廈門國際銀行總部大廈框架-弱連接雙核心筒超高層結(jié)構(gòu)方案選型*

張萬開, 甄 偉, 張龑華, 盛 平, 王 可, 李 偉, 慕晨曦

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概況

廈門國際銀行總部大廈位于廈門島嶼東部,塔樓總建筑面積約8萬m2,地下建筑面積約3.5萬m2,建筑屋檐高度為210m,主要屋面結(jié)構(gòu)高度為196.5m,建筑平面呈圓形,外輪廓直徑約51.5m,核心筒布局呈圓形,直徑約28.5m。塔樓地上47層,地下3層,首層層高為7.8m,標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.2m,1、2層局部12m通高,主要功能為辦公。塔樓沿豎向設(shè)置三個(gè)避難層,分別位于12、23、34層。塔樓建筑效果圖如圖1所示,塔樓建筑首層平面及剖面如圖2所示。

圖1 塔樓建筑效果圖(?gmp建筑師事務(wù)所)

圖2 塔樓建筑首層平面及剖面

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

塔樓抗震設(shè)防烈度7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g,設(shè)計(jì)地震分組第三組,場地類別Ⅱ類。塔樓采用典雅的圓形造型,布置了多段宏大的通高中庭,建筑師通過大量的開洞布置實(shí)現(xiàn)了通透、靈動(dòng)的建筑效果,同時(shí)也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了諸多挑戰(zhàn)。

2.1 外框柱數(shù)量少柱距大

為獲得良好的辦公平面布局和通透的視覺采光效果,塔樓平面僅布置8根隱藏于外幕墻折角區(qū)的結(jié)構(gòu)柱,柱中心距達(dá)17m,如圖3所示。同時(shí),為滿足建筑凈高要求,外框柱間框架梁高度不能超過1m,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外框整體抗側(cè)剛度偏弱。

圖3 典型建筑和結(jié)構(gòu)平面布置

2.2 外框不連續(xù)

塔樓布置的多處通高中庭為本項(xiàng)目亮點(diǎn)。為保證建筑效果,通高中庭處塔樓外框柱間不能設(shè)置框架梁,導(dǎo)致通高中庭處塔樓外框不連續(xù),如圖4所示。通高中庭自下而上分布于南側(cè)(低區(qū)1～11層)、東側(cè)和西側(cè)(中區(qū)13～22層和高區(qū)24～33層)。避難層(12、23、34層)樓層頂部和底部樓蓋完整,將通高中庭劃分為三段。35層及以上樓層平面由圓形平面在四個(gè)象限切角轉(zhuǎn)變?yōu)榘诉呅尾季?外框保持連續(xù)。

圖4 外框不連續(xù)分布位置

2.3 樓板不連續(xù)

塔樓核心筒外設(shè)置多處通高中庭,同時(shí)核心筒呈兩個(gè)半圓形布置,兩個(gè)筒體之間的樓板多處開洞,樓板開洞面積約占總平面面積的18%,最不利位置的樓板有效寬度約15.4%,樓板不連續(xù)。樓板不連續(xù)樓層分布與中高區(qū)中庭通高樓層數(shù)相同,如圖5所示。

圖5 樓板不連續(xù)位置示意

2.4 筒間連系弱

塔樓核心筒呈兩個(gè)半圓的雙筒布置,東西兩端為圓弧梁連接,梁跨度約10m,受建筑凈高限制,梁高不大于800mm。核心筒相對的內(nèi)側(cè)布置豎向通高電梯井道(圖6),同時(shí)兩個(gè)核心筒之間的樓板在對應(yīng)通高中庭樓層有開洞,雙筒之間僅靠兩端弧形梁和筒間剩余的梁和樓板相連,筒間連系弱,水平力傳遞能力較差。

圖6 筒體電梯井道布置

3 整體結(jié)構(gòu)方案選型

如第2節(jié)所述,塔樓存在外框柱數(shù)量少柱距大、外框不連續(xù)、樓板不連續(xù)、筒間連系弱等特點(diǎn),塔樓抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系存在固有缺陷。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路為采取有效措施提高結(jié)構(gòu)整體性。方案設(shè)計(jì)中考慮了兩種結(jié)構(gòu)方案,方案一是加強(qiáng)外框柱,同時(shí)設(shè)置多道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層,形成巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)[1-2],方案二是加密外框柱,增強(qiáng)外框抗側(cè)能力,并設(shè)置若干加強(qiáng)層,提高內(nèi)外筒協(xié)同抗側(cè)能力,形成外框不連續(xù)的非典型框架-核心筒結(jié)構(gòu)[3-4]。

3.1 巨型框架-核心筒方案

外框柱為8根鋼管混凝土柱,柱直徑加大至2 200mm,利用三個(gè)避難層和屋頂設(shè)備層設(shè)置四個(gè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層,每個(gè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層均設(shè)置環(huán)帶轉(zhuǎn)換桁架和8榀伸臂桁架,提高外框整體抗側(cè)能力和內(nèi)外筒協(xié)同抗側(cè)作用。巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)方案抗側(cè)力體系構(gòu)成如圖7所示。

圖7 巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系

建筑方案追求使用空間內(nèi)的通透效果,希望加強(qiáng)層之間的重力柱截面尺寸盡可能小,傳統(tǒng)的上抬柱需考慮穩(wěn)定控制要求,截面尺寸較大,而采用向下懸吊的方式,截面尺寸由強(qiáng)度控制,尺寸可以做到比較小,因此在加強(qiáng)層之間設(shè)置重力吊柱,通過重力吊柱將加強(qiáng)層下部樓層的荷載傳遞至加強(qiáng)層環(huán)帶桁架并傳遞至外框柱。塔樓豎向荷載傳遞路徑如圖8所示。

圖8 巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)豎向力傳遞路徑

3.2 外框不連續(xù)的非典型框架-核心筒方案

在平面非通高中庭區(qū)域增加框架柱,外框柱數(shù)量由8根增加至12根,如圖9所示。同時(shí)在結(jié)構(gòu)中上部(23、34層)設(shè)置兩道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層,加強(qiáng)層設(shè)置環(huán)帶桁架和4榀伸臂桁架(沿兩個(gè)半圓相對方向),提高外框整體抗側(cè)剛度和內(nèi)外筒協(xié)同抗側(cè)作用。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系構(gòu)成如圖10所示。

圖9 外框柱加密位置示意

圖10 非典型框架-核心筒方案抗側(cè)體系

3.3 結(jié)構(gòu)整體方案對比

方案設(shè)計(jì)階段考慮了巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)和非典型框架-核心筒結(jié)構(gòu)兩種方案,對比兩種方案的整體計(jì)算指標(biāo)如表1所示,最大層間位移角限值為1/625。樓層地震作用下層間位移角分布曲線對比如圖11所示。

表1 兩種結(jié)構(gòu)方案主要指標(biāo)對比

圖11 兩種結(jié)構(gòu)方案層間位移角曲線對比

由表1及圖11對比結(jié)果可知,兩種結(jié)構(gòu)方案基本自振周期相近,主要計(jì)算指標(biāo)均可滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 3—2010)的要求。巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)的外框柱地震剪力比例略大于非典型框架-核心筒結(jié)構(gòu),而地震傾覆力矩比例顯著小于后者,說明外框柱數(shù)量對地震傾覆力矩的分擔(dān)比例影響較大。

兩種方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、外框柱尺寸及建筑效果對比如表2所示。

表2 兩種結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及建筑效果對比

綜合考慮建筑效果及機(jī)電布置要求,采用非典型框架-核心筒結(jié)構(gòu)方案,并在方案深化過程中取消了增加的4根框架柱,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間無柱,最大程度匹配建筑通透的效果。

4 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案選型

塔樓核心筒平面為兩個(gè)半圓形對稱布置,筒體之間超過50%的樓層開大洞,僅靠端部弧梁和電梯井道薄墻肢相連,連系較弱;同時(shí)在平行中筒連接的方向,外框梁在13～22層、24～33層均不閉合,形成非典型的框架-核心筒結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)在50%左右的樓層表現(xiàn)為接近兩個(gè)單塔的情況,因此加強(qiáng)兩個(gè)單塔之間的連系,提高結(jié)構(gòu)整體性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從現(xiàn)有條件自然形成的思路。結(jié)構(gòu)平面弱軸方向(Y軸)剛度不足,層間位移角不滿足規(guī)范要求,而結(jié)構(gòu)強(qiáng)軸方向(X軸)剛度較富余,因此加強(qiáng)層在弱軸方向設(shè)置加強(qiáng)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件通?？稍O(shè)置伸臂桁架、環(huán)帶桁架[5-7],本項(xiàng)目核心筒呈弱連接雙筒的特點(diǎn),設(shè)置筒間桁架,增強(qiáng)兩個(gè)半筒之間的連系,也可以提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。

4.1 加強(qiáng)層構(gòu)件類型選型

結(jié)合塔樓平面特點(diǎn),加強(qiáng)層加強(qiáng)構(gòu)件類型可考慮伸臂桁架、環(huán)帶桁架和筒間桁架,各類加強(qiáng)構(gòu)件的布置示意如圖12所示。

圖12 不同類型加強(qiáng)構(gòu)件布置示意

開展了加強(qiáng)構(gòu)件敏感性分析,考察加強(qiáng)層設(shè)置伸臂桁架、環(huán)帶桁架和筒間桁架對結(jié)構(gòu)第1階平動(dòng)周期(Y向平動(dòng))和Y向最大層間位移角的影響,結(jié)果如表3所示。

表3 加強(qiáng)層設(shè)置不同加強(qiáng)構(gòu)件對比

分析結(jié)果表明,設(shè)置伸臂桁架對提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、減小結(jié)構(gòu)層間位移角效果最顯著,環(huán)帶桁架次之,筒間桁架效果最小。但伸臂桁架存在兩方面的問題,在本項(xiàng)目中不予采用。

(1)伸臂桁架布置存在固有缺陷

由于核心筒呈分離的兩個(gè)半圓布置,南北兩端的伸臂桁架無法實(shí)現(xiàn)弦桿貫通相連。由于伸臂桁架對位的核心筒墻肢厚度較小(最厚500mm),伸臂桁架的弦桿伸入墻內(nèi)后,需要做加腋處理,施工處理較為復(fù)雜;另外,由于伸臂桁架與核心筒墻肢斜交,進(jìn)一步加劇了伸臂連接節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度并降低了伸臂效率,如圖13所示。

圖13 伸臂桁架布置缺陷示意

(2)伸臂桁架影響機(jī)電專業(yè)使用空間

伸臂桁架垂直穿越避難層設(shè)備機(jī)房和變配電室,對專業(yè)房間功能使用影響極大,同時(shí)伸臂桁架下弦截面高度較大,對避難層下一層的標(biāo)準(zhǔn)層凈高影響較大。

從結(jié)構(gòu)概念上分析,加強(qiáng)層設(shè)置環(huán)帶桁架和筒間桁架,對結(jié)構(gòu)存在的外框不連續(xù)、筒間連系弱的缺陷起到了針對性加強(qiáng),從而提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度。加強(qiáng)層采用環(huán)帶桁架和筒間桁架作為加強(qiáng)構(gòu)件,并在筒間桁架所在跨的頂?shù)自O(shè)置樓板平面內(nèi)交叉支撐,與同跨的筒間桁架和環(huán)帶桁架形成四面帶斜桿的空間桁架,進(jìn)一步加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體作用,如圖14所示。

圖14 連接體空間桁架

4.2 加強(qiáng)層方案比選

對于超高層結(jié)構(gòu)而言,不同高度設(shè)置加強(qiáng)層對結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響程度不同,因此有必要開展加強(qiáng)層位置敏感性分析[8-10],考察不同部位的加強(qiáng)層對結(jié)構(gòu)整體性的影響。建立了如圖15所示的8個(gè)分析模型,如果筒間樓板有開洞,則剩余的筒間樓板均刪除;如果加強(qiáng)層不設(shè)置連接體空間桁架,則將筒間樓板和同跨的外框樓板均刪除,以考察極端情況下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形情況。

圖15 不同加強(qiáng)層設(shè)置分析模型

考察Y向平動(dòng)周期、地震作用工況和風(fēng)荷載工況下Y向?qū)娱g位移角分布情況如表4和圖16所示。

表4 不同加強(qiáng)層設(shè)置方案結(jié)構(gòu)Y向平動(dòng)周期對比

圖16 不同加強(qiáng)層設(shè)置方案結(jié)構(gòu)層間位移角分布

由表4和圖16可知,在第二避難層設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層對結(jié)構(gòu)整體性的作用最為顯著,是最為關(guān)鍵的加強(qiáng)層部位。結(jié)構(gòu)變形曲線最大部位出現(xiàn)在第二避難層附近樓層,該區(qū)域結(jié)構(gòu)通高中庭打斷外框梁,同時(shí)兩個(gè)半圓形核心筒之間樓板存在大開洞,在這個(gè)區(qū)段結(jié)構(gòu)近似為兩個(gè)單塔,整體性最差,因此在最薄弱的部位設(shè)置加強(qiáng)層,效果也最顯著。

為了進(jìn)一步直觀評估加強(qiáng)層對結(jié)構(gòu)的整體性作用,對圖17所示三個(gè)模型開展大震動(dòng)力彈塑性分析,考察兩個(gè)半圓核心筒之間的相對位移差。以三個(gè)加強(qiáng)層之間的中間樓層(10、18、29層)為考察部位,提取兩個(gè)半筒中間點(diǎn)的位移時(shí)程,考察其相對位移情況,如圖18所示。各樓層測點(diǎn)相對位移最大值如表5所示。

表5 各樓層測點(diǎn)相對位移最大值/mm

圖17 動(dòng)力彈塑性分析模型示意

圖18 18層測點(diǎn)相對位移時(shí)程曲線

由圖18和表5結(jié)果可知,頂部樓板對協(xié)同兩個(gè)半筒變形具有較好作用;而在保留頂部樓板的基礎(chǔ)上,設(shè)置三個(gè)加強(qiáng)層后,結(jié)構(gòu)整體性得到了進(jìn)一步提升,兩個(gè)半筒之間的相對位移差很小。

綜上所述,通高中庭打斷結(jié)構(gòu)外框梁以及兩個(gè)核心筒之間開洞造成結(jié)構(gòu)近似兩個(gè)單塔的區(qū)段(13～33層),在三個(gè)避難層設(shè)置加強(qiáng)層從而在該區(qū)段的頂部、中部及底部形成強(qiáng)連接,可有效改善結(jié)構(gòu)在該區(qū)段整體性差、剛度弱的缺點(diǎn),顯著提高結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)能力,結(jié)構(gòu)效率大大提高。加強(qiáng)層顯著增強(qiáng)了所在樓層的結(jié)構(gòu)剛度,設(shè)計(jì)中通過控制加強(qiáng)構(gòu)件的截面尺寸,在滿足結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度需求的前提下,盡可能減小加強(qiáng)層引起的剛度突變程度,初步分析表明設(shè)置加強(qiáng)層后,其下一層與加強(qiáng)層的側(cè)向剛度比最小約為0.88,略小于規(guī)范限值0.90,設(shè)計(jì)中對相應(yīng)樓層采取地震剪力放大等相應(yīng)加強(qiáng)措施。

5 結(jié)構(gòu)方案介紹

綜合第4節(jié)比選結(jié)果,最終采用在三個(gè)避難層均設(shè)置外框環(huán)帶桁架和連接體空間桁架,并在屋頂機(jī)房層設(shè)置筒間桁架的方案,如圖19所示。方案比選初步分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)剛度有一定富余,結(jié)合建筑平面布局和效果要求,在方案深化中取消加密外框柱,恢復(fù)為8根外框架柱,框架柱直徑由1 800mm加大至2 000mm,外框梁截面高度由800mm加高至900mm。

圖19 塔樓結(jié)構(gòu)體系及加強(qiáng)層設(shè)置

外框柱采用圓形鋼管混凝土柱,柱截面從φ2 000×70逐漸收進(jìn)至φ1 600×30。外框環(huán)向梁截面為H900×600×18×40。環(huán)帶桁架弦桿截面為H1 000×700×30×50、H1 000×600×30×40、H1 000×400×30×40,斜腹桿采用箱形截面□450×450×30×30和□400×400×30×30。筒間桁架上下弦采用鋼骨混凝土梁,腹桿采用鋼結(jié)構(gòu)箱形截面。環(huán)帶桁架和連接體空間桁架均按中震彈性性能目標(biāo)控制。核心筒剪力墻外墻厚度1 000mm向上逐漸減薄至400mm,內(nèi)墻厚度自底部500mm向上逐漸減薄至300mm。

針對本項(xiàng)目存在的不規(guī)則項(xiàng)情況,結(jié)合超限審查專家意見,設(shè)計(jì)中采取了以下加強(qiáng)措施和針對性分析:1)雙筒間開洞樓層的樓板設(shè)置水平支撐桁架,進(jìn)一步加強(qiáng)兩個(gè)筒體的協(xié)同作用;2)環(huán)帶桁架和筒間桁架承載力驗(yàn)算時(shí),與桁架弦桿相連樓板均取有樓板和無樓板兩種工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì);整體分析中筒間開洞樓層的筒間部位取有樓板和無樓板進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì);3)與筒間桁架相連的核心筒墻肢承受桁架上、下弦桿傳遞的水平力作用,采用在墻肢內(nèi)設(shè)置鋼骨和筒間桁架延伸入墻的加強(qiáng)措施提高該部位墻肢的承載能力和抗震延性。同時(shí)針對項(xiàng)目中存在的局部樓層扭轉(zhuǎn)位移比超限、局部大堂穿層柱和底層受剪承載力突變的情況,分別采取了考慮偶然偏心地震和雙向地震包絡(luò)計(jì)算、提高穿層柱性能水平、底層地震剪力放大等措施,保障結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)語

廈門國際銀行總部大廈為框架-弱連接雙核心筒超高層,建筑沿豎向設(shè)置多段通高中庭,結(jié)構(gòu)外框不連續(xù)、核心筒呈雙筒布置且筒間連系弱,設(shè)計(jì)中針對這些特點(diǎn)開展方案選型研究。

(1)比選了巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)和外框不連續(xù)的非典型框架-核心筒結(jié)構(gòu)兩種方案,兩種方案主要計(jì)算指標(biāo)均可滿足規(guī)范要求。在兩種方案剛度基本接近的情況下,巨型框架-核心筒結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)用量相對較低,但結(jié)構(gòu)實(shí)施難度較高,且對機(jī)電專業(yè)使用影響較大。綜合各方面因素后,確定采用非典型框架-核心筒結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間無柱,最大程度匹配建筑要求的通透效果。

(2)開展了加強(qiáng)層加強(qiáng)構(gòu)件類型敏感性分析,加強(qiáng)構(gòu)件采用環(huán)帶桁架和筒間桁架,不設(shè)置伸臂桁架,并在筒間桁架所在跨頂?shù)讟前逶O(shè)置水平支撐,與同跨的筒間桁架和環(huán)帶桁架形成四面均帶支撐的連接體空間桁架,進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)整體性。

(3)對加強(qiáng)層設(shè)置位置進(jìn)行了敏感性分析,結(jié)果表明在結(jié)構(gòu)變形最大的第二避難層附近樓層設(shè)置加強(qiáng)層對提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度效果最明顯,該位置也是結(jié)構(gòu)最薄弱的部位,并且至少在第二、三避難層設(shè)置加強(qiáng)層才能滿足結(jié)構(gòu)側(cè)向變形要求。

結(jié)構(gòu)采用在三個(gè)避難層設(shè)置環(huán)帶桁架和連接體空間桁架,并在屋頂機(jī)房層設(shè)置筒間桁架的方案,結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足要求,較好滿足了機(jī)電專業(yè)使用要求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了通透、簡潔的效果。