青島魯商中心1C區(qū)超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周袁凱，白樹楊，洪 楓，武曉鳳，郁銀泉，劉國友，蔣航軍

(中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100048)

1 工程概況

青島魯商中心1C區(qū)位于青島市南區(qū)核心位置，北臨香港中路，為城市主干道；西臨燕兒島路；南臨澄海路，東臨汕頭路、財(cái)富中心。本工程是集商業(yè)、辦公、餐飲、影院于一體的綜合建筑，設(shè)有1棟塔樓和3棟商業(yè)裙房，總建筑面積27.5萬 m2，其中地上建筑面積17萬m2，地下建筑面積10.5萬m2。塔樓功能為商業(yè)和辦公，地上共62層，地下共4層，塔樓主屋面高度247.5m，建筑幕墻高度264.4m。本文主要介紹塔樓的相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，青島魯商中心1C區(qū)項(xiàng)目的建筑效果圖和塔樓建筑剖面圖分別如圖1，2所示。

圖1 建筑效果圖

圖2 建筑剖面圖

塔樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)(結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱抗規(guī))和巖土工程勘察報(bào)告，本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，建筑場地類別為Ⅱ類場地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，地震作用下結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50233—2008)[2]，本工程抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，剪力墻抗震等級(jí)：地下4層為二級(jí)，地下3層為一級(jí)，地下2層及以上為特一級(jí)；框架柱抗震等級(jí)：地下4層為二級(jí)，地下3層為一級(jí)，地下2層至地上6層為特一級(jí)，地上7層及以上為一級(jí)。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3](簡稱荷規(guī))，青島地區(qū)基本風(fēng)壓為0.60N/m2，風(fēng)荷載按照風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果和規(guī)范荷載進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)；基本雪壓為0.25kN/m2，風(fēng)荷載整體計(jì)算結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，舒適度驗(yàn)算結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅱ區(qū)。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 水文地質(zhì)條件

建筑場區(qū)鉆孔揭露地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，主要賦存于第四系及基巖各風(fēng)化帶中，大氣降水為其主要補(bǔ)給來源。場區(qū)勘察范圍西北角一側(cè)至東南角一側(cè)抗浮設(shè)防水位絕對(duì)標(biāo)高逐漸升高，分別按5.00，6.00，7.00，8.00m考慮，中間段按線性內(nèi)插法進(jìn)行取值。1m水頭浮力按10kPa考慮。

2.2 基礎(chǔ)選型

場地地基承載力較高，基礎(chǔ)截面尺寸按地基承載力計(jì)算，采用核心筒下筏板基礎(chǔ)+框架柱下獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板形式。為提高基礎(chǔ)整體性，外框柱下采用獨(dú)立基礎(chǔ)連成整體的條形基礎(chǔ)，其中核心筒下筏板基礎(chǔ)厚度(H1)為1.8m，框架柱下條形基礎(chǔ)厚度(H2)為2.8m，防水板厚度(H3)為1m，基礎(chǔ)平面布置圖見圖3。

圖3 基礎(chǔ)平面布置圖

由于剪力墻、框架柱等豎向構(gòu)件基底反力主要集中在構(gòu)件附近，相比國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[4]，地方標(biāo)準(zhǔn)《貴州建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ 52/45—2018)[5]和《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ 15-31—2016)給出了完整、較完整硬質(zhì)巖石地基上擴(kuò)展基礎(chǔ)受剪承載力的計(jì)算公式。

外框柱下獨(dú)立基礎(chǔ)平面尺寸為3.2m×3.4m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[4]8.2.9條，應(yīng)驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)交接處截面受剪承載力，基礎(chǔ)厚度需達(dá)6.3m。根據(jù)《貴州建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ 52/45—2018)[5]8.2.2條和文獻(xiàn)[6]，持力層巖石堅(jiān)硬程度為堅(jiān)硬巖，巖體完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)，為整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體，驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)交接處截面受剪承載力，基礎(chǔ)厚度需達(dá)2.6m。根據(jù)《廣東省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(DBJ 15-31-2016)9.2.9條，應(yīng)驗(yàn)算距基礎(chǔ)柱邊h0/2截面的受剪承載力，基礎(chǔ)厚度需達(dá)2.65m，其中h0為截面有效高度。外框柱下基礎(chǔ)高寬比均小于2，其受力狀態(tài)與受彎構(gòu)件接近，按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)附錄G進(jìn)行柱與基礎(chǔ)交接處截面受剪承載力復(fù)核。最終外框柱下基礎(chǔ)厚度取2.8m。核心筒下筏板基礎(chǔ)的受力模式類似條形基礎(chǔ)，為加強(qiáng)整體性，核心筒下采用1.8m厚筏板。

2.3 裙房抗浮

由于本塔樓地下室共4層，基底較深，水浮力較大，相對(duì)于基礎(chǔ)底板，抗浮水頭高達(dá)19m，上部結(jié)構(gòu)重量無法滿足抗浮要求，需采取抗浮措施。由于基礎(chǔ)底面為花崗巖微風(fēng)化帶，設(shè)計(jì)采用巖石錨桿進(jìn)行抗浮，錨桿直徑為180mm，間距為1.68m，根據(jù)整體抗浮需要，錨桿長度為4～7m。

3 結(jié)構(gòu)體系選型

3.1 結(jié)構(gòu)體系

建筑方案初期，塔樓平面尺寸為52.6m×41.2m，核心筒平面尺寸為29.5m×14.6m，核心筒高寬比達(dá)16.9。經(jīng)初步計(jì)算，塔樓Y向剛度偏弱，風(fēng)荷載作用下塔樓層間位移角不滿足規(guī)范要求，需在24，47，60層設(shè)置Y向伸臂桁架或加大核心筒寬度。分別對(duì)核心筒平面尺寸為26.1m×16.6m(方案一)、27.8m×15.6m(方案二)和29.5m×14.6m(方案三)的3種方案進(jìn)行抗側(cè)剛度分析。塔樓Y向抗側(cè)剛度小，相比小震作用，風(fēng)荷載作用下塔樓Y向?qū)娱g位移角較大，故Y向風(fēng)荷載對(duì)塔樓Y向抗側(cè)剛度起控制作用。風(fēng)荷載作用下塔樓Y向?qū)娱g位移角如圖4所示。從圖4中可得，方案二和方案三均不滿足規(guī)范層間位移角限值1/505的要求，最終核心筒平面尺寸為26.1m×16.6m(方案一)，結(jié)構(gòu)平面尺寸為51.2m×42.2m，采用無伸臂桁架方案。

圖4 風(fēng)荷載作用下塔樓Y向?qū)娱g位移角

若采用鋼筋混凝土框架-核心筒方案，塔樓底層(1～6層)剪力墻厚度主要為1 200mm和1 300mm。鋼板剪力墻方案的墻體厚度減小，使用面積增加了180m2，但相應(yīng)造價(jià)增加、施工周期延長，所以最終采用鋼筋混凝土框架-核心筒方案。

3.2 結(jié)構(gòu)布置

框架與核心筒外墻的軸線距離為12.5m，外框架柱柱距為9.0m，塔樓高寬比為5.9，核心筒高寬比為14.9，塔樓角部自地上1層至35層逐漸外擴(kuò)，36層至39層平面呈矩形，39層以上角部逐漸內(nèi)收，塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

3.3 構(gòu)件材料及尺寸

本塔樓地下4層至頂層的柱截面尺寸由2 000×2 200逐漸縮小至900×900，其中地下4層、地下3層為鋼筋混凝土柱，地下2層至地上26層為型鋼混凝土柱，27層為型鋼混凝土柱過渡層，過渡層型鋼截面尺寸按構(gòu)造含鋼率控制，28～30層設(shè)置芯柱，31層及以上為鋼筋混凝土柱。地下室核心筒外墻墻厚為1 400mm，內(nèi)墻墻厚為800mm，核心筒地上1層至頂層的外墻墻厚由1 200mm逐漸減小為400mm，內(nèi)墻墻厚由800mm逐漸減小為400mm。核心筒地上1層至頂層的剪力墻、框架柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C60逐漸減小為C40。

邊框梁主要截面為600×800；內(nèi)框梁主要截面為600×700，500×700；次梁主要截面為400×700。首層樓板厚度為180mm，2層因設(shè)置通高大堂，局部樓板缺失，樓板厚度為150mm，其余樓層核心筒外樓板厚度為120mm。因核心筒內(nèi)樓板開洞增多，樓板厚度為150mm，梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。

4 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能目標(biāo)

4.1 結(jié)構(gòu)超限情況

根據(jù)抗規(guī)、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7](簡稱高規(guī))、《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))[8]和《山東省超限建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(魯建設(shè)字〔2017〕3號(hào))[9]的有關(guān)規(guī)定，7度區(qū)B級(jí)鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的最大高度為180m，本塔樓結(jié)構(gòu)高度為247.5m，屬于高度超限的高層建筑，故屬于超B級(jí)高度建筑。

塔樓存在以下3項(xiàng)超限情況：1)考慮偶然偏心規(guī)定水平力作用下，2層結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；2)2層樓板部分缺失，開洞面積大于30%，且因此形成穿層柱；3)36層作為空中大堂層，層高7.1m，與37層剛度比小于0.7，為軟弱層，存在剛度突變。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

綜合考慮本塔樓抗震設(shè)防烈度、抗震設(shè)防類別、結(jié)構(gòu)超B級(jí)高度等因素，本塔樓抗震性能目標(biāo)設(shè)定為C級(jí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各地震水準(zhǔn)下性能目標(biāo)如表1所示。

構(gòu)件抗震性能目標(biāo) 表1

5 結(jié)構(gòu)整體分析

5.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性分析

多遇地震作用下采用YJK和ETABS兩個(gè)軟件進(jìn)行計(jì)算分析，使用桿單元模擬所有柱、梁構(gòu)件，殼單元模擬剪力墻。地震作用下，連梁剛度折減系數(shù)取0.7，風(fēng)荷載作用下，連梁剛度折減系數(shù)取1.0。在水平地震作用下，采用考慮扭轉(zhuǎn)耦連的振型分解反應(yīng)譜法(CQC法)，計(jì)算振型個(gè)數(shù)為51個(gè)，周期折減系數(shù)為0.85，主要計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，兩種計(jì)算軟件的計(jì)算結(jié)果相近，說明計(jì)算模型合理、有效。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比不大于0.85，滿足高規(guī)要求。樓層最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.27，小于高規(guī)關(guān)于B級(jí)高度建筑樓層最大扭轉(zhuǎn)位移比限值1.4的要求。本塔樓樓層最小地震剪重比X向?yàn)?.13%，Y向?yàn)?.10%，不滿足剪重比限值1.20%的要求，但大于高規(guī)限值的80%。當(dāng)結(jié)構(gòu)底部剪力不足，而上部樓層均滿足剪重比最小值時(shí)，可按抗規(guī)對(duì)各樓層地震剪力進(jìn)行放大調(diào)整。經(jīng)考慮層高修正的樓層側(cè)向剛度分析，空中大堂層為軟弱層，其余各層均滿足高規(guī)關(guān)于側(cè)向剛度的要求，結(jié)構(gòu)剛度總體能平穩(wěn)過渡。結(jié)構(gòu)各樓層抗剪承載力比值滿足高規(guī)要求，不存在薄弱層。多數(shù)樓層框架柱承擔(dān)的剪力不低于基底剪力的8%；框架柱承擔(dān)的剪力小于基底剪力的20%的樓層需按高規(guī)要求對(duì)框架總剪力進(jìn)行放大，框架各構(gòu)件因地震作用產(chǎn)生的剪力、彎矩計(jì)算值均相應(yīng)調(diào)整。結(jié)構(gòu)剛重比大于1.4，但小于2.7，結(jié)構(gòu)能夠滿足整體穩(wěn)定性要求，但需考慮重力二階效應(yīng)的不利影響。

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果 表2

5.2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析

根據(jù)抗規(guī)5.1.2條的規(guī)定，本塔樓應(yīng)采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充分析。采用5條天然波(TR1～TR5)和2條人工波(RG1，RG2)進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析，并與規(guī)范反應(yīng)譜分析進(jìn)行了比較，進(jìn)一步驗(yàn)證所選地震波的合理性，從而保證彈性時(shí)程分析的結(jié)果可靠。各地震波的特征周期符合抗規(guī)表5.1.4-2的要求，有效峰值加速度按抗規(guī)采用，地震波的有效持續(xù)時(shí)間均不小于5倍的結(jié)構(gòu)基本周期。地震波按雙向輸入，主次方向加速度最大值的比例為1∶0.85。地震波峰值加速度采用抗規(guī)取值：主方向?yàn)?5.0cm/s2，次方向?yàn)?9.75cm/s2。所選地震波的反應(yīng)譜和規(guī)范譜在主要周期點(diǎn)上的對(duì)比見圖6。多組地震時(shí)程波的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的周期點(diǎn)上相差不大于20%，在統(tǒng)計(jì)意義上相符。

圖6 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比

多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法與CQC法計(jì)算的彈性時(shí)程分析結(jié)果見表3。從表3可得，時(shí)程分析法計(jì)算的結(jié)構(gòu)X向和Y向基底剪力平均值均不小于CQC法計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力的80%，7條地震波作用下的基底剪力均不小于CQC法所得基底剪力的65%，且不大于CQC法所得基底剪力的135%，所選地震波滿足規(guī)范要求。

多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)彈性時(shí)程分析的層間位移角和樓層剪力分布分別如圖7，8所示。根據(jù)高規(guī)第4.3.5條和抗規(guī)第5.1.2條規(guī)定，當(dāng)取7組時(shí)程曲線進(jìn)行分析時(shí)，結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)宜取時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果平均值與CQC法計(jì)算結(jié)果的較大值。從圖7可知，各條地震波作用下，各樓層層間位移角分布趨勢與CQC法計(jì)算結(jié)果一致，且最大值均未超過規(guī)范限值1/505的要求。從圖8可知，時(shí)程分析法計(jì)算的個(gè)別樓層剪力略大于CQC法計(jì)算結(jié)果，需采用時(shí)程分析的樓層剪力對(duì)CQC法計(jì)算的樓層剪力進(jìn)行放大調(diào)整，進(jìn)而對(duì)相關(guān)部位的構(gòu)件內(nèi)力和配筋做出相應(yīng)的調(diào)整。

時(shí)程分析法與CQC法計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表3

圖7 多遇地震作用下彈性時(shí)程分析的層間位移角

圖8 多遇地震作用下彈性時(shí)程分析的樓層剪力

5.3 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)分析

按照抗震性能化設(shè)計(jì)的內(nèi)容，補(bǔ)充設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)分析，以驗(yàn)證在設(shè)防烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否滿足相應(yīng)的性能要求。

設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)分析采用等效反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05,連梁剛度折減系數(shù)取0.5。地震作用下，結(jié)構(gòu)X向及Y向最大層間位移角分別為1/390和1/291，均小于彈性層間位移角限值的2倍，滿足抗規(guī)表M1.1-2中性能3關(guān)于層間位移角限值的要求。根據(jù)表1中各類型構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，進(jìn)行設(shè)防地震作用下構(gòu)件驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明各構(gòu)件均能滿足相應(yīng)抗震性能目標(biāo)要求。

塔樓核心筒高寬比為14.9，對(duì)核心筒墻體進(jìn)行設(shè)防地震作用下的拉應(yīng)力驗(yàn)算，在設(shè)防地震標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，地上1～9層部分墻體存在拉力，墻肢全截面軸向拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；風(fēng)荷載基本組合作用下，地上1～9層部分墻體存在拉力，墻肢全截面軸向拉應(yīng)力均小于混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。同時(shí)為滿足性能目標(biāo)3，在地下2層至地上4層墻體邊緣構(gòu)件內(nèi)設(shè)置型鋼，由型鋼承擔(dān)墻肢拉應(yīng)力；在地上5～9層提高受拉墻體的配筋率，由鋼筋來抵抗墻肢拉力；地上10層及以上墻肢均為全截面受壓。

5.4 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

根據(jù)表1中各類型構(gòu)件的性能目標(biāo)，采用等效反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.07,連梁剛度折減系數(shù)取0.3，進(jìn)行罕遇地震作用下構(gòu)件驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果表明各構(gòu)件均能滿足相應(yīng)抗震性能目標(biāo)要求。

采用ABAQUS軟件，考慮構(gòu)件實(shí)配鋼筋和鋼骨，建立結(jié)構(gòu)有限元分析模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。本塔樓選擇了滿足大震作用下場地特征周期頻譜特性要求的2條天然波(TR1，TR2)和1條人工波(RG)，共3條地震波來進(jìn)行罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析。

罕遇地震與多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力對(duì)比見表4。在罕遇地震作用下，大震加速度峰值為220gal，小震加速度峰值為35gal。彈性狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)X向與Y向大震彈性時(shí)程分析的基底剪力與小震CQC法計(jì)算的基底剪力之比的平均值分別為6.52，7.06。彈塑性狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)X向與Y向大震彈塑性時(shí)程分析的基底剪力與小震CQC法計(jì)算的基底剪力之比的平均值分別為3.97，5.14，比值均在合理范圍之內(nèi)，表明隨著地震波輸入強(qiáng)度的增加，結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，剛度有所下降，使得彈塑性分析的基底剪力要小于罕遇地震作用下彈性時(shí)程分析的基底剪力。從表4可得，結(jié)構(gòu)X向與Y向大震彈塑性與大震彈性的基底剪力之比平均值分別為59%，73%，說明罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展較為顯著，結(jié)構(gòu)剛度下降，地震輸入能量被進(jìn)入塑性階段的構(gòu)件耗散，且X向剪力墻塑性發(fā)展更為顯著，結(jié)構(gòu)整體損傷并不嚴(yán)重。

圖9為天然波TR1(Y主方向)作用下彈塑性時(shí)程分析的Y向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移與彈性時(shí)程結(jié)果的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)彈塑性與彈性的周期比值約為1.2，結(jié)構(gòu)彈性剛度退化為原始剛度的70%，結(jié)構(gòu)損傷較小。結(jié)構(gòu)Y向最大位移為1 094mm，結(jié)構(gòu)最終仍能保持直立，滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

罕遇地震與多遇地震作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表4

圖9 天然波TR1(Y主方向)作用下頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線

罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)損傷基本集中在連梁上，剪力墻墻體損壞輕微，核心筒連梁充分發(fā)揮了耗能作用，結(jié)構(gòu)耗能機(jī)制合理。個(gè)別外框柱和框架梁出現(xiàn)輕微的塑性應(yīng)變，大部分外框架柱和框架梁均處于彈性狀態(tài)，沒有明顯的損傷情況。外框架在大震作用下的承載力仍有較大富余，核心筒進(jìn)入塑性后外框架可以起到抗震二道防線的作用。

5.5 風(fēng)荷載分析

本塔樓南面、東面距離海邊1km，地面粗糙度類別介于A類和B類之間，其西面和北面為內(nèi)陸，地面粗糙度類別為C類。因本地區(qū)風(fēng)荷載較大，對(duì)設(shè)計(jì)起控制作用，因此地面粗糙度類別的判定至關(guān)重要，為保證結(jié)構(gòu)主體安全，建議塔樓南面、東面場地類別按A類進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了兩次風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)一：采用剛性模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，通過測試結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)壓分布獲得結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，試驗(yàn)以10°風(fēng)向角為間隔，共進(jìn)行了36個(gè)風(fēng)向角的測試。按A類地面粗糙度進(jìn)行風(fēng)洞環(huán)境模擬及試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算，將風(fēng)洞試驗(yàn)一數(shù)據(jù)和荷規(guī)數(shù)據(jù)比較，結(jié)構(gòu)基底剪力較荷規(guī)值增大了38%，層間位移角也不滿足荷規(guī)要求。風(fēng)洞試驗(yàn)二：按現(xiàn)有場地周邊建筑進(jìn)行風(fēng)洞環(huán)境模擬，按A類地面粗糙度進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算，再次進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)荷載明顯減小。將兩次風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和荷規(guī)值分別進(jìn)行比較，基底總剪力和基底總傾覆力矩比較結(jié)果見表5。風(fēng)荷載作用下樓層層間位移角計(jì)算結(jié)果見圖10。

由表5可知，Y向風(fēng)荷載風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果大于荷規(guī)值。由圖10可知，風(fēng)洞試驗(yàn)一得出的Y向風(fēng)荷載層間位移角為1/459，不滿足高規(guī)要求，最終設(shè)計(jì)采用更符合現(xiàn)場實(shí)際情況的風(fēng)洞試驗(yàn)二結(jié)果，與荷規(guī)值進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

圖10 風(fēng)荷載作用下層間位移角

風(fēng)荷載與多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底總剪力、基底總傾覆力矩比較如表6所示。風(fēng)荷載與多遇地震作用下層間位移角計(jì)算結(jié)果見圖11。由圖11可知，X向風(fēng)荷載下層間位移角和多遇地震作用下層間位移角相當(dāng)，Y向風(fēng)荷載下層間位移角比多遇地震作用下層間位移角大，所以Y向?yàn)轱L(fēng)荷載控制。

風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表5

風(fēng)荷載與多遇地震作用下計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表6

圖11 風(fēng)荷載與多遇地震作用下層間位移角對(duì)比

由表6可知，在風(fēng)荷載和多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向基底總剪力比較接近；在Y向風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)Y向基底總剪力均比在多遇地震作用下的基底總剪力大，Y向風(fēng)荷載起控制作用。

6 施工模擬分析

本項(xiàng)目塔樓高247.5m，為超高層建筑，施工周期較長，根據(jù)高規(guī)第5.1.9條規(guī)定，復(fù)雜高層建筑及房屋高度大于150m的其他高層建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮施工過程的影響。參考文獻(xiàn)[10]，豎向構(gòu)件的累積變形、變形差、內(nèi)力變化較大，需在設(shè)計(jì)階段采取相應(yīng)措施。為了準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力特征，分析了長時(shí)間施工過程中豎向構(gòu)件收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的內(nèi)力和變形的影響，對(duì)塔樓進(jìn)行施工模擬分析。

實(shí)際施工過程中施工人員會(huì)在每個(gè)施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工找平，以避免出現(xiàn)變形累加。施工模擬計(jì)算了從施工開始直至投入使用30年后結(jié)構(gòu)的豎向變形，其變形發(fā)展歷程如圖12所示。

圖12 塔樓豎向變形發(fā)展歷程

從圖12可以看出，主體結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，豎向構(gòu)件的豎向變形隨高度先變大后變小，最大值位于中上部。裝修完成時(shí)，由于豎向荷載增大，各層豎向變形均增大，變形最大值上移；后續(xù)使用階段，由于混凝土自身收縮徐變影響，豎向變形仍繼續(xù)增大，變形最大值出現(xiàn)的部位繼續(xù)上移至頂部。建成使用30年后，外框柱豎向變形最大值為113mm，核心筒豎向變形最大值為90mm。

由于外框柱和核心筒的結(jié)構(gòu)形式、材料特性不同，其豎向變形必然存在差異。結(jié)構(gòu)中，徐變和收縮為混凝土獨(dú)有，鋼材不需要考慮，這是產(chǎn)生變形差的一個(gè)重要因素。定義外框柱與核心筒的豎向變形差為外框柱豎向變形值減去核心筒豎向變形值?？傻盟窃谥黧w完工時(shí)刻、裝修完成時(shí)刻及建筑使用10年后、30年后的豎向變形差變化曲線，如圖13所示。

圖13 各階段外框架與核心筒豎向變形差

由圖13可知，塔樓建成使用30年后，豎向變形差最大值為23mm，出現(xiàn)位置位于塔樓頂部。1～26層外框柱為鋼骨混凝土柱，27層及以上外框柱為混凝土柱，故在標(biāo)高109.1m處豎向變形差曲線存在拐點(diǎn)。在建成使用階段，豎向變形差主要由混凝土收縮變形產(chǎn)生，26層及以上各層豎向變形差較明顯，受鋼骨影響，26層以下豎向變形差不明顯。根據(jù)豎向變形差的豎向分布，塔樓上部的1/3樓層在設(shè)計(jì)階段需要考慮長期豎向變形的影響。

7 結(jié)論

(1)本塔樓地基為巖石地基，地基承載力很高，對(duì)于獨(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)的抗剪計(jì)算，國標(biāo)規(guī)范沒有給出相應(yīng)的計(jì)算方法，可參考貴州省及廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)巖石地基基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在概念合理、滿足安全的前提下，節(jié)省造價(jià)。

(2)對(duì)于高度200m左右的塔樓，風(fēng)荷載比較大的區(qū)域，對(duì)是否設(shè)置伸臂桁架進(jìn)行比較，最終采用核心筒加寬，不設(shè)置伸臂桁架的方案。

(3)當(dāng)?shù)孛娲植诙阮悇e對(duì)結(jié)構(gòu)選型影響較大，且無法準(zhǔn)確判斷地面粗糙度類別時(shí)，可模擬項(xiàng)目所在地的建筑環(huán)境，選擇合理的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(4)對(duì)塔樓進(jìn)行施工模擬分析，準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力特征，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的加強(qiáng)。