廣州騰訊總部大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

荊芃芃, 陳 彪, 靳海卿, 束偉農(nóng), 劉靜洋

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

廣州騰訊總部大樓位于琶洲國際會(huì)展中心A區(qū),建筑主要功能是科研、辦公及配套設(shè)施。地下4層,北側(cè)裙房地上9層(建筑高度54.05m),南側(cè)塔樓地上38層(建筑高度206.75m),其中地上建筑面積為12.5萬m2,地下建筑面積為4.5萬m2。

南側(cè)塔樓采用雙核心筒+型鋼混凝土柱-鋼梁框架+鋼聯(lián)系桁架混合結(jié)構(gòu)體系,屬于超高超限高層建筑[1-3],并在14層、38層分別出挑23、29m的景觀平臺(tái);北側(cè)裙房采用混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系;裙樓和主樓之間跨度為43m,在2層以上主裙樓之間根據(jù)建筑功能進(jìn)行連接[4]。建筑效果圖及現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景如圖1所示。

圖1 沿江側(cè)透視效果圖及現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景

2 結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)建筑造型,南塔主樓設(shè)置成雙核心筒,中間區(qū)域的連接樓板有序地收進(jìn),形成中間的峽谷辦公區(qū)。基于建筑造型需求,南塔在整體上可以看作由兩個(gè)分離的單側(cè)框架-核心筒合成的雙筒-連體結(jié)構(gòu)。由鋼筋混凝土雙筒、外圍框架、聯(lián)系桁架等組成多道多種傳力途徑。采用聯(lián)系桁架將鋼筋混凝土雙筒連接起來協(xié)同工作,增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)和抗扭剛度,形成一道抗震防線。由鋼骨柱和周邊框架梁構(gòu)成外圍框架,形成二道抗震防線,如圖2所示。本項(xiàng)目主體控制參數(shù)如表1所示[5]。

表1 項(xiàng)目主體控制參數(shù)

圖2 南塔抗側(cè)力體系效果圖

3 地基基礎(chǔ)

本項(xiàng)目塔樓、裙房及純地下室荷載差異大,基礎(chǔ)受力分布不均。塔樓部分層數(shù)多自重大,荷載集中在核心筒和框架柱上,核心筒區(qū)域均布樁基,采用群樁筏板承臺(tái),筏板厚度為2 800mm,外圍框架柱采用單柱單樁。所有樁基均采用大直徑人工挖孔樁,成樁施工方便,樁底沉渣清除較干凈,施工質(zhì)量易控制。選取微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層作為塔樓樁基的持力層,該巖層巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為14.4MPa。場(chǎng)地巖面起伏較大,樁底持力層的絕對(duì)標(biāo)高在-16～-31m。

裙房區(qū)域與無上部結(jié)構(gòu)的純地下室區(qū)域底板埋深約-23.80m,所受浮力大。采用天然地基獨(dú)立基礎(chǔ)下設(shè)抗浮錨桿,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要是抗浮控制。地下室底板基本落在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層上,針對(duì)個(gè)別鉆孔在中風(fēng)化層中存在強(qiáng)風(fēng)化夾層的情形,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況采取獨(dú)基深埋或換填來處理。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地基承載力特征值取1 500kPa。

4 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及分析

由于建筑造型的要求,兩個(gè)筒體之間的樓板開洞多,連接較弱,影響了雙筒塔樓的整體性。單個(gè)筒體在Y向,即弱軸方向的寬度僅10.5m左右,單側(cè)高寬比達(dá)到19∶1,因此需要加強(qiáng)兩個(gè)筒體之間的聯(lián)系,方可在Y向保證其在風(fēng)荷載和地震作用等水平力作用下達(dá)到預(yù)期的性能水平。

南塔建筑造型上,在14、23、32、38層(屋頂花園)四個(gè)公共平臺(tái)層上從塔樓向北側(cè)設(shè)置懸挑,懸挑平臺(tái)上有覆土及綠植,懸挑距離大,荷載重。14層懸挑平臺(tái)平面示意如圖3所示。

圖3 14層平面示意圖

北側(cè)裙房部分其主要功能為多功能廳。裙房與塔樓通過各種形式的連體及連橋從2層開始連接(圖4),除個(gè)別采用滑動(dòng)支座的連橋外,其余連體結(jié)構(gòu)與主塔樓直接相連,不設(shè)防震縫。

圖4 裙房連橋連體示意圖

4.1 聯(lián)系桁架設(shè)計(jì)

為了提高塔樓在Y向的整體剛度和強(qiáng)度,在不影響建筑效果的前提下,在平臺(tái)層和避難層有選擇地設(shè)置整層高的聯(lián)系桁架將東西兩側(cè)的核心筒聯(lián)合統(tǒng)一成一個(gè)完整的抗側(cè)力體系。根據(jù)建筑要求,聯(lián)系桁架僅可設(shè)置于6～7層、15～16層、22～23層及38～39層,共四道。因此對(duì)上述四個(gè)位置設(shè)置聯(lián)系桁架進(jìn)行了分析,以便確定桁架設(shè)置的最優(yōu)位置。

聯(lián)系桁架形式優(yōu)先采用帶斜桿的傳統(tǒng)桁架,以節(jié)省造價(jià);但在對(duì)建筑有較大影響的樓層采用空腹桁架。聯(lián)系桁架能夠保證兩側(cè)墻體的整體協(xié)同工作,在Y向構(gòu)建出一個(gè)巨型空間框架,提高Y向的抗側(cè)剛度及整體穩(wěn)定,控制水平力作用下的頂層位移[6]。聯(lián)系桁架性能目標(biāo)如表2所示[2]。立面示意如圖5所示。

表2 聯(lián)系桁架性能目標(biāo)

圖5 聯(lián)系桁架立面示意圖

圖6 3～8層連體結(jié)構(gòu)示意圖

分析中,在頂部施加1 000kN的力以測(cè)試聯(lián)系桁架對(duì)頂點(diǎn)位移的影響。得到每道聯(lián)系桁架單獨(dú)設(shè)置時(shí)頂點(diǎn)位移比較如表3所示。

表3 單位力作用下頂點(diǎn)位移

通過對(duì)頂點(diǎn)位移的比較,預(yù)測(cè)第1道聯(lián)系桁架對(duì)剛重比計(jì)算貢獻(xiàn)較小,故對(duì)剛重比進(jìn)一步對(duì)比。

由表4可見,控制頂點(diǎn)位移最有效的是采用帶斜桿的第2道和第4道聯(lián)系桁架;空腹桁架相對(duì)剛度較弱,效果也相應(yīng)降低。設(shè)置第2、3、4道桁架是滿足高規(guī)[1]對(duì)剛重比要求的必需條件。而去除第1道桁架對(duì)結(jié)構(gòu)整體和局部影響不大,因此最終取消6～7層間的第1道聯(lián)系桁架。

表4 不同桁架方案剛重比

4.2 主裙樓大跨結(jié)構(gòu)連接

裙房與塔樓的連通區(qū)域設(shè)置有多個(gè)大跨結(jié)構(gòu),其中2～3層單層的連接體為連橋,兩端支點(diǎn)設(shè)置支座,考慮分散連橋?qū)θ狗亢退堑呐まD(zhuǎn)不利影響,其中2層兩個(gè)連橋在④軸處設(shè)置滑動(dòng)支座,3層連橋在⑧軸處設(shè)置滑動(dòng)支座。2層連橋采用實(shí)腹鋼梁形式,3層連橋采用上反桁架形式。連橋、連體示意如圖4、6所示。主群樓間的大跨結(jié)構(gòu)除強(qiáng)度與剛度滿足規(guī)范要求外,還進(jìn)行了振動(dòng)專項(xiàng)分析,計(jì)算不同行走工況下結(jié)構(gòu)樓板峰值加速度響應(yīng),以復(fù)核其舒適度要求。

與連橋相對(duì)的,3～8層間跨層的連體結(jié)構(gòu)與兩側(cè)主結(jié)構(gòu)采用剛接,一是增強(qiáng)塔樓與裙房間的聯(lián)系,裙房自身存在核心筒偏置、高大空間的影響,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心的偏心距很大,結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)加大;二是由于連接層數(shù)較多,如設(shè)置滑動(dòng)支座,很難保證協(xié)同工作;三是下方為市政路,從建筑效果上,也不希望設(shè)置雙柱的形式。因此3～8層間連體結(jié)構(gòu)最終采用剛接方案。并進(jìn)行以下補(bǔ)充分析:

(1)溫度作用對(duì)裙房超長樓板的影響

對(duì)裙房區(qū)域各層樓板進(jìn)行應(yīng)力分析,得到典型區(qū)域的單向松弛應(yīng)力為1.14MPa,對(duì)于150mm厚C35鋼筋桁架樓承板,相應(yīng)雙向溫度鋼筋配筋率需增加0.32%。樓板應(yīng)力偏大區(qū)域的單向松弛應(yīng)力為1.95MPa,相應(yīng)雙向溫度鋼筋配筋率需增加0.54%。

(2)不設(shè)縫對(duì)整體結(jié)構(gòu)偏心的影響

塔樓和裙房不設(shè)縫后,樓層在X向的長度大,且塔樓與裙房結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度差異很大,當(dāng)塔樓與裙房連系在一起之后,造成整體扭轉(zhuǎn)位移比不滿足高規(guī)[1]要求。在Y向,改變?nèi)狗拷Y(jié)構(gòu)體系從框架結(jié)構(gòu)調(diào)整為框架-剪力墻結(jié)構(gòu),從而減小裙房局部扭轉(zhuǎn)變形。在X向,從8層開始,裙房抗側(cè)力構(gòu)件只剩下上部墻體,而下部無任何豎向構(gòu)件,因此結(jié)構(gòu)剛度中心向上部偏移。通過調(diào)整裙房剪力墻厚度,調(diào)整剛度中心。使偏心問題得到控制,滿足規(guī)范規(guī)定的扭轉(zhuǎn)位移比要求。

4.3 懸挑設(shè)計(jì)及舒適度分析

14層結(jié)構(gòu)懸挑長度約為23m,難以靠單層結(jié)構(gòu)梁實(shí)現(xiàn)其承載及正常使用需求,在設(shè)計(jì)中沿塔樓、?、?、軸設(shè)置四道桁架。受建筑管井及門洞影響,分兩種桁架形式,在支點(diǎn)近端均采用斜腹桿的形式,增強(qiáng)其懸挑能力,在中遠(yuǎn)端采用空腹桁架形式,便于建筑使用。桁架與核心筒相連處有較大拉力,在墻內(nèi)布置鋼撐以減小墻體開裂。

23層與32層結(jié)構(gòu)懸挑長度約為13m,采用間隔約3m的實(shí)腹鋼梁進(jìn)行懸挑,懸挑梁高1 200mm即可滿足規(guī)范對(duì)承載力及撓度的要求。但懸挑平臺(tái)遠(yuǎn)端設(shè)置有會(huì)議室,還需滿足舒適度要求[7]。

以23層為例,模擬52位行人在不同頻率下同步行走(分為工況1～4),得到原方案和增設(shè)TMD減震阻尼器后的最大加速度結(jié)果如表5所示?？梢娫O(shè)置阻尼器后,所有區(qū)域均可滿足使用舒適度的要求。

表5 23層懸挑端最大加速度計(jì)算結(jié)果及限值/(m/s2)

將懸挑區(qū)端部框架柱軸線位置處的支座命名為支座1(圖7),將遠(yuǎn)離支座1的其他支座依次命名為支座2～5。支座1承受最大的壓力,不需要特殊處理。根據(jù)桁架形式的不同,支座2～5的拉壓情況及內(nèi)力量級(jí)并不相同。

圖7 38層桁架立面圖

?、?軸懸挑桁架支座3與支座4之間建筑有通行需求,桁架斜桿無法直接相連,需通過上方夾層將彎矩向后方支座傳遞,桁架剛度相對(duì)較弱。當(dāng)支座2～5同時(shí)作用時(shí),拉力主要集中在距離支座1較近的支座2、3上,而支座4、5依然是受壓狀態(tài)。此時(shí)通過調(diào)整施工工序,先施工懸挑后跨段,保持支座2、3處下弦梁與下部豎向構(gòu)件脫開,待幕墻、地面、覆土、設(shè)備基礎(chǔ)等荷載全部施加且變形平穩(wěn)后再進(jìn)行連接,讓遠(yuǎn)離支座1處力臂更大的支座4、5承擔(dān)更大的傾覆力矩,避免核心筒墻體產(chǎn)生較大拉力。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

采用SATWE和ETABS兩種計(jì)算軟件進(jìn)行整體彈性計(jì)算分析,采用PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行整體動(dòng)力彈塑性分析。

5.1 彈性分析結(jié)果

SATWE和ETABS兩種軟件反應(yīng)譜分析主要結(jié)果對(duì)比如表6所示,計(jì)算結(jié)果基本一致,表明計(jì)算模型準(zhǔn)確有效。

表6 反應(yīng)譜方法計(jì)算的周期、基底剪力和層間位移

根據(jù)本工程所處場(chǎng)地條件,選取了5組天然波和2組人工波共7組地震波進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析。小震彈性時(shí)程分析的主要結(jié)果如圖8、9所示。對(duì)小震彈性時(shí)程分析結(jié)果大于反應(yīng)譜法(CQC法)計(jì)算結(jié)果的樓層,樓層剪力按比值進(jìn)行放大。

圖8 小震彈性時(shí)程分析的層間位移角曲線

圖9 小震彈性時(shí)程分析的樓層剪力曲線

5.2 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

采用PKPM-SAUSAGE軟件進(jìn)行塔樓動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析,選取了5組天然波和2組人工波作為地震動(dòng)輸入。每組地震波雙向輸入,主、次方向峰值加速度比值為1∶0.85,主方向峰值加速度為220gal,分別沿X向、Y向輸入。最大層間位移角如表7所示,7組地震波計(jì)算的最大層間位移角平均值X向?yàn)?/149,Y向?yàn)?/162,小于廣東省規(guī)范[2]限值1/125,滿足要求。

表7 大震彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)最大層間位移角

對(duì)比了大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線、基底剪力時(shí)程曲線,分別如圖10、11所示。

圖10 大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線對(duì)比

圖11 大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的基底剪力時(shí)程曲線對(duì)比

由圖10、11可知,地震前期結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷時(shí),結(jié)構(gòu)大震彈塑性與彈性時(shí)程分析的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和基底剪力時(shí)程曲線基本吻合。隨著地震作用持續(xù)進(jìn)行,結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)入塑性狀態(tài),剛度逐步降低,彈塑性計(jì)算的周期較彈性逐漸增大,基底剪力較彈性計(jì)算結(jié)果明顯逐步減小。

塔樓核心筒和外框架在大震作用下的性能水平如圖12、13所示。通過對(duì)構(gòu)件進(jìn)行性能化評(píng)價(jià)得到以下結(jié)論:絕大部分連梁出現(xiàn)較嚴(yán)重破壞,起到預(yù)期耗能作用,非線性反應(yīng)主要集中在大部分連梁和部分框架梁,大部分框架梁為輕微至中度損壞。中低區(qū)剪力墻局部出現(xiàn)中度損壞,絕大部分剪力墻輕微損壞或無損壞,大部分框架柱損壞較輕微或無損壞。聯(lián)系桁架除極少量構(gòu)件外,損壞較輕微。懸臂桁架與主裙樓之間的大跨桁架無損壞或輕微損壞[8-9]。

圖12 核心筒性能水平

圖13 外框架性能水平

6 結(jié)構(gòu)補(bǔ)充分析

6.1 單塔承載力分析

為保證塔樓在大震下的安全性,借鑒規(guī)范對(duì)連體結(jié)構(gòu)的規(guī)定,對(duì)本項(xiàng)目單塔進(jìn)行抗震驗(yàn)算。結(jié)果表明:1)單塔下筒體各墻肢抗剪承載力驗(yàn)算滿足大震不屈服;2)單塔下外框柱抗剪承載力驗(yàn)算在大震下滿足截面控制條件;3)單塔下筒體各墻肢和外框柱抗彎承載力驗(yàn)算滿足中震不屈服;說明單塔仍具有足夠承載力,滿足規(guī)范[1-2]要求。

6.2 抗連續(xù)倒塌設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目塔樓懸挑樓層存在大跨懸挑桁架,作為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,其失效產(chǎn)生的不利影響比較嚴(yán)重,因此對(duì)大跨懸挑桁架的失效進(jìn)行抗連續(xù)倒塌分析[10]。對(duì)于14層懸挑桁架,分別取靠近根部處的豎腹桿失效(工況1)和斜腹桿失效(工況2)兩個(gè)工況,采用靜力分析方法(采用動(dòng)力放大系數(shù)2.0來考慮動(dòng)力效應(yīng))進(jìn)行分析[1],結(jié)果如圖14所示。

圖14 不同腹桿失效后桁架應(yīng)力比

可見當(dāng)懸挑端部腹桿失效后,桁架各桿件應(yīng)力比<1.4(截面承載力計(jì)算時(shí)鋼材強(qiáng)度可取標(biāo)準(zhǔn)值的1.25倍)[1],剩余結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。

采用相同分析方式對(duì)裙房大跨桁架及38層懸挑桁架進(jìn)行了驗(yàn)算,均不會(huì)發(fā)生連續(xù)倒塌。

7 結(jié)語

本項(xiàng)目塔樓采用了一種非常規(guī)的雙核心筒+型鋼混凝土柱-鋼梁框架+鋼聯(lián)系桁架的混合結(jié)構(gòu)體系,通過結(jié)構(gòu)整體抗震計(jì)算分析,驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)體系可靠,大震下可以滿足既定的性能要求;同時(shí)針對(duì)超限情況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn):雙核心筒+聯(lián)系桁架、高位大懸挑等,做了補(bǔ)充分析及驗(yàn)算,提出相應(yīng)的加強(qiáng)措施,以確保結(jié)構(gòu)安全可靠。