銀川綠地中心超高層雙塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

范 重，王義華，劉學(xué)林，王金金，張 宇，邢 超，胡純煬，趙延彤

(1 中國建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044；2 美國H+P建筑結(jié)構(gòu)事務(wù)所，芝加哥 60654)

1 工程概況

銀川綠地中心超高層項(xiàng)目位于寧夏回族自治區(qū)銀川市北部，閱海灣中央商務(wù)區(qū)的中心區(qū)。地上由南、北兩座塔樓及南、北兩座裙房組成。南、北塔樓建筑高度均為301m；南、北裙房建筑高度均為23.90m。兩塔樓地下3層(地下1層帶有局部夾層)。項(xiàng)目總建筑面積35.038萬m2，其中地下建筑面積82 425m2，地上建筑面積267 594m2。建筑效果及平面布置如圖1所示。

圖1 銀川綠地中心建筑效果圖及平面布置

南塔樓地上66層(含夾層)，地上51層及以下主要用于辦公，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m。頂部部分樓層為行政公寓及餐廳，地上建筑面積122 797m2。

北塔樓地上66層(含夾層)，地上51層及以下主要用于辦公，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m。52層及以上部分為酒店客房、健身、休閑會(huì)議、空中酒吧和設(shè)備機(jī)房，地上建筑面積122 643m2。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱抗震規(guī)范)，擬建場地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組屬第二組，場地類別為Ⅲ類。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2](簡稱荷載規(guī)范)，銀川市不同重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓w0與驗(yàn)算類別如表1所示，地面粗糙度類別為B類。銀川市的基本風(fēng)壓已經(jīng)超過我國部分沿海城市。50年重現(xiàn)期的基本雪壓S0=0.20kN/m2，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅱ區(qū)。

銀川市基本風(fēng)壓與驗(yàn)算類別 表1

地下室外墻、頂板等室外構(gòu)件，處于露天環(huán)境的雨棚和屋頂女兒墻等構(gòu)件，環(huán)境類別為二b類。

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)布置

銀川綠地中心南、北塔樓平面均略呈平行四邊形，均采用框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，其X向與Y向的邊長均為43m，外框柱基本柱距為9m，對(duì)平面角部的兩個(gè)銳角進(jìn)行圓化處理，最大高寬比為301/43.75=6.88；核心筒平面長24.5m，寬20.95mm，高寬比為281.8/20.95=13.45。南、北塔樓結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見圖2。

圖2 南、北塔樓結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

銀川市為高烈度區(qū)，塔樓高度超過《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))B級(jí)高度150m限值較多。結(jié)合建筑避難層和設(shè)備層的布置情況，南塔樓分別在33層、33夾層和51層、51夾層核心筒外墻角部設(shè)置伸臂桁架，與環(huán)桁架構(gòu)成結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。北塔樓分別在27層、27夾層和51層、51夾層核心筒外墻角部設(shè)置伸臂桁架，與環(huán)桁架構(gòu)成結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與抗扭能力，減小核心筒墻體在中震作用下的拉應(yīng)力。塔樓結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 塔樓結(jié)構(gòu)體系

塔樓標(biāo)高250m以上為塔冠，核心筒剪力墻上延至弧形屋頂，在提供側(cè)向剛度的同時(shí)，便于布置插窗機(jī)。塔冠周邊采用鋼結(jié)構(gòu)，框架柱為箱形鋼管柱，截面為□700×700×25×25，H型鋼梁間距為4m，角部圓弧采用圓鋼管，材質(zhì)均為Q345C，通過歐拉公式確定構(gòu)件的計(jì)算長度系數(shù)。頂部塔冠幾何模型如圖4所示。

圖4 頂部塔冠幾何模型

由于北塔樓的結(jié)構(gòu)布置與南塔樓大體相同，結(jié)構(gòu)抗震性能與計(jì)算結(jié)果非常接近。簡明起見，以下僅給出南塔樓的相關(guān)內(nèi)容。

2.2 框架梁、樓面梁和樓板

外框梁采用實(shí)腹H型鋼，1～2層主要截面為H1 100×400×28×40，2層以上樓層主要截面為H850×350×20×35。樓面梁主要采用HN500×200×10×16和HN496×199×9×14，滿足承載力、撓度與舒適性要求。在H型鋼梁上翼緣設(shè)置圓頭焊釘，與鋼筋桁架樓承板的現(xiàn)澆混凝土樓板形成組合結(jié)構(gòu)。

塔樓核心筒外采用鋼筋桁架樓承板+現(xiàn)澆混凝土板，普通樓層樓板厚度120mm，伸臂桁架上、下弦樓層樓板厚度180mm。鋼筋桁架樓承板作為樓板施工階段的模板，鍍鋅鋼板厚0.5mm。核心筒內(nèi)采用現(xiàn)澆混凝土梁板，樓板厚度130mm。首層樓板厚度200mm，覆土地下室頂板厚度250mm。

2.3 框架柱與核心筒剪力墻

由于塔樓高度大，且風(fēng)荷載、地震作用均很大，框架柱采用型鋼混凝土柱，下部型鋼的含鋼率約為7%，上部的含鋼率約為4%，可以減小構(gòu)件截面尺寸，提高承載力與抗震性能?？蚣苤炷翉?qiáng)度等級(jí)為C60～C50。型鋼混凝土柱的抗震等級(jí)為一級(jí)，軸壓比不超過0.7；當(dāng)剪跨比不大于2時(shí)，軸壓比不超過0.65。外框柱截面規(guī)格見表2。

外框柱截面規(guī)格 表2

核心筒外墻底部最大厚度1 300mm，逐漸減薄至頂層400mm，內(nèi)墻厚度從底部600mm逐漸減薄至頂層300mm，剪力墻連梁高度主要為800mm。地下1層到地上8層的高度范圍內(nèi)，在核心筒外墻中設(shè)置型鋼與鋼板，提高墻肢拉剪承載力。在伸臂桁架/環(huán)帶桁架加強(qiáng)層及上、下一層，在剪力墻內(nèi)布置型鋼，改善構(gòu)件抗震性能的同時(shí)，有利于與其他鋼構(gòu)件連接。本工程核心筒墻體為特一級(jí)，根據(jù)超限審查意見，控制剪力墻軸壓比不超過0.45。核心筒墻體截面規(guī)格見表3。

核心筒墻體截面規(guī)格 表3

2.4 伸臂桁架與環(huán)帶桁架

本工程結(jié)合避難層/設(shè)備層，在27層、27夾層和51層、51夾層設(shè)置伸臂桁架和環(huán)帶桁架，與型鋼混凝土柱、核心筒形成多重抗側(cè)力體系，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，發(fā)揮外框架柱抗傾覆的作用，從而顯著提高了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。加強(qiáng)層高度均為8.4m。伸臂桁架弦桿與腹桿均采用箱形構(gòu)件，環(huán)帶桁架弦桿采用H型鋼構(gòu)件，腹桿采用箱形構(gòu)件，構(gòu)件截面規(guī)格見表4，材質(zhì)均為Q420GJC。

伸臂桁架與環(huán)桁架截面 表4

在水平力作用下，伸臂桁架根部受力集中。兩個(gè)方向的伸臂桁架均需延伸至核心筒墻體內(nèi)部，故此多個(gè)構(gòu)件交匯于外墻的角部。由于桁架板件厚度較大，而上部墻體厚度相對(duì)較薄，節(jié)點(diǎn)加工制作難度很大，通常需要采用鑄鋼件。

本工程進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，伸臂桁架箱形構(gòu)件在端部僅保留腹板，逐漸收窄構(gòu)件寬度，適當(dāng)加大腹板厚度、在雙腹板之間設(shè)置連接板，方便桁架插入核心筒外墻和澆筑混凝土。此外，還通過采用鋼板二次微彎制作工藝，將與墻體夾角較大的桁架桿件貫通，另一方向桁架桿件焊接在貫通構(gòu)件之上。采用焊接工藝代替鑄鋼件后，可以顯著節(jié)約造價(jià)，縮短工期。伸臂桁架與核心筒的連接構(gòu)造如圖5所示。

圖5 伸臂桁架與核心筒的連接構(gòu)造

2.5 基礎(chǔ)

本工程地下室埋深約15.7m。塔樓主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡量采用高強(qiáng)、高性能材料，減輕結(jié)構(gòu)自重，減小水平地震作用與地基壓力。

塔樓采用樁-筏基礎(chǔ)，綜合考慮核心筒剪切、沖切、受彎鋼筋配筋率以及差異沉降控制等因素，塔樓底板厚4.0m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。鉆孔灌注樁樁徑為1 000mm，采用后注漿工藝，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45。樁端持力層為層細(xì)砂層或?qū)臃圪|(zhì)黏土[4]，樁長45m，單樁豎向抗壓承載力特征值12 500kN。結(jié)構(gòu)封頂時(shí)，核心筒實(shí)測最大沉降量為65mm，塔樓中點(diǎn)與邊框柱的沉降差小于筏板寬度的1/2 000。塔樓基礎(chǔ)平面布置如圖6所示。

圖6 塔樓基礎(chǔ)平面布置圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與抗震性能目標(biāo)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

銀川為高烈度區(qū)，且風(fēng)荷載較大，精準(zhǔn)確定與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度相關(guān)的計(jì)算參數(shù)非常關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的主要參數(shù)見表5。連梁較早發(fā)生損傷，進(jìn)行塑性耗能，剛度顯著退化，通過小震與中震作用下的時(shí)程分析，可以確定連梁的剛度折減系數(shù)與等效附加阻尼比[5]。與H型鋼梁相比，H型鋼梁-現(xiàn)澆混凝土板組合梁在跨中抗彎剛度可增大2～3倍以上，但組合梁在框架柱附近的負(fù)彎矩區(qū)，受混凝土開裂影響，抗彎剛度僅能增大10%左右，因此需要根據(jù)組合梁正、負(fù)彎矩區(qū)的長度綜合確定中梁剛度放大系數(shù)[6]。

塔樓主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)：核心筒地上各樓層、地下1層和地下1層夾層均為特一級(jí)，地下2層為一級(jí)，地下3層為二級(jí)；外框架地下1層、地下1層夾層、底部加強(qiáng)區(qū)、加強(qiáng)層及其相鄰層均為特一級(jí)，其余地上樓層為一級(jí)，地下2層為一級(jí)，地下3層為二級(jí)；框架梁地下1層、地下1夾層、地上各樓層均為一級(jí)，地下2層及以下為二級(jí)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要參數(shù) 表5

3.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的受力特點(diǎn)與重要性，采用的抗震性能目標(biāo)如表6所示。

4 主要計(jì)算結(jié)果

4.1 計(jì)算軟件與計(jì)算假定

采用YJK軟件進(jìn)行塔樓小震與中震下的計(jì)算分析，采用ETABS軟件進(jìn)行校核計(jì)算與彈性時(shí)程分析，采用SAP2000軟件進(jìn)行塔冠結(jié)構(gòu)專項(xiàng)分析，采用PERFORM-3D軟件進(jìn)行罕遇地震下彈塑性時(shí)程分析。塔樓豎向構(gòu)件連續(xù)，主要樓層樓板完整。在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析時(shí)，除加強(qiáng)層頂、底樓板外，均采用剛性樓板假定；在進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算時(shí)，采用彈性樓板假定。

塔樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo) 表6

塔樓X向剛重比為2.483，Y向剛重比為2.324，均大于1.4，滿足整體穩(wěn)定性要求；但剛重比小于2.7，需要考慮重力二階效應(yīng)的影響。

塔樓X向地下1層與首層的剪切剛度為4.436，Y向地下1層與首層的剪切剛度比為5.578，地下室頂板滿足對(duì)上部結(jié)構(gòu)的嵌固要求。因此，在進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析時(shí)，僅考慮首層及以上樓層的計(jì)算模型，采用瑞利-里茲阻尼，阻尼比為0.04。

4.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

計(jì)算時(shí)取用前30階振型。YJK軟件得到的前3階振型模態(tài)和前12階振型相應(yīng)的周期如圖7和表7所示。扭轉(zhuǎn)周期與平動(dòng)周期比Tt/T1=0.581<0.85，滿足抗震規(guī)范要求。X向與Y向的振型質(zhì)量參與系數(shù)分別為99.91%及99.90%，滿足振型質(zhì)量參與系數(shù)不小于90%的要求。

圖7 塔樓的前3階振型模態(tài)

4.3 結(jié)構(gòu)側(cè)向變形

在多遇地震和風(fēng)荷載作用下，分別計(jì)算了X向、Y向、45°和135°方向塔樓的最大層間位移角。塔樓結(jié)構(gòu)在X向地震下的最大層間位移角為1/516，風(fēng)荷載下的最大層間位移角為1/553；Y向地震下的最大層間位移角為1/508，風(fēng)荷載下的最大層間位移角為1/503；45°方向地震下的最大層間位移角為1/531，風(fēng)荷載下的最大層間位移角為1/522(45層)，135°方向地震下的最大層間位移角為1/529，風(fēng)荷載下的最大層間位移角為1/529，均滿足抗震規(guī)范不大于1/500的要求。結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大層間位移角如圖8所示。在多遇地震作用下，連梁的變形角小于主體結(jié)構(gòu)相應(yīng)樓層的層間位移角[7]。在各方向地震作用下，大部分樓層外框架分擔(dān)的剪力大于8%。

結(jié)構(gòu)自振周期與振型 表7

圖8 結(jié)構(gòu)最大層間位移角

根據(jù)抗震規(guī)范，選取3組地面強(qiáng)震加速度記錄作為非線性動(dòng)力時(shí)程分析的地震輸入，其中2組為與設(shè)計(jì)目標(biāo)反應(yīng)譜相符的真實(shí)強(qiáng)震地面加速度記錄(天然波1、天然波2)，1組為與設(shè)計(jì)目標(biāo)反應(yīng)譜相符的人工模擬地面加速度時(shí)程(人工波1)，峰值加速度均為400gal。

根據(jù)抗震規(guī)范相關(guān)要求，進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，每一組地震記錄分別進(jìn)行雙向輸入，X，Y兩個(gè)方向峰值加速度的比值為1.0∶0.85。地震波主方向相應(yīng)的最大層間位移角如圖9所示。由圖可知，各地震工況作用下各樓層最大層間位移角均未超過抗震規(guī)范限值1/100，結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性變形可以滿足抗震規(guī)范要求。在罕遇地震作用下，底部和加強(qiáng)層墻肢塑性發(fā)展程度不高，底部和加強(qiáng)層少數(shù)柱進(jìn)入塑性，但小于LS水準(zhǔn)；少量框架梁屈服，但小于LS限值，伸臂桁架基本處于彈性狀態(tài)。下部連梁的最大變形角顯著大于整體結(jié)構(gòu)的最大層間位移角，連梁塑性發(fā)展充分，說明其損傷較為嚴(yán)重[7]。

圖9 地震波主方向相應(yīng)的最大層間位移角

4.4 中震下墻肢拉應(yīng)力

計(jì)算墻肢拉應(yīng)力時(shí)考慮型鋼和鋼板的作用，按彈性模量折算得到墻肢的名義拉應(yīng)力：

(1)

式中：σ為墻體的拉應(yīng)力；N為中震(不屈服)作用下墻肢的拉力值；As和ρ為分別為構(gòu)件鋼板、型鋼面積和含鋼率；bw與h分別為墻肢的厚度與長度；Es和Ec分別為鋼材和混凝土的彈性模量。

塔樓核心筒外墻編號(hào)如圖10所示。在設(shè)防烈度雙向地震作用下，核心筒外墻墻肢的名義拉應(yīng)力如圖11所示。由圖可知，首層核心筒角部墻肢名義拉應(yīng)力的最大值為9.67MPa，中部墻肢名義拉應(yīng)力的最大值為9.47MPa。隨著樓層位置增高，名義拉應(yīng)力迅速減小，8層及以上樓層名義拉應(yīng)力的最大值小于2ftk。

圖10 核心筒外墻編號(hào)

圖11 核心筒外墻在中震作用下墻肢的名義拉應(yīng)力

4.5 風(fēng)洞試驗(yàn)與舒適度驗(yàn)算

為了確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載與頂部樓層的風(fēng)致加速度，在RWDI公司位于加拿大安大略省的2.4m×2.0m邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，縮尺模型比例為1∶500[8]。測試范圍包括塔樓周圍580m半徑范圍內(nèi)地貌與建筑物，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D12所示。

圖12 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)荷載規(guī)范附錄J，計(jì)算得到塔樓順風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度為0.073m/s2，橫風(fēng)向頂點(diǎn)最大加速度為0.176m/s2，滿足我國高規(guī)辦公樓加速度不大于0.25m/s2的舒適性要求。根據(jù)RWDI的分析結(jié)果，南塔樓56層10年重現(xiàn)期的加速度為0.19m/s2，滿足ISO 10137∶2007[9]對(duì)住宅和辦公建筑風(fēng)振加速度的要求。

5 鋼板組合剪力墻

5.1 鋼板組合剪力墻構(gòu)造

塔樓結(jié)構(gòu)高寬比較大，在設(shè)防烈度地震作用下，核心筒下部墻肢出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。在下部8層高度范圍內(nèi)設(shè)置鋼板組合剪力墻，以提高鋼筋混凝土墻體的抗拉與抗剪承載力，且可有效提高結(jié)構(gòu)的延性，減小墻體厚度。

與僅在墻體中設(shè)置型鋼相比，鋼板組合剪力墻中板厚較小，較小板厚鋼材的強(qiáng)度較高，可以減小用鋼量。但對(duì)于厚度較大的組合剪力墻，鋼筋與鋼板連接構(gòu)造復(fù)雜，穿孔削弱鋼板截面，施工難度較大。此外，鋼板與兩側(cè)混凝土的整體共同工作性能也應(yīng)受到高度重視[10]。

在銀川綠地中心鋼板組合剪力墻設(shè)計(jì)時(shí)，鋼板與型鋼間隔布置，以提高施工階段鋼板的面外穩(wěn)定性，減小鋼板厚度，提高鋼材的利用率。利用較長的錨筋代替部分普通栓釘，通過鋼筋連接器與鋼板連接，在錨筋端部設(shè)置螺母提高錨固能力。長栓釘?shù)睦Y(jié)作用可以顯著增強(qiáng)鋼板與兩側(cè)混凝土的整體性；長栓釘代替貫穿鋼板的拉筋，可以減小鋼筋孔對(duì)鋼板截面的削弱，提高鋼材的利用率，同時(shí)避免拉結(jié)鋼筋施工困難的問題，施工難度較小，易于保證質(zhì)量。鋼板組合剪力墻的構(gòu)造如圖13所示。

圖13 鋼板組合剪力墻的構(gòu)造

5.2 鋼板組合剪力墻拉彎承載力計(jì)算方法

根據(jù)我國現(xiàn)行《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))[11]，中震時(shí)出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件應(yīng)采用高規(guī)中特一級(jí)構(gòu)造，中震時(shí)雙向水平地震下，墻肢全截面由軸向拉力產(chǎn)生的平均名義拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)宜設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力，且平均名義拉應(yīng)力不宜超過兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。此時(shí)可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用。當(dāng)全截面型鋼和鋼板的含鋼率超過2.5%時(shí)，平均名義拉應(yīng)力可按比例適當(dāng)放松。

在中震作用下，可按照小偏拉組合構(gòu)件進(jìn)行墻肢承載力計(jì)算[12]。為了表征鋼板混凝土剪力墻承受軸向拉力的特性，參照受壓混凝土構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)方法，忽略混凝土對(duì)抵抗軸向拉力的貢獻(xiàn)，將剪力墻在中震作用時(shí)承受的拉力與鋼材抗拉承載力之比作為構(gòu)件的軸拉比nt：

(2)

式中：fp為鋼板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ap為鋼板的截面面積。

在清華大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行7個(gè)鋼板組合墻縮尺模型的拉彎試驗(yàn)[13-14]。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)軸拉比不大于0.6時(shí)，鋼板組合剪力墻具有良好的抗震性能。因此，在本工程進(jìn)行中震作用下墻體小偏拉設(shè)計(jì)時(shí)，鋼板組合墻按照軸拉比不大于0.6控制。

配置長短栓釘鋼板組合剪力墻現(xiàn)場施工情況如圖14所示。由于充分發(fā)揮了組合構(gòu)件拉彎承載力高的優(yōu)勢，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

圖14 配置長短栓釘?shù)匿摪褰M合剪力墻施工情況

6 多連梁

6.1 多連梁的構(gòu)造形式

在超高層結(jié)構(gòu)中，連梁的截面尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度影響很大。增大連梁的高度，連梁承受的剪力隨之增大，無法滿足剪壓比要求，構(gòu)件變形能力與耗能均變差，難以實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)剪弱彎”的變形機(jī)制。減小連梁高度將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不足[15-16]。

在核心筒建筑門洞的位置，可以利用門洞上方的高度設(shè)置雙連梁，連梁之間的空隙可供設(shè)備管線通過。此外，為了避免結(jié)構(gòu)中的墻肢過長，通常在長剪力墻的中部設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口。沿樓層高度均勻布置多個(gè)連梁取代傳統(tǒng)的單連梁，令多個(gè)連梁的抗彎剛度之和與單連梁的抗彎剛度相等，剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度保持不變。多連梁中各連梁的截面高度小于單連梁，但其面積之和顯著大于單連梁，使得連梁的抗剪能力大大提高。隨著連梁截面高度減小，連梁的跨高比隨之增大，可以顯著改善連梁的變形能力與耗能能力，減小結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角[17]。多連梁的構(gòu)造形式如圖15所示。

圖15 多連梁的構(gòu)造形式

6.2 多連梁設(shè)計(jì)方法

在進(jìn)行剪力墻多連梁設(shè)計(jì)時(shí)，令多個(gè)連梁的抗彎剛度與普通單連梁的抗彎剛度相等。

EcI1=i·EcIi

(3)

式中I1與Ii分別為普通連梁(單連梁)和多連梁的截面慣性矩，i=2，3，…。

連梁的跨高比通常較小，在確定梁端部彎矩M與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系時(shí)，需要考慮剪切變形的影響。根據(jù)連梁端部的彎矩，可以得到連梁的剪力。當(dāng)多個(gè)連梁的抗彎剛度之和與普通連梁相等時(shí)，在水平荷載作用下塔樓墻肢的轉(zhuǎn)角沿高度基本保持不變，通過假定多個(gè)連梁梁端彎矩之和與普通連梁梁端彎矩相等，可得多連梁中各連梁截面高度與普通梁高度的關(guān)系如下：

(4)

式中βi為剪切變形影響系數(shù)，βi=3.0(hi/ln)2(i=1，2，3，…)，其中hi和ln分別為連梁的高度與跨度。

多連梁技術(shù)在銀川綠地中心塔樓設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用，對(duì)于采用單連梁無法滿足剪壓比要求、損傷程度較大的部位，采用多連梁代替單連梁，取得了良好的效果。多連梁施工現(xiàn)場的情況如圖16所示。

圖16 多連梁的應(yīng)用情況

7 項(xiàng)目建設(shè)情況

本項(xiàng)目建設(shè)單位是綠地控股集團(tuán)有限公司。建筑概念方案由約翰·波特曼建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所完成。北塔結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)由美國H+P結(jié)構(gòu)事務(wù)所完成，南塔初步設(shè)計(jì)由中國建筑設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)，正式抗震超限審查報(bào)告和施工圖設(shè)計(jì)均由中國建筑設(shè)計(jì)研究院完成。項(xiàng)目總承包單位為中鐵城建集團(tuán)有限公司，中冶建工集團(tuán)有限公司和中國建筑第二工程局有限公司分別負(fù)責(zé)南、北塔的鋼結(jié)構(gòu)深化，塔樓施工現(xiàn)場照片見圖17。項(xiàng)目于2016年7月完成超限審查，2017年全面開工建設(shè)，2019年5月結(jié)構(gòu)封頂。

圖17 塔樓施工現(xiàn)場

8 結(jié)論

通過銀川綠地中心超高層雙塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以得到如下結(jié)論：

(1)301m雙塔地處高烈度區(qū)，風(fēng)荷載較大，采用框架-核心筒+2道伸臂桁架/環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)體系，準(zhǔn)確取用結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)，并采取了多種抗震加強(qiáng)措施，在多遇地震與罕遇地震作用下，塔樓可以達(dá)到預(yù)期的抗震性能目標(biāo)。

(2)通過厚板多次微彎制作工藝，并采用焊接工藝實(shí)現(xiàn)了伸臂桁架與核心筒角部復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的加工制作，避免了采用大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)。

(3)塔樓底部樓層采用鋼板組合剪力墻，通過配置長短栓釘，避免鋼筋孔造成鋼板削弱，提高了厚剪力墻的整體性。

(4)在中震作用下，鋼板組合剪力墻按照小偏拉構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算，軸壓比不大于0.6，有效減少了鋼材用量。

(5)建筑門洞與結(jié)構(gòu)洞口受力集中的部位，通過采用多連梁技術(shù)，有效解決了連梁在地震作用下剪壓比難以滿足要求的問題。