金圓大廈超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
賴艷芳
中元( 廈門) 工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建廈門361004
[摘要] 廈門金圓大廈項(xiàng)目采用鋼管混凝土鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，主塔樓高度為215m，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、帶加強(qiáng)層剛度突變、核心筒立面收進(jìn)豎向不連續(xù)、底層大堂躍層柱等5項(xiàng)不規(guī)則，屬于超限高層。介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施、抗震性能設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了多遇地震下的反應(yīng)譜計(jì)算和罕遇地震下的彈塑性分析，開展了環(huán)帶桁架加強(qiáng)層設(shè)計(jì)、施工模擬分析、塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)分析工作。計(jì)算結(jié)果表明項(xiàng)目結(jié)構(gòu)方案合理可行，可實(shí)現(xiàn)預(yù)定的性能目標(biāo)，具有良好的抗震性能。
[關(guān)鍵詞] 超限高層建筑；框架—核心筒結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 工程概況
金圓大廈位于廈門市湖里區(qū)兩岸金融中心片區(qū)，由1棟45層超高層辦公樓及3～6層附屬配套建筑組成，大屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高208.5m，塔冠頂標(biāo)高215m，地上建筑面積9.1萬㎡，地下4層，地下建筑面積2.7萬㎡。首層層高6.8m，2~3層層高6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m，避難層層高5.5m。首層和2層主樓區(qū)域?yàn)檐S層大堂，躍層高度為12.8m。
設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑抗震設(shè)防類別為乙類，安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，場地類別Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，特征周期0.65s。50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓0.8kPa，臨近海邊，地面粗糙度取A類。
2 結(jié)構(gòu)體系
塔樓高度215m，超過《高層建筑砼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[1]B級(jí)高度180m的限值，采用鋼管混凝土鋼框架-現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，由于水平荷載較大，為提高抗側(cè)剛度、控制位移，結(jié)合避難層位置在28層、41層設(shè)置環(huán)帶桁架加強(qiáng)層[2]。為建筑功能需求，塔樓角部取消了結(jié)構(gòu)柱，在加強(qiáng)層外周設(shè)置環(huán)帶桁架后，各外框架柱承受的軸力更加均勻化，大大改善了“剪力后滯”的效應(yīng)[3]。主體結(jié)構(gòu)三維模型見圖1。
現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒內(nèi)置型鋼，低區(qū)的平面尺寸為19.4m×20m，核心筒的高寬比為11.1；在第20層核心筒收進(jìn)，平面尺寸變?yōu)?/span>16.0m×20m。從底到頂，核心筒外圍剪力墻厚度從1200mm變截面到800mm。外框結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土柱、鋼框梁及環(huán)帶桁架構(gòu)成。外框柱距9.6m，由于角部抽柱，懸挑長度達(dá)7.9m。塔樓每側(cè)4根圓鋼管混凝土柱，截面從首層1700mm×40mm變截面至1000mm×30mm。
圖1 地上結(jié)構(gòu)三維模型圖
主樓核心筒內(nèi)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，核心筒外及裙房采用鋼筋桁架樓承板和鋼梁，采用鋼筋桁架樓承板和鋼梁。加強(qiáng)層上下樓板厚度取200㎜，樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40。核心筒變平面的20層樓板厚度取150㎜，其余標(biāo)準(zhǔn)層板厚樓板厚度取120㎜。圖2為標(biāo)準(zhǔn)樓層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面示意圖
3 整體彈性分析
3.1小震彈性
結(jié)構(gòu)分析采用YJK及ETABS兩種軟件進(jìn)行整體對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果基本吻合。塔樓地上結(jié)構(gòu)恒載與活載的總質(zhì)量141542.2t，平均質(zhì)量約1.830t/㎡。除避難層、底部裙房及頂部出屋面層外，樓層質(zhì)量沿高度的分布比較均勻，無異常突變，如圖3。
圖3 層質(zhì)量分布圖
塔樓X向及Y向前48階有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%?？紤]扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)振動(dòng)周期，第一周期T1=4.9407s為X向平動(dòng)，第二周期T2=4.6091s為Y向平動(dòng)，第三周期T3=2.6739s為扭轉(zhuǎn)。第一扭轉(zhuǎn)振型與第一平動(dòng)振型的周期比為0.54，小于高規(guī)[1]對(duì)B級(jí)高度高層建筑0.85的要求。
地震作用下的層間位移角見圖4，YJK與ETABS的計(jì)算結(jié)果樓層最大層間位移角均滿足規(guī)范1/592的限值要求。彈性時(shí)程分析所得的樓層剪力、層間位移角與反應(yīng)譜結(jié)果規(guī)律基本吻合，也證明反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果合理。
圖4 地震作用下的位移角
值得注意的是，本項(xiàng)目的全部樓層框架承擔(dān)的地震剪力均大于分段總剪力的8%（見圖5），這在超高層項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中較為少見，究竟其原因，在于塔樓核心筒的尺寸相對(duì)較小，特別到了19層核心筒平面還收進(jìn)，平面尺寸減少到16.0m×19.8m，剛度較小，相應(yīng)的也減少了對(duì)外框的需求，雖然外框柱每側(cè)僅4根，也較容易達(dá)到《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[4]不宜低于5%的限值。
圖5 樓層剪力分布圖
3.2風(fēng)荷載
本項(xiàng)目塔樓高度215m大于規(guī)范要求200m，周邊地形和環(huán)境較復(fù)雜[1]，臨界地塊是超高層建筑群，且面臨大海，業(yè)主委托中國建研科技股份有限公司的實(shí)驗(yàn)室做了風(fēng)洞試驗(yàn)確定建筑物的風(fēng)荷載。圖6可以看出風(fēng)洞風(fēng)荷載作用下，基底剪力隨風(fēng)向角的變化，X向基底剪力最大發(fā)生在310度方向，Y向基底剪力最大發(fā)生在0度方向[5]。
圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)各風(fēng)向角等效靜力風(fēng)荷載（0度為-Y向）
風(fēng)洞試驗(yàn)給出的風(fēng)荷載明顯小于規(guī)范值，層間位移角和層剪力也均明顯小于規(guī)范風(fēng)荷載值，但無論風(fēng)洞風(fēng)荷載還是規(guī)范風(fēng)荷載的作用下，最大層間位移角均小于規(guī)范限值1/592，如圖7所示。其原因主要是本建筑周邊存在數(shù)量較多的高層及超高層建筑，對(duì)來流風(fēng)具有一定的遮擋效應(yīng)。
風(fēng)荷載下的底部剪力X向、Y向均為3.2萬kN，地震下的底部剪力X向、Y向均為3.1萬kN，較為接近。風(fēng)荷載下的傾覆彎矩X向、Y向均為3.9×106kN.m，明顯大于地震下的傾覆彎矩X向、Y向均為3.2×106kN.m。風(fēng)荷載還是為控制工況。
圖7 風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載與規(guī)范風(fēng)荷載下位移角對(duì)比
結(jié)構(gòu)舒適性驗(yàn)算取10年一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.5kPa，阻尼比取0.02。風(fēng)致結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)加速度最大值0.2m/s2，滿足《高規(guī)》[1]對(duì)辦公0.25 m/s2的要求。
3.3整體穩(wěn)定分析
結(jié)構(gòu)的屈曲與荷載分布模式密切相關(guān)。本項(xiàng)目采用ETABS軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性屈曲分析，所采用荷載工況為1.0恒+1.0活。見圖8所示，前3階的屈曲因子均大于10，結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下具有較好的穩(wěn)定性。
圖8 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析前3階屈曲因子
3.4躍層空間加強(qiáng)分析
塔樓1層~3層作為挑空大堂，躍層柱高12.8m，主樓16根外框柱共有10根躍層，占總數(shù)的62.5%，屬豎向不規(guī)則。由于周邊沒有樓板約束，長度較大，躍層柱的剪切剛度較小，分配到的地震剪力也相對(duì)較小；其余的主樓柱和裙房柱的長度較小，剪切剛度較大，承擔(dān)了較大的地震剪力，普通柱首先出現(xiàn)塑性鉸剛度退化而引起躍層柱地震剪力重分布，不低估并準(zhǔn)確計(jì)算躍層柱受力影響到結(jié)構(gòu)的安全。
結(jié)構(gòu)整體屈曲計(jì)算中均未能找出塔樓底部躍層柱的局部屈曲模態(tài)。計(jì)算采用在躍層柱頂部施加單位力的方式求解躍層柱屈曲因子，見圖9，根據(jù)歐拉臨界力換算，可反推計(jì)算長度系數(shù)=0.64，介于兩端鉸接和兩端固結(jié)之間，接近一端固結(jié)一端鉸接。躍層柱最大長徑比為：12800*0.64/1800=4.55<20，滿足長細(xì)比限值要求，躍層柱的穩(wěn)定性還是有保障的。
圖9 躍層柱頂部施加單位力
除在整體計(jì)算時(shí)按柱中震彈性復(fù)核躍層柱的承載力外，還補(bǔ)充以下分析：刪除不相干的裙房部分，僅保留塔樓的模型，按正常柱調(diào)整其承擔(dān)的地震剪力，并相應(yīng)調(diào)整其彎矩。保證每根穿層柱所受的剪力應(yīng)至少取相應(yīng)樓層框架部分承受剪力的平均值的1.2倍。
4 動(dòng)力彈塑性分析
采用了SAUSAGE選用2組天然波和1組人工波對(duì)塔樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震下彈塑性分析，X向最大頂點(diǎn)位移為1014mm，最大層間位移角為1/137（14層）；Y向最大頂點(diǎn)為901mm，最大層間位移角為1/157（35層），滿足“大震不倒”1/100限值的要求。大部分連梁發(fā)生受壓損傷且縱筋屈服形成了鉸機(jī)制，說明形成了連梁塑性耗能機(jī)制；剪力墻墻肢混凝土受壓損傷較小，底部加強(qiáng)區(qū)部分暗柱縱筋或鋼骨屈服，墻體的塑性損傷較小。受壓損傷較大區(qū)域均為剪壓或彎壓關(guān)鍵部位，損傷分布符合其受力特點(diǎn)和傳力機(jī)理，最大應(yīng)變與屈服應(yīng)變比見圖10。外框柱混凝土受壓損傷微小，外框柱鋼管均未屈服，加強(qiáng)層腰桁架僅個(gè)別弦桿接近屈服，處于彈性工作狀態(tài)，本工程是能夠滿足既定的性能化目標(biāo)的要求。
X向地震X向墻體 Y向地震Y向墻體
圖10 核心筒剪力墻墻肢最大應(yīng)變與屈服應(yīng)變比圖
5環(huán)帶桁架加強(qiáng)層設(shè)計(jì)
本工程塔樓核心筒較小，且在20層X向核心筒收進(jìn)，X向整體抗彎剛度不足，如不設(shè)置加強(qiáng)層，最大層間位移角出現(xiàn)在墻體收進(jìn)的樓層區(qū)間，風(fēng)荷載控制下的層間位移角不能滿足規(guī)范要求。初設(shè)時(shí)做了2種加強(qiáng)層方案比選：帶環(huán)帶桁架加強(qiáng)層、帶伸臂桁架加強(qiáng)層；顯然帶伸臂桁架加強(qiáng)層的方案對(duì)減小側(cè)移的效果更為顯著，但造成幾個(gè)難題：①環(huán)帶桁架屬“有限剛度”加強(qiáng)[6]，而伸臂桁架的結(jié)構(gòu)剛度和樓層應(yīng)力突變更大些，地震反應(yīng)也較大，上下樓層易產(chǎn)生薄弱層效應(yīng)；②伸臂桁架貫穿核心筒，與墻體連接構(gòu)造復(fù)雜，施工難度較大；③避難層也是設(shè)備轉(zhuǎn)換層，伸臂桁架的存在影響建筑空間的使用；
基于以上因素，選擇整層高（5.4m）的環(huán)帶桁架加強(qiáng)層方案，滿足了增加抗側(cè)剛度減小結(jié)構(gòu)位移的需求，且豎向剛度變化相對(duì)柔和，還給設(shè)備提供了開闊的使用空間。經(jīng)計(jì)算比較，結(jié)合避難層的位置，加強(qiáng)層設(shè)置在28層（0.6H）與37層（0.8H）對(duì)于增加整體剛度最為高效。
環(huán)帶桁架和加強(qiáng)層樓板形成“虛擬伸臂”[6]的受力機(jī)理，樓板肩負(fù)聯(lián)系核心筒及環(huán)帶桁架，分配側(cè)向力和協(xié)調(diào)變形的重?fù)?dān)，設(shè)計(jì)中應(yīng)保證中震下不屈服的性能目標(biāo)。
圖11 中震下樓板面內(nèi)最大軸力分布圖
28層、29層、37層、38層作為加強(qiáng)層，板厚增加200㎜，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，中震下復(fù)核樓板最小壓應(yīng)力σmin水平約為3～5MPa，基本滿足中震抗剪截面剪壓比要求。分析中震下樓板面內(nèi)軸力分布圖（見圖11）可知，各加強(qiáng)層樓板大多數(shù)部位軸向應(yīng)力分布較均勻，少數(shù)部位軸向應(yīng)力較大，需要特別加強(qiáng)。最大軸力出現(xiàn)在28層，絕大多數(shù)部位面內(nèi)設(shè)計(jì)軸力為825kN/m，板的上下表面計(jì)算配筋各為1031mm2/m（實(shí)配14@100，1539mm2）；加強(qiáng)層樓板還采用以下加強(qiáng)措施：雙層雙向通長配筋，板底設(shè)水平鋼支撐（H250x250x16x16）
環(huán)帶桁架在塔樓結(jié)構(gòu)受力中類似整層高的外框深梁，只因桁架空腹，剛度相對(duì)實(shí)腹梁較為有限。當(dāng)與大尺度的外框柱匹配時(shí)是可以視為加強(qiáng)層提高整體剛度。作為塔樓結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件，環(huán)帶桁架的性能化目標(biāo)是中震彈性，考慮震后加強(qiáng)層樓板剛度退化環(huán)帶桁架的可靠度，取板厚“0”按中震彈性復(fù)核環(huán)帶桁架桿件應(yīng)力比不大于0.8。
6 施工模擬分析
高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)在整個(gè)施工過程中是一個(gè)時(shí)變體系，整個(gè)結(jié)構(gòu)是逐層施工完成的，其豎向剛度和豎向荷載也是逐層形成和施加的，這種情況與結(jié)構(gòu)剛度一次形成、豎向荷載一次施加的計(jì)算方法（簡稱一次加載）存在較大差異。不考慮混凝土收縮徐變時(shí)，本項(xiàng)目考慮階段施工影響的墻柱豎向變形約20～30mm。墻柱豎向變形差在施工階段約為4mm，使用階段約為9mm?？紤]收縮徐變影響，不同的時(shí)間軸上墻柱的變形： ①施工結(jié)束時(shí)，墻柱變形差最大值為9.57mm（11層）；②使用1年后，墻柱變形差最大值為9.96mm（11層）；③使用10年后，墻柱變形差最大值為23.91mm（47層）。
收縮徐變產(chǎn)生的豎向變形差會(huì)使梁固端附加彎矩增大15%～50%（見圖12），這在構(gòu)件設(shè)計(jì)中予以考慮。
圖12 收縮徐變對(duì)桿端彎矩的影響
混凝土收縮徐變引起的混凝土累積豎向變形在豎向構(gòu)件變形中占的比例較大。至施工完畢時(shí)，核心筒筒體徐變變形占總變形的比例達(dá)到35% 以上。需要在施工階段對(duì)構(gòu)件的長度進(jìn)行精確控制，補(bǔ)償收縮徐變帶來的額外變形，這對(duì)施工單位的施工經(jīng)驗(yàn)和施工水平要求較高。
7塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
塔冠會(huì)客廳從樓面標(biāo)高192.4m至屋面標(biāo)高213m，共20.6m的高度，是全樓景觀最好的空間，打造高品質(zhì)、開闊的視野是建筑師的需求，要求原本受力良好的外框柱截止到會(huì)客廳樓面，不再往上延伸，見圖13。但應(yīng)造型需求的“盆式屋頂”還有大型擦窗機(jī)、軌道、儲(chǔ)藏及各設(shè)備間等重型荷載，給結(jié)構(gòu)師提出了較大的挑戰(zhàn)，也是超限審查時(shí)專家關(guān)注的重點(diǎn)之一。
圖13 塔冠會(huì)客廳剖面圖 圖14 構(gòu)造柱銷軸做法
圖15 屋面懸挑桁架及平面桁架布置圖
結(jié)構(gòu)方案在塔樓屋頂布置4榀懸挑桁架，為保證桁架的整體穩(wěn)定，結(jié)合建筑功能和造型要求，懸挑桁架頂部設(shè)置平面桁架，外立面通高幕墻的構(gòu)造柱也是抗風(fēng)柱（H450×700×16×40）鉸接在外邊梁形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體（見圖14）。
在塔冠屋面的結(jié)構(gòu)體系中，懸挑桁架承擔(dān)核心筒外的所有荷載，包括會(huì)客廳20.6m高的通高幕墻。平面桁架類似一個(gè)“剛片”約束懸挑桁架平面外的位移。幕墻構(gòu)造柱布置只與建筑幕墻分割的位置有關(guān)，柱頂和柱底通過銷軸的做法（見圖15）鉸接在平面桁架外圍鋼梁和會(huì)客廳樓面結(jié)構(gòu)梁上，其不承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載豎向荷載。考慮到塔冠核心筒縮進(jìn)較多，墻體消弱、外框柱截?cái)嗟纫蛩匾鸬摹氨奚倚?yīng)”影響，還做了取消和保留會(huì)客廳外圍幕墻構(gòu)造柱2工況下的包絡(luò)計(jì)算[7]。
8 結(jié)論
本項(xiàng)目除高度超限外，項(xiàng)目還存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、帶加強(qiáng)層引起的剛度突變、核心筒立面收進(jìn)引起的豎向不連續(xù)、底層大堂12.8m高穿過3層空間的躍層柱，共計(jì)5項(xiàng)不規(guī)則。設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，制訂相應(yīng)的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行了彈性及彈塑性分析，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期性能要求。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程: JGJ 3—2010[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.
[2] 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)[S]．北京: 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng) 建設(shè)部, 2015．
[3] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50011—2010[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.
[4] 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn). 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建質(zhì)[2015]67號(hào).
[5] 廈門金圓大廈風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告.中國建研科技股份有限公司，2020.
[6] 寧波綠地中心超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，哈敏強(qiáng)，《建筑結(jié)構(gòu)》2015年第7期
[7] 廈門市金圓大廈（2018G03地塊）工程設(shè)計(jì)抗震專項(xiàng)審查專家組意見，2020.
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