海口融創(chuàng)觀光塔結(jié)構(gòu)設計

李 強，趙 凱，韓娜娜，孫紹東，宋靜賢

(1 青島騰遠設計事務所有限公司， 青島 266100；2 中國海洋大學西海岸校區(qū)建設指揮部， 青島 266000；3 青島酒店管理職業(yè)技術學院， 青島 266000)

0 引言

高聳結(jié)構(gòu)普遍造型復雜，高寬比較大，受力特性與普通混凝土結(jié)構(gòu)有著很大的差別[1-6]，驗算設計標準有其特殊性，而高聳鋼結(jié)構(gòu)由于自重較輕，其動力特性又與高聳混凝土結(jié)構(gòu)有較大差異[7-8]。本文結(jié)合海口融創(chuàng)觀光塔鋼結(jié)構(gòu)項目，對高聳鋼結(jié)構(gòu)的受力性能進行分析。

1 工程概況

海口融創(chuàng)觀光塔建筑總高度約為88m，建筑面積約為751m2，核心筒直徑約為10.8m，外附鋼管交叉網(wǎng)格。本項目內(nèi)部設置有兩個電梯井、一部剪刀梯以及風井、水井、強弱電井等。頂部塔冠部分設有觀景平臺以及花朵造型塔冠。建成后觀光塔整體效果見圖1，整個建筑采用仿棕櫚樹造型，頂部塔冠為椰子造型，塔身由變色的交叉網(wǎng)格環(huán)繞，模擬棕櫚表面的質(zhì)感。

圖1 海口融創(chuàng)觀光塔整體效果圖

2 結(jié)構(gòu)分析與設計

2.1 主要荷載作用

荷載工況主要包括恒荷載、活荷載、風荷載、地震作用和溫度作用，各項荷載的取值如下。

恒荷載(D)：自重由STRAT軟件程序自動計算；其他恒荷載根據(jù)實際情況取值。

活荷載(L)：觀光平臺荷載2.5kN/m2，頂部消防水箱吊掛荷載10kN/m2。

風荷載(W)：基本風壓為0.75 kN/m2(50年一遇)。

地震作用(E)：根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)(簡稱抗震規(guī)范)，本工程抗震設防烈度為8度，設計基本加速度為0.30g，設計地震分組為第二組，場地類別為II類，場地特征周期為0.40s。水平地震影響系數(shù)最大值0.24。地震作用采取振型分解反應譜法，多遇地震作用下結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02。本工程計算X,Y向水平地震作用(考慮雙向地震)及Z向豎向地震作用下結(jié)構(gòu)的周期、位移以及應力比。

溫度荷載(T)：溫度作用考慮升溫20℃，降溫20℃兩個工況；本地區(qū)最低氣溫10℃，最高氣溫37℃。預估鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度20℃。

圖2 觀光塔核心筒模型圖

圖3 塔身標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 環(huán)形水平支撐桁架加強層結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.2 設計準則

工程結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性，確定構(gòu)件應力比的控制原則為：所有構(gòu)件的應力比不大于0.85，主受力構(gòu)件應力比不大于0.80。

3 結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)設計方案有兩種。方案一采用鋼管柱、環(huán)形桁架及鋼梁的受力體系，核心筒由7根鋼管柱組成；方案二塔身采用交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，用網(wǎng)格作為整體結(jié)構(gòu)的支撐體系。

方案一與方案二的主要區(qū)別在于塔身的結(jié)構(gòu)布置，兩個方案塔冠的設計思路是一致的。

3.1 方案一核心筒結(jié)構(gòu)布置

觀光塔建筑外形呈對稱分布，觀光塔入口有大堂，考慮建筑空間因素需要抽掉入口大堂位置的柱子，故結(jié)構(gòu)為非完全對稱形式，觀光塔核心筒模型圖如圖2所示。鋼柱均為圓鋼管，入口大堂兩側(cè)鋼柱管徑1 200mm，壁厚60mm，向上壁厚依次減小為50，25，20mm；其他鋼柱管徑1 200mm，壁厚50mm，向上壁厚依次減小為35，25，20mm；鋼管柱共有7根，均采用Q345B鋼材。

塔身標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖3所示，鋼構(gòu)件均采用矩形管截面，與鋼柱相連的環(huán)形梁截面為500×300×16×25；核心筒內(nèi)部主梁截面為500×300×20×30；鋼構(gòu)件均采用Q345B鋼材。

為滿足結(jié)構(gòu)計算要求，結(jié)合建筑層高，沿縱向每隔14.26m設置環(huán)形水平支撐桁架加強層(圖4)，布置有內(nèi)部加強桁架HJ1b，HJ2b，HJ3b，HJ4b，HJ5b以及外圈環(huán)形桁架HHJb。加強層外圈環(huán)形桁架HHJb展開示意圖見圖5，上下弦采用矩形管，截面為400×300×12×20，腹桿采用矩形管，截面為200×200×8×8。環(huán)形桁架內(nèi)部設置的加強桁架，上下弦采用矩形管，截面為500×300×14×20，腹桿采用矩形管，截面為200×200×8×8。

圖5 外圈環(huán)桁架HHJb展開示意圖

3.2 方案二交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)布置

交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為一種新型的高層結(jié)構(gòu)受力體系，其結(jié)構(gòu)由豎向網(wǎng)格拼合而成，具有良好的空間受力性能[9-10]，其造型美觀多樣，網(wǎng)格單元可由鋼管構(gòu)件實現(xiàn)，適用于本項目觀光塔的結(jié)構(gòu)布置。

方案二考慮幕墻外龍骨為交叉網(wǎng)格造型，本身具有較大整體剛度，主體結(jié)構(gòu)結(jié)合幕墻造型構(gòu)建交叉網(wǎng)格承受豎向及水平作用，內(nèi)部結(jié)合建筑樓層布置，沿縱向每隔14.26m設置一道環(huán)形水平支撐桁架提高網(wǎng)格筒內(nèi)部剛度。外交叉網(wǎng)格采用φ500×25圓鋼管截面，觀光塔交叉網(wǎng)格模型圖見圖6，塔身在有平臺位置布置平臺梁，在頂部位置設置環(huán)形桁架承托塔冠轉(zhuǎn)換鋼柱，實現(xiàn)與方案一相同的結(jié)構(gòu)布置。

3.3 塔冠的結(jié)構(gòu)布置

觀光塔頂部塔冠部分設有觀景平臺以及花朵造型塔冠，花朵造型塔冠的模型圖見圖7。

圖6 觀光塔交叉網(wǎng)格模型圖

圖7 花朵造型塔冠模型圖

塔冠鋼構(gòu)件均采用Q345B鋼材，主龍骨采用矩形管，截面360×200×10×10，370×200×12×12，350×200×10×10；次龍骨采用矩形管，截面為100×100×5×5。標高83.730m處桁架上下弦與塔冠主龍骨連接桿采用矩形管，截面為300×200×10×10。

花朵造型下設置有棕櫚葉造型，棕櫚葉主龍骨采用矩形管，截面為250×150×8×8，次龍骨采用矩形管，截面為150×150×8×8。棕櫚葉根部與鋼梁連接，在標高75.800m處棕櫚葉與鋼桁架下弦桿連接，連接桿采用矩形管，截面為250×150×8×8。

4 整體計算結(jié)果

本工程主要采用佳STRAT通用建筑結(jié)構(gòu)軟件進行建模分析設計，以SAP2000軟件進行分析輔助驗算?，F(xiàn)對兩個結(jié)構(gòu)方案的STRAT分析結(jié)果進行介紹。

4.1 周期

4.1.1 方案一

方案一的結(jié)構(gòu)周期見表1，結(jié)構(gòu)的第1，2，3階振型周期分別為3.30，2.97，1.67s，第3周期開始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應，周期比T3/T1為0.51，觀光塔結(jié)構(gòu)的抗扭剛度強，結(jié)構(gòu)體系布置合理。

4.1.2 方案二

方案二的結(jié)構(gòu)周期見表1，結(jié)構(gòu)的第1，2，3階振型周期分別為2.53，2.52，0.92s，第3周期開始出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)效應，周期比T3/T1為0.36，觀光塔結(jié)構(gòu)的抗扭剛度強，結(jié)構(gòu)體系布置合理。

兩個方案的結(jié)構(gòu)周期/s 表1

由表1可以看出，兩個方案的1階振型均為Y向平動，2階振型均為X向平動，結(jié)構(gòu)方案均比較合理，方案二交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)周期更小、剛度更大，由于無需考慮塔底門口抽柱的影響，結(jié)構(gòu)可以對稱布置，X，Y向平動周期幾乎相同，結(jié)構(gòu)布置更有優(yōu)勢。

4.2 水平荷載作用下位移

采用STRAT軟件對兩個結(jié)構(gòu)方案分別在小震和50年一遇風荷載作用下的變形進行計算,得到了位移以及位移角計算結(jié)果。

4.2.1 方案一

小震作用下X向結(jié)構(gòu)水平位移見圖8(a)，Y向結(jié)構(gòu)水平位移見圖8(b)；風荷載作用下X向結(jié)構(gòu)水平位移見圖9(a)，Y向結(jié)構(gòu)水平位移見圖9(b)。小震作用下最大水平位移分別為X向185.481mm,Y向210.162mm，彈性層間位移角分別為X向1/474,Y向1/419；風荷載作用下最大水平位移分別為X向129.483mm,Y向155.396mm，彈性層間位移角分別為X向1/680,Y向1/566。

根據(jù)位移計算結(jié)果，方案一的結(jié)構(gòu)布置滿足抗震規(guī)范對多高層鋼結(jié)構(gòu)規(guī)定的1/250彈性層間位移角的限值要求，可判定結(jié)構(gòu)設計合理，結(jié)構(gòu)方案可行。

4.2.2 方案二

小震作用下X向結(jié)構(gòu)水平位移見圖10(a)，Y向結(jié)構(gòu)水平位移見圖10(b)；風荷載作用下X向結(jié)構(gòu)水平位移見圖11(a)，Y向結(jié)構(gòu)水平位移見圖11(b)。小震作用下結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為X向145.003mm,Y向145.307mm，彈性層間位移角分別為X向1/607,Y向1/606；風荷載作用下的結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為X向97.063mm,Y向98.162mm，彈性層間位移角分別為X向1/907,Y向1/896。

圖8 方案一地震作用下結(jié)構(gòu)水平位移/mm

圖9 方案一風荷載作用下結(jié)構(gòu)水平位移/mm

圖10 方案二地震作用下結(jié)構(gòu)水平位移/mm

根據(jù)計算結(jié)果，方案二的結(jié)構(gòu)布置也可以滿足抗震規(guī)范對多高層鋼結(jié)構(gòu)規(guī)定的1/250彈性層間位移角的限值要求，可判定結(jié)構(gòu)設計合理，結(jié)構(gòu)方案可行。

4.3 豎向變形

方案一在D+L工況作用下結(jié)構(gòu)最大豎向位移為76.640mm，方案二在D+L工況作用下結(jié)構(gòu)最大豎向位移為33.794mm。兩個方案的豎向變形均滿足觀光塔的使用要求，并且不影響電梯的安裝使用。

4.4 構(gòu)件驗算控制標準

為讓周期及位移計算具有可比性,兩種方案桿件應力比及穩(wěn)定驗算根據(jù)設計經(jīng)驗值均控制在0.85以下。兩種方案桿件長細比按照抗震規(guī)范中有關鋼構(gòu)件長細比限值的要求均控制在65.09以下。

圖11 方案二風荷載作用下結(jié)構(gòu)水平位移/mm

4.5 舒適度驗算

觀光塔結(jié)構(gòu)高度較高，高寬比較大，需對風荷載作用下的舒適度進行驗算。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)附錄J，公式如下：

式中:aD·z為高層建筑z高度順風向風振加速度，m/s2;g為峰值因子，可取2.5;I10為10m高度名義湍流度，對應A，B，C和D類地面粗糙度，可分別取0.12，0.14，0.23和0.39;ωR為R年重現(xiàn)期的風壓，kN/m2;B為迎風面寬度，m;m為結(jié)構(gòu)單位高度質(zhì)量，t/m;μz為風壓高度變化系數(shù);μs為風荷載體型系數(shù);Bz為脈動風荷載的背景分量因子;ηa為順風向風振加速度的脈動系數(shù)。

方案一順風向風振加速度為0.167m/s2，方案二順風向風振加速度為0.156m/s2，均能滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》(JGJ 99—2015)表3.5.5針對辦公、旅館0.28m/s2的限值要求。

5 兩個結(jié)構(gòu)方案的對比分析

從周期、變形的計算結(jié)果可知，方案二的空間交叉網(wǎng)格方案整體剛度更大，結(jié)構(gòu)布置更加合理，從用鋼量上來看，方案一未考慮幕墻外龍骨，模型統(tǒng)計用鋼量為956t；方案二交叉網(wǎng)格可作為幕墻支撐，模型統(tǒng)計用鋼量為1 147t，雖然幕墻龍骨用鋼量會少一些，但是總體用鋼量仍會比方案一多。方案一施工方便，外圍的網(wǎng)格造型由幕墻二次施工，方案二交叉網(wǎng)格需要三維空間找形，施工難度大，施工周期長。

考慮工期以及成本等多種因素，經(jīng)過綜合對比，方案一性價比更高。本工程已按照方案一施工完成并于2017年投入使用，經(jīng)歷多次臺風的考驗，證明了其結(jié)構(gòu)布置方案是合理的。

6 結(jié)語

本文介紹了融創(chuàng)觀光塔的兩個可行的方案。方案一為傳統(tǒng)的梁柱受力體系,其傳力路徑明確,便于加工安裝,在造型簡單的觀光結(jié)構(gòu)中優(yōu)勢明顯;方案二的交叉網(wǎng)格方案作為一種新型鋼結(jié)構(gòu)布置形式,其整體受力性能好,布置美觀,但需三維找形，加工安裝難度大, 可用于復雜造型的觀光塔結(jié)構(gòu)。通過對兩個方案進行分析研究，證實兩個方案都是可行方案，但方案一性價比更高。