深圳某高層塔樓的鋼筋混凝土框筒方案設(shè)計(jì)

鄭 宜，陳學(xué)偉

（1、廣東城建達(dá)設(shè)計(jì)院有限公司 廣東佛山528200；2、WSP科進(jìn)香港有限公司 香港999077）

1 工程概況

深圳某商業(yè)中心項(xiàng)目位于深圳市南山區(qū)，項(xiàng)目包括多棟塔樓與商業(yè)裙房［1］，本文重點(diǎn)介紹高度為298.5 m 主塔樓T1 樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1 所示。T1 塔樓設(shè)有4 層地下室，地上62 層，結(jié)構(gòu)高度為276.1 m?？紤]到項(xiàng)目存在下沉廣場，嵌固端設(shè)置在B1 層，從嵌固端起算結(jié)構(gòu)高度為298.5 m。塔樓平面呈正方形，尺寸49.5 m×49.5 m。塔樓層1～51 核心筒平面尺寸為28.3 m×26.8 m，52 層以上核心筒收進(jìn)20.6 m×25.8 m。塔樓5 層、20 層和37 層為機(jī)電和避難層，層高均為5.1 m；辦公標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2 m。

主塔樓建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計(jì)使用年限及耐久性設(shè)計(jì)所限均為50年，風(fēng)荷載的基本風(fēng)壓按文獻(xiàn)［2］取值為0.75 kPa，地面粗糙度為B 類?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，建筑抗震的場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為一組。根據(jù)場地安評報(bào)告，小震影響系數(shù)最大值為0.099（阻尼比為5%），設(shè)計(jì)地震分組為第一組［3］，場地土類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s。

主塔樓結(jié)構(gòu)高度超過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)150 m的高度限值，平面及立面比較規(guī)則。

2 結(jié)構(gòu)選型與方案對比

由于T1 塔樓高度較高，經(jīng)過初步計(jì)算表明采用鋼筋混凝土框架-核心筒體系難以滿足結(jié)構(gòu)性能要求。為保證結(jié)構(gòu)整體剛度及底部豎向構(gòu)件的抗震性能，備選方案有：［方案1］圓鋼管混凝土柱+鋼梁+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)；［方案2］部分鋼管混凝土疊合柱+混凝土梁+混凝土核心筒結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 深圳某商業(yè)中心項(xiàng)目Fig.1 Commercial Center Project in Shenzhen

本文通過初步試算，對比結(jié)構(gòu)整體性能，特別是結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角，即保證兩模型風(fēng)荷載下層間位移角小于限值1∕500。結(jié)構(gòu)總指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比結(jié)果如表1所示?；诎踩耘c經(jīng)濟(jì)性，方案2 優(yōu)于方案1，方案2 較方案1 可節(jié)省材料成本約2 600萬元（見圖2）。因此本項(xiàng)目采用方案2。

圖2 結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性對比Fig.2 Economic Comparison of Structural Schemes

表1 兩方案結(jié)構(gòu)總指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of Indexes of Two Structure Schemes

3 結(jié)構(gòu)布置

T1 塔樓結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系為框架-核心筒體系；結(jié)構(gòu)高寬比約為5.58，由于本結(jié)構(gòu)高寬比適中，經(jīng)驗(yàn)算，不需要設(shè)置伸臂桁架或者腰桁架即可滿足結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度要求及底部柱構(gòu)件性能要標(biāo)［4］。結(jié)構(gòu)低區(qū)及高區(qū)的結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置Fig.3 Structural Plan

低區(qū)外框柱采用圓鋼管疊合柱構(gòu)件，采用圓鋼管疊合柱可減少柱截面尺寸，減少結(jié)構(gòu)自重，提高建筑得房率。采用疊合柱使柱截面減少的原因在于管內(nèi)混凝土由于鋼管的約束效應(yīng)增強(qiáng)，管內(nèi)混凝土不需要驗(yàn)算軸壓比。鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C60，鋼材強(qiáng)度等級為Q390，從嵌固端到31 層，柱截面由1.4 m×1.4 m 逐步減小至1.3 m×1.3 m；高區(qū)外框柱轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻罨炷林?，?2 層至頂層，混凝土強(qiáng)度等級由C60逐步減小至C40，柱截面由1.3 m×1.3 m 逐步減小至0.8 m×0.8 m。柱構(gòu)件分區(qū)按軸壓比進(jìn)行優(yōu)化，使柱構(gòu)件的自重達(dá)到較小值。

核心筒混凝土強(qiáng)度等級由C60 逐步減小至C40，厚度由1.3 m 逐步減小至0.4 m。此外，在51 層以上，核心筒的尺寸由28.3 m×26.8 m縮小為20.6 m×25.8 m。底部加強(qiáng)部位為-1層～6層，在-1層～10層的核心筒剪力墻內(nèi)設(shè)置工字型型鋼，以滿足軸壓比及中大震受拉受剪的性能要求。剪力墻的內(nèi)置型鋼呈分散式［5］，布置如圖4所示。

圖4 底部剪力墻型鋼的布置Fig.4 Layout of the Low Zone Wall Imbedded Steel

樓蓋采用鋼筋混凝土梁板體系，假定框架梁與外框柱和核心筒剛接，次梁與核心筒鉸接；為滿足風(fēng)荷載作用下承載力的要求，在部分連梁內(nèi)設(shè)置型鋼。塔樓結(jié)構(gòu)整體模型如圖5所示。

圖5 整體計(jì)算結(jié)構(gòu)三維模型Fig.5 3D Model of the Structure

4 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

根據(jù)超限審查技術(shù)要點(diǎn)［6］塔樓超限內(nèi)容為：①高度超限，房屋高度為298 m，超過了鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)適用高度180 m；②扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，考慮偶然偏心的X向規(guī)定水平力作用下最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.24；③樓板不連續(xù)，第3、64、66 層存在樓板大開洞的情況；④其它不規(guī)則，-1 層～2 層存在少量穿層柱。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)取C 級，小震、中震和大震下的性能水準(zhǔn)分別為1、3、4。

5 彈性計(jì)算結(jié)果

采用ETABS和SATWE兩種軟件進(jìn)行風(fēng)荷載和小震分析，計(jì)算結(jié)果吻合較好。模態(tài)分析得到結(jié)構(gòu)前3階周期結(jié)果如表2所示。

表2 周期計(jì)算結(jié)果Tab.2 Modal Calculation Result

結(jié)構(gòu)小震計(jì)算采用規(guī)范譜和安評反應(yīng)譜的包絡(luò)值進(jìn)行驗(yàn)算。小震結(jié)果如表3 所示，從表3 中可以看出兩種軟件的計(jì)算結(jié)果比較吻合。

表3 主要小震下結(jié)構(gòu)性能分析結(jié)果Tab.3 Results of Structural Performance Analysis under Frequent Earthquakes

彈性時(shí)程反應(yīng)分析，采用3 條地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震彈性時(shí)程反應(yīng)補(bǔ)充計(jì)算，結(jié)果如表4 所示。計(jì)算表明：①通地震波的選取滿足文獻(xiàn)［3］要求。②時(shí)程分析結(jié)果中，局部樓層時(shí)程分析得到的地震力大于反應(yīng)譜結(jié)果，對頂部的地震力進(jìn)行適當(dāng)放大處理。

表4 彈性時(shí)程分析的基底剪力對比Tab.4 Comparison of Base Shear in Elastic Time-history Analysis

6 風(fēng)洞試驗(yàn)及風(fēng)荷載響應(yīng)分析

塔樓風(fēng)洞試驗(yàn)在廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司建筑風(fēng)洞樓完成［7］。風(fēng)洞試驗(yàn)考慮了24 個(gè)風(fēng)向角的影響，模型比例采用1∶400。試驗(yàn)取間隔15°共24 個(gè)風(fēng)向下進(jìn)行。通過風(fēng)洞動(dòng)態(tài)測壓試驗(yàn)得到各風(fēng)向角下沿塔樓高度分布的各點(diǎn)綜合體型系數(shù)，進(jìn)一步換算得到各個(gè)方向的等效靜風(fēng)荷載。

在50 年一遇風(fēng)荷載作用下，文獻(xiàn)［2］風(fēng)荷載與風(fēng)洞報(bào)告提供10 種不利工況下的風(fēng)荷載的計(jì)算結(jié)果比較（以Y向?yàn)槔┤鐖D6 所示。通過分析可知：①結(jié)構(gòu)在B 類風(fēng)荷載作用下滿足文獻(xiàn)［2］1∕500 的要求；②經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)的風(fēng)荷載與B 類場地的風(fēng)進(jìn)行對比表明，B類風(fēng)計(jì)算的荷載效應(yīng)大于風(fēng)洞提供的等效靜力風(fēng)荷載所計(jì)算的荷載效應(yīng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用B類風(fēng)滿足文獻(xiàn)［2］要求；由于該平面為標(biāo)準(zhǔn)的正方型平面，其風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對于同等條件的建筑結(jié)構(gòu)具有較好的參考意義。

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載與規(guī)范風(fēng)荷載結(jié)果對比Fig.6 Result Comparison of Wind Load From Wind Tunnel Test and From Code

在10 年一遇風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)Y向的頂層加速度峰值為0.097 8 m∕s2，符合我國規(guī)程關(guān)于辦公建筑人體舒適度要求。

7 大震彈塑性時(shí)程分析

筆者通過開發(fā)了Perform-3D 復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模前處理程序ETP 程序［8］，該程序不但能夠讀取ETABS 程序的幾何模型、構(gòu)件截面及彈性材料信息，還能夠提供圖形界面實(shí)現(xiàn)很方便的輸入梁、柱及剪力墻的截面配筋與材料非線性設(shè)置，再能過數(shù)據(jù)處理導(dǎo)入Perform-3D 程序中，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)的非線性模型的建模。彈塑性模型如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)Perform-3D模型Fig.7 Perform-3D Structure Model

采用Perform-3D 程序?qū)1 塔樓進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析。通過小震彈性時(shí)程分析選取1條人工波和2條天然波（GM1～GM3），分別按0°、90°為主方向進(jìn)行雙向彈塑性時(shí)程分析，并以結(jié)果最大值進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評估。

整體性能的評估包括結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、層間位移角、能量耗散情況；構(gòu)件性能評估包括各種構(gòu)件的塑性發(fā)展?fàn)顩r。結(jié)構(gòu)最大彈塑性層間位移角如表5 所示。層間位移角均小于限值1 ∕100 的要求。彈塑性最大基底剪力與小震彈性比值在5～6 處于合理范圍［9］。以上數(shù)據(jù)表明主體結(jié)構(gòu)在整體性能評價(jià)上能滿足大震不倒塌的抗震性能目標(biāo)。

表5 彈塑性基底剪力對比Tab.5 Comparison of Nonlinear Analysis Base Shear Results

構(gòu)件性能評估：框架梁與連梁兩者總耗能占比為56.5%，起到了主要的耗能作用。其次耗能構(gòu)件是剪力墻（短墻肢為主）構(gòu)件，最后時(shí)頂部的框架柱。從能量耗散角度說明了結(jié)構(gòu)各個(gè)構(gòu)件達(dá)到了預(yù)期的耗能順序與比例，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)柱弱梁與大震不倒的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

剪力墻構(gòu)件抗彎屈服變形和抗剪承載力狀態(tài)如圖8所示，在大震作用下，全部剪力墻構(gòu)件沒有進(jìn)入屈服狀態(tài)。由于剪力墻按一級抗震進(jìn)行縱筋的構(gòu)造配筋，其抗壓彎性能存在較大的富余度，剪力墻的抗剪截面驗(yàn)算也沒有超限，剪力墻相對薄弱部位出現(xiàn)在底部（未設(shè)置鋼骨區(qū)）及筒體收進(jìn)的部位的下一層。

圖8 剪力墻性能狀態(tài)Fig.8 Shear Wall Performance Status

框架柱構(gòu)件在大震作用下，最頂部的柱部分進(jìn)入屈服狀態(tài)，其余柱子基本上沒有出現(xiàn)塑性變形，由于低區(qū)柱采用了疊合柱，承載力在大震力有較大的富余，而頂部柱子由于軸力較小，在大震作用下出現(xiàn)較大彎矩，出現(xiàn)了受彎構(gòu)件的抗彎屈服，由于是純彎構(gòu)件其延性性能較好，故沒有做特別的加強(qiáng)措施處理。

8 疊合柱及期節(jié)點(diǎn)做法

本項(xiàng)目的一大特點(diǎn)為低區(qū)采用了疊合柱［9］，由于建筑功能的原因，項(xiàng)目中鋼筋混凝土梁與疊合柱的梁柱節(jié)點(diǎn)采用如下2種節(jié)點(diǎn)大樣做法：

⑴商業(yè)區(qū)存在吊頂，可在疊合柱周邊設(shè)置大環(huán)形柱帽（圖9?），通過將混凝土梁縱筋錨固在柱帽中。此做法方便施工［10］，但需要建筑空間條件允許，環(huán)形柱帽尺寸足夠大，可使梁縱筋有足夠的水平錨固長度。

⑵在辦公樓層，疊合柱與混凝土梁的節(jié)點(diǎn)采用圓鋼管穿上筋節(jié)點(diǎn)，在內(nèi)置鋼管開孔（圖9?），將混凝土梁縱筋錨固在鋼管柱內(nèi)部或貫通鋼管柱。為補(bǔ)償鋼管開孔損失，需要在鋼管開孔處設(shè)置豎向與水平向的加勁肋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，如圖9所示。

圖9 2種疊合柱-混凝土梁節(jié)點(diǎn)做法Fig.9 Two types of Laminate-column-concrete-beam Connections

為了驗(yàn)算增加豎向與水平向加勁助以后對節(jié)點(diǎn)開洞后強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)效果，在SAP2000 中采用殼單元模擬對鋼管進(jìn)行分析，鋼管模型如圖10 所示，在設(shè)置了加勁肋后，在豎向力與混凝土膨脹張力的作用下，檢查節(jié)點(diǎn)應(yīng)力是否滿足《鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：T∕CECS 188—2019》要求。通過分析可知，周邊的加勁肋減少了開洞引起的應(yīng)力集中情況，從而滿足鋼材的強(qiáng)度要求。

圖10 SAP2000節(jié)點(diǎn)有限元分析Fig.10 Finite Element Analysis of Connection by SAP2000

9 結(jié)論

通過對塔樓T1 塔樓進(jìn)行抗風(fēng)與抗震性能分析，計(jì)算結(jié)果表明，通過合理的結(jié)構(gòu)布置，298 m 高的鋼筋混凝土框架核心筒塔樓在不設(shè)置加強(qiáng)層的情況下，仍能滿足抗震抗風(fēng)的性能要求。通過分析可以得出以下結(jié)論：

⑴在基本風(fēng)壓在0.75 kPa，地震烈度為7 度的地區(qū)，接近300 m 的塔樓，且核心筒占比較大的情況下，采用鋼筋混凝土框架核心筒體系，經(jīng)過合理結(jié)構(gòu)布置與適當(dāng)構(gòu)件加強(qiáng)，可以不設(shè)置加強(qiáng)層，體系能滿足文獻(xiàn)［2-3］關(guān)于抗震抗風(fēng)的要求。

⑵疊合柱相對于型鋼混凝土具備較好的經(jīng)濟(jì)性，管內(nèi)混凝土的強(qiáng)度受到約束而提高，管內(nèi)混凝土不需要驗(yàn)算軸壓比，因此同等軸力下疊合柱的尺寸相對較小，提高得房率與減少結(jié)構(gòu)自重。

⑶通過在低區(qū)剪力墻設(shè)置了型鋼可以減少底部剪力墻的厚度且提高剪力墻在大震作用下的性能。剪力墻與框架柱需分區(qū)進(jìn)行軸壓比或承載力的優(yōu)化，可使豎向構(gòu)件達(dá)到最大效能。

⑷疊合柱與混凝土梁節(jié)點(diǎn)可以采用外環(huán)梁節(jié)點(diǎn)及鋼管穿筋節(jié)點(diǎn)2 種形式，其中鋼管穿筋節(jié)點(diǎn)需要對鋼管進(jìn)行雙向加勁助補(bǔ)強(qiáng)，以保證由于開洞引起的應(yīng)力集中的問題得到解決。