深圳某證券公司總部大樓特殊外框的設(shè)計與分析

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，標準層層高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)有停機坪；裙房地上3層，主要用途為商業(yè)。本文主要對塔樓進行結(jié)構(gòu)分析。塔樓建筑效果圖如圖1所示。項目空腔剖面示意圖如圖2所示。塔樓內(nèi)設(shè)有3個多層通高大堂及2個全樓貫通空腔，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個空中大堂，起自然通風(fēng)作用，是本項目一大建筑特色。

2 設(shè)計參數(shù)

圖1 塔樓建筑效果圖

圖2 項目空腔剖面示意圖

本工程設(shè)計基準期為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)計基本地震加速度為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，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。辦公標準層樓面恒荷載為1.7kN/m2，活荷載為3kN/m2。

3 結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計重難點

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斷，東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。為實現(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)計原則如下：1)不落地的外框架部分參考空腹桁架的概念進行設(shè)計，梁承載力驗算時考慮軸力，軸力計算時不考慮板的剛度；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；3)在不落地柱的根部區(qū)域加強外框梁，保證抗彎承載力的同時控制剛度，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)兩個模型。兩個模型空腔框架底部外框梁在恒荷載+活荷載標準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

本項目核心筒外梁均采用鋼梁，標準層外框梁截面(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，標準層樓板厚度為120mm，避難層樓板厚度為150mm。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計重難點

本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計的重難點如下：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)計的重難點，采取了以下措施：1)詳細分析了外框的豎向傳力，加強了相關(guān)構(gòu)件以提高空腔框架的豎向剛度；2)對比分析了多個模型，研究了外框無法貫通對結(jié)構(gòu)整體的影響；3)進行了施工模擬分析，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；4)進行了動力彈塑性分析，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。詳細的分析及對應(yīng)的相關(guān)加強措施見第7節(jié)。

4 塔樓超限項檢查及性能目標

根據(jù)《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)〔2003〕46號)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)項目的特點和塔樓在各水準地震作用下的受力機理，綜合考慮安全性和建筑使用要求及經(jīng)濟性，設(shè)定結(jié)構(gòu)的性能目標為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)件的性能目標如表3所示。

抗震設(shè)計性能目標 表3

5 南北立面空間框架的設(shè)計

5.1 對整體指標的影響

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種模型進行分析對比：1)基準模型：按實際建筑條件建模，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準層外框梁一致；3)完整外框模型：在基準模型的基礎(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種模型可以進行整體指標對比的基礎(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，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制

整個結(jié)構(gòu)的豎向傳力體系可分為3個部分：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，并對這些立面上和剖面上的框架梁進行加強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，對以下外框柱做加強：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，在第一個空中大堂處。加強措施為增加矩形鋼管混凝土柱的壁厚，并提高鋼材強度至Q390。對空腔框架的根部的外框梁也進行加強，采用箱形梁，且鋼材強度取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斷，且截斷點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)計分析一致，采用MIDAS Gen軟件對外框柱進行了施工模擬分析。

為保證外框架從下到上施工，需每個工序均設(shè)置臨時支撐，共設(shè)置6道臨時支撐，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劃，將整個施工過程劃分為235個階段，進行詳細的施工模擬分析。對施工過程中的變形進行分析，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支撐Z1后，結(jié)構(gòu)的豎向變形最大，最大點發(fā)生在空腔框架處。同時重點關(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處的柱(P41)在拆撐時變形會較大幅度增加，總的變形值為84mm[5]。

對臨時支撐在施工階段的受力進行詳細分析，臨時支撐在主體結(jié)構(gòu)完成或者拆撐時內(nèi)力最大。各臨時支撐最大內(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塔樓構(gòu)件的受力進行了復(fù)核，結(jié)果滿足設(shè)計要求。

各臨時支撐最大內(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，本項目采用LS-DYNA軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下非線性動力時程分析。

為確保LS-DYNA非線性結(jié)構(gòu)模型在構(gòu)件進入彈塑性階段工作之前，該模型動力特性與彈性的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，兩個模型的動力特性基本一致。

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(計算包括頂部小塔)。由圖12可知，塔樓最大層間位移角：X向為1/165，Y向為1/162，滿足高規(guī)對層間位移角的要求。由圖還可看出，在核心筒收進區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度有所削弱，對該區(qū)域的加強措施是必要的。

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。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)計概念。部分連梁塑性轉(zhuǎn)角達到LS，其余大部分都在IO范圍內(nèi)，滿足中度破壞，部分嚴重破壞塑性轉(zhuǎn)角θ< CP的性能目標。

本項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行了重點分析。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，停機坪收進處局部壓應(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。底部加強區(qū)僅有局部靠近連梁處的剪力墻豎向分布筋達到屈服應(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 底部加強區(qū)剪力墻豎向分布鋼筋拉應(yīng)變包絡(luò)

8 結(jié)論

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

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

(2)對基準模型、外框梁閉合模型、完整外框模型進行了對比分析，驗證了本項目采取了相應(yīng)的加強措施后，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，外框施工時需沿立面設(shè)置6組臨時支撐，并進行了詳細的施工模擬分析，復(fù)核了臨時支撐及主體結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力及變形，滿足設(shè)計要求；同時施工過程中需加強監(jiān)測，拆撐時應(yīng)逐步卸載，避免一次卸載量過大造成較大的動力效應(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)計目標要求。本項目總體設(shè)計滿足結(jié)構(gòu)各項性能目標，結(jié)構(gòu)安全可靠。