(6)難點(diǎn)六：核心筒尺寸低區(qū)(1～37層)X向28.1m，Y向23.1m；中區(qū)(38～45層)X向28.1m，Y向19.7m；高區(qū)(46～57層)X向28.1m，Y向16.4m；兩向收進(jìn)差異性明顯。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對應(yīng)措施

2.2.1 選用合理的結(jié)構(gòu)體系

(1)抗側(cè)力體系

根據(jù)建筑物的功能、總高度、抗震設(shè)防烈度、建筑物類別、深圳地區(qū)風(fēng)荷載、施工周期及外框抗側(cè)、抗扭剛度弱的情況，采用帶腰桁架的巨柱框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，見圖4，該體系介于框架-核心筒結(jié)構(gòu)與巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系之間，結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力由核心筒提供，利用建筑的避難層設(shè)置5道適宜剛度的腰桁架，既可加強(qiáng)外框巨柱間聯(lián)系，提高外框抗側(cè)、抗扭整體剛度，也可避免設(shè)置伸臂桁架帶來側(cè)向剛度突變大的弊端[5-6]。

圖4 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系

主樓的高寬比為5.83，核心筒高寬比為11.29。核心筒墻厚、異形型鋼混凝土巨柱截面尺寸、材質(zhì)見表1；框梁采用鋼框梁，截面尺寸、材質(zhì)見表2；腰桁架采用鋼桁架，截面尺寸、材質(zhì)見表3；33層及以下設(shè)置重力柱ZLZ(見圖2，截面□500×350×35×35，材質(zhì)Q420GJC)。

豎向構(gòu)件尺寸、材質(zhì) 表1

鋼框梁截面尺寸、材質(zhì) 表2

鋼桁架構(gòu)件截面、材質(zhì) 表3

(2)樓蓋體系

標(biāo)準(zhǔn)層采用鋼梁+鋼筋桁架樓承板組合樓蓋，板厚110mm；加強(qiáng)層上下層樓板，需協(xié)調(diào)核心筒、外腰桁架巨柱框架間的水平剪力，根據(jù)應(yīng)力水平設(shè)置鋼梁+鋼水平撐+鋼筋桁架樓承板組合樓蓋，鋼水平撐截面H520×250×22×22(Q345B)，板厚180mm，配筋14@100雙層雙向布置。

2.2.2 選用合理的計(jì)算手段

(1)針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)二，采用文獻(xiàn)[7]中建議，選用截面分析軟件Xtract對異形巨柱按彎曲剛度等效為內(nèi)嵌十字形型鋼的型鋼混凝土方柱建立模型，進(jìn)行分析；在承載力設(shè)計(jì)時(shí)，項(xiàng)目采用文獻(xiàn)[7]建議：選用軟件Xtract進(jìn)行抗彎承載力設(shè)計(jì)；采用修正《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 138—2016)[8]公式(6.2.16-2)中h0，Asv，hw進(jìn)行抗剪承載力設(shè)計(jì)。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)三，充分考慮柱長對承載力的影響。采用軟件SAP2000對異形巨柱分區(qū)段進(jìn)行屈曲分析，根據(jù)歐拉公式Pcr=π2EI/(μL)2反算出異形巨柱計(jì)算長度系數(shù)，見表4。

異形巨柱計(jì)算長度系數(shù) 表4

(3)針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)四，采用文獻(xiàn)[4]提出的搭接轉(zhuǎn)換柱組概念，采用軟件ABAQUS對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出在4～5層設(shè)置適宜剛度腰桁架、與核心筒拉結(jié)的型鋼梁有利措施。

2.2.3 采取有效構(gòu)造措施

針對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)五、難點(diǎn)六，采取如下構(gòu)造加強(qiáng)措施：1)抗震等級均選用特一級，核心筒剪力墻、異形巨柱均按特一級構(gòu)造措施進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)；2)核心筒剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，邊緣構(gòu)件內(nèi)設(shè)置型鋼柱以提高墻肢的抗彎、抗剪承載力與延性；3)加強(qiáng)層核心筒剪力墻設(shè)置約束型構(gòu)造鋼梁，與剪力墻邊緣構(gòu)件內(nèi)型鋼柱形成墻內(nèi)約束型鋼邊框，有效提高加強(qiáng)層核心筒墻肢的延性與整體性；4)異形巨柱箍筋全高加密，軸壓比較規(guī)范規(guī)定限值降低0.05。

3 結(jié)構(gòu)性能評估

3.1 彈性分析結(jié)果

3.1.1 整體分析主要結(jié)果

選用YJK和ETBAS兩種軟件進(jìn)行風(fēng)荷載與地震作用反應(yīng)譜彈性計(jì)算，兩者的計(jì)算結(jié)果吻合較好。從主要整體分析主要結(jié)果(表5)可知：除剪重比、加強(qiáng)層及上下層側(cè)剛比、承載力比外，其余參數(shù)均滿足規(guī)范限值要求，剪重比根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]第5.2.5條予以放大調(diào)整滿足；加強(qiáng)層及上下層側(cè)剛比、承載力比則通過三水準(zhǔn)驗(yàn)算復(fù)核性能目標(biāo)C能否實(shí)現(xiàn)。

整體分析主要結(jié)果 表5

3.1.2 外框與核心筒間的剪力分配

從地震作用下外框、核心筒的剪力分配(圖5)可知：對于非加強(qiáng)層，地震剪力主要由核心筒承擔(dān)，外框剛度弱，占比??；在加強(qiáng)層及上下層附近剪力存在突變，剪力由帶腰桁架的外框與核心筒共同承擔(dān)。

圖5 地震作用下外框、核心筒剪力分配

基于此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，除加強(qiáng)層外，核心筒均承擔(dān)100%的地震剪力，外框按剛度分配地震剪力的3倍進(jìn)行放大調(diào)整。

3.1.3 風(fēng)洞試驗(yàn)與層間位移角、頂點(diǎn)加速度

(1)風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果參照廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司提供的《深圳前海T201-0077地塊項(xiàng)目風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓試驗(yàn)報(bào)告》、《深圳前海T201-0077地塊風(fēng)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析報(bào)告》、《深圳前海T201-0077地塊項(xiàng)目風(fēng)洞風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)報(bào)告》。報(bào)告中對于風(fēng)洞風(fēng)向角示意的描述見圖6，圖7中粗糙度根據(jù)遠(yuǎn)場地面粗糙度分析結(jié)果，地面粗糙度試驗(yàn)時(shí)0°～210°按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2]中規(guī)定的C類地面粗糙度，220°～300°采用A類地面粗糙度，310°～350°采用B類地面粗糙度。

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)向角

圖7 地面粗糙度

(2)層間位移角、頂點(diǎn)加速度

在50年一遇的風(fēng)洞試驗(yàn)荷載作用下,辦公A塔X向最大層間位移角為1/683，Y向最大層間位移角為1/495，基本滿足小于規(guī)范限值1/500要求。在10年一遇的風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)X向頂點(diǎn)加速度峰值為0.160m/s2，Y向頂點(diǎn)加速度峰值為0.202m/s2，滿足小于規(guī)范限值0.25m/s2要求。

3.1.4 構(gòu)件彈性計(jì)算結(jié)果

在小震彈性、中震等效彈性計(jì)算作用下，考慮內(nèi)置型鋼的承載力，構(gòu)件均可滿足中、小震性能目標(biāo)C的要求。

3.2 彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

采用軟件ABAQUS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的時(shí)程分析，從整體性能與構(gòu)件性能兩個(gè)層面上評估其抗震性能[9-10]。時(shí)程分析波選用廣東省工程防震研究院提供的兩條擬合天然波(MLDα01B，MLDα01F波)，以及一條人工波(MHα01A波)。

3.2.1 整體性能評估

從整體分析主要結(jié)果(表6)可知：罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向基底剪力為小震下的4.8～5.5倍，Y向基底剪力為小震下的4.9～5.4倍；最大彈塑性層間位移角X向?yàn)?/194，Y向?yàn)?/132，均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ 15-92—2013)[1]C類性能目標(biāo)限值1/125的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)“大震不倒”的性能目標(biāo)。

整體分析主要結(jié)果 表6

3.2.2 構(gòu)件性能結(jié)果

經(jīng)比較，MHα01A波作用下Y向?yàn)榈卣鹬鬏斎敕较驎r(shí)，構(gòu)件損傷最為嚴(yán)重，下文僅列出Y向?yàn)榈卣鹬鬏斎敕较蛳碌挠?jì)算結(jié)果。

(1)核心筒剪力墻受壓損傷、縱筋塑性損傷

從剪力墻受壓損傷，墻身、邊緣構(gòu)件內(nèi)縱筋塑性應(yīng)變(圖8)可知：核心筒墻體混凝土受壓損傷主要發(fā)生在連梁、加強(qiáng)層、筒體收進(jìn)的局部位置以及內(nèi)筒Y向墻肢的局部位置，外筒墻肢總體受壓損傷比較小，基本實(shí)現(xiàn)了以連梁構(gòu)件進(jìn)行耗能、主體墻肢在大震下能夠持續(xù)承受豎向荷載的設(shè)計(jì)目標(biāo)；內(nèi)置型鋼以及邊緣構(gòu)件內(nèi)縱筋均未出現(xiàn)塑性變形，型鋼+鋼筋能抵抗大震下的拉力，第一道抗震防線基本可靠。

(2)巨柱型鋼、外框鋼梁及腰桁架塑性損傷

型鋼混凝土異形巨型柱受壓損傷主要出現(xiàn)在底層柱搭接轉(zhuǎn)換處、各加強(qiáng)層附近以及高區(qū)核心筒收進(jìn)樓層，屬輕度損壞；從巨柱型鋼、外鋼框梁、腰桁架塑性應(yīng)變(圖9)可知：巨柱內(nèi)型鋼都未出現(xiàn)塑性變形；腰桁架的弦桿與腹桿均未出現(xiàn)塑性變形，能有效約束異形巨柱變形，發(fā)揮第二道抗震防線作用。

圖9 巨柱型鋼、外鋼框梁、腰桁架塑性應(yīng)變

(3)加強(qiáng)層樓板受壓損傷

從以Y向?yàn)橹鞣较虻腗Hα01A波作用下加強(qiáng)層樓板受壓損傷云圖(圖10)可知：平面角部、核心筒內(nèi)的樓板受壓損傷程度情況相對較輕，而核心筒與巨柱之間的樓板需傳遞剪力，受壓損傷較為明顯，但也屬于輕、中度損傷，表明設(shè)置水平桁架對樓蓋系統(tǒng)的剪力傳遞、樓板混凝土受壓損傷抑制均發(fā)揮了顯著作用。

圖10 加強(qiáng)層樓板受壓損傷云圖

4 結(jié)論

(1)帶適宜剛度腰桁架的巨柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系可實(shí)現(xiàn)8個(gè)框柱的稀柱網(wǎng)建筑形體；鋼梁+鋼水平撐+鋼筋桁架樓承板組合樓蓋能可靠傳遞加強(qiáng)層外框架與核心筒間的水平剪力。

(2)設(shè)置約束型構(gòu)造鋼梁，與墻肢內(nèi)型鋼柱形成墻內(nèi)約束型鋼邊框，可有效提高加強(qiáng)層核心筒墻肢的延性與整體性。

(3)建議帶腰桁架的巨柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的核心筒承擔(dān)100%地震剪力，以提高第一道防線抗震承載力。

致謝：工程設(shè)計(jì)過程中，得到了深圳千典設(shè)計(jì)顧問公司的大力支持與幫助，在此表示感謝！