九江國(guó)際金融廣場(chǎng)A1#樓超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 勇， 韓紀(jì)升

(深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司北京分院， 北京 100195)

1 工程概況

九江國(guó)際金融廣場(chǎng)位于江西省九江市八里湖新區(qū)，包括A1#～A5#樓5棟高層建筑及裙房等，因A1#樓為最高樓，是一棟地上66層、地下4層的超高層建筑，后文主要對(duì)A1#樓進(jìn)行介紹。A1#樓主要功能包括辦公、會(huì)議、酒店及觀光等，A1#樓結(jié)構(gòu)主體高度為299.3m，地上建筑面積為151 125m2。屋頂設(shè)置鉆石狀塔冠，其塔冠頂標(biāo)高為308.8m，塔尖標(biāo)高為333m，建成后其高度將成為九江市的城市高度。圖1為九江國(guó)際金融廣場(chǎng)整體效果圖。

A1#樓主樓采用型鋼混凝土(鋼)框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，與裙房設(shè)縫脫開(kāi)，結(jié)構(gòu)外圍尺寸沿建筑高度不斷收進(jìn)，在52～61層形成斜柱，核心筒尺寸及剛度隨之調(diào)整和縮減，核心筒頂部設(shè)置消防水箱。地下結(jié)構(gòu)采用混凝土梁板和型鋼混凝土柱，地上結(jié)構(gòu)外框架柱采用型鋼混凝土柱或鋼柱，與核心筒之間采用“鋼梁+壓型鋼板組合樓板”，鋼梁與核心筒之間采用鉸接；核心筒采用混凝土墻體，梁板采用混凝土。屋頂鉆石狀塔冠采用圓鋼管桁架，根據(jù)建筑外觀找形，形成折面空間桁架結(jié)構(gòu)。

A1#樓的建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，風(fēng)荷載按風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告取值，地面粗糙度為A類[1]?？拐鹪O(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)[2]，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類型為Ⅱ類[3]。小震、大震作用下的規(guī)范場(chǎng)地特征周期Tg分別為0.35，0.40s，水平地震影響系數(shù)最大值αmax分別為0.04，0.28[1-2]。若水平地震影響系數(shù)最大值按安評(píng)報(bào)告取值，小震、大震作用下水平地震影響系數(shù)最大值αmax則分別為0.066，0.457。圖2為小震規(guī)范反應(yīng)譜和安評(píng)反應(yīng)譜對(duì)比圖。地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)[4]。

圖2 小震規(guī)范譜與安評(píng)反應(yīng)譜對(duì)比圖(阻尼比0.04)

A1#樓采用的主要材料有：鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用Q345GJC，Q345C，Q345B鋼材；組合結(jié)構(gòu)柱采用C45～C60混凝土；核心筒墻體采用C40～C60混凝土；混凝土梁、樓板采用C30，C35混凝土；鋼筋采用HPB300，HRB400。

2 結(jié)構(gòu)體系及布置

A1#樓結(jié)構(gòu)高度達(dá)到299.3m，根據(jù)塔樓高度及結(jié)構(gòu)平面尺寸，采用型鋼混凝土(鋼)框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系[5]。外框架由型鋼混凝土柱(鋼柱)和鋼梁組成。為增強(qiáng)外框結(jié)構(gòu)的整體性和抗側(cè)能力，沿塔樓立面在避難層(21，31，40，50層)布置了4道環(huán)帶桁架，圖3為抗側(cè)力體系構(gòu)成圖，圖4為18層結(jié)構(gòu)平面布置圖。因塔樓立面收進(jìn)，框架柱在52～61層形成斜柱，核心筒尺寸隨之縮小。

圖3 抗側(cè)力體系構(gòu)成圖

圖4 18層結(jié)構(gòu)平面布置圖

核心筒外墻厚度為400～1 300mm、內(nèi)墻(包括墻肢)厚度為300～500mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40～C60。連梁高以800，900 mm為主，受力較大的連梁內(nèi)設(shè)置鋼板。核心筒主要墻體厚度見(jiàn)表1。外圍框架柱從地下4層至地上51層采用型鋼混凝土柱，柱內(nèi)鋼骨采用十字截面，為減緩剛度突變，52層采用鋼管混凝土柱過(guò)渡，53層及以上采用鋼柱，外框架主要框架柱截面見(jiàn)表2。

外框架主要框架柱截面 表2

框架梁及次梁均采用鋼梁，典型柱網(wǎng)尺寸為9.9m×9.9m，外框架梁截面為H900×350×14×32，外框架與核心筒之間的框架主梁截面為H600×200×10×16，次梁截面為H450×200×9×14。

環(huán)帶桁架桿件均采用H型鋼，上下弦桿截面為H900×(500～600)×(30～50)×(30～50)，腹桿截面為H(500～600)×(500～600)×(30～40)×(30～40)。

核心筒外樓板采用鋼筋桁架樓承板，厚度為120mm，避難層鋼筋桁架樓承板厚為150mm。考慮到樓板需承受拉力，環(huán)帶桁架上下弦對(duì)應(yīng)樓板厚度為200mm，核心筒內(nèi)樓板為現(xiàn)澆混凝土樓板，樓板厚度為110mm。

本工程A1#樓主樓取第⑤3層(中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖)或第⑥1層(中風(fēng)化砂巖與礫巖互層)為樁端持力層，試樁后確定本工程單樁豎向承載力特征值為8 500 kN。主樓范圍內(nèi)基礎(chǔ)采用樁上平板筏基，筏板厚度為3 500mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45。

核心筒主要墻體厚度/mm 表1

3 結(jié)構(gòu)超限情況及抗震性能設(shè)計(jì)

根據(jù)《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))[6]規(guī)定，A1#樓超限項(xiàng)如下：1)高度超限。規(guī)范限值為210m，本工程塔樓結(jié)構(gòu)屋面高度為299.3m。2)樓板不連續(xù)。地上2，3層樓板有效寬度為39.5%。3)剛度突變。設(shè)置環(huán)帶桁架的樓層產(chǎn)生剛度突變。4)承載力突變?？辜舫休d力比最小值為0.76。5)穿層柱。底部部分柱為穿層柱。

綜上，A1#樓存在5項(xiàng)輕微不規(guī)則項(xiàng)，無(wú)嚴(yán)重不規(guī)則項(xiàng)。根據(jù)不同部位構(gòu)件的重要性，按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[5]以及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[3]的要求，考慮經(jīng)濟(jì)性，確定本工程的構(gòu)件抗震性能目標(biāo)為C級(jí)，見(jiàn)表3。

構(gòu)件的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo) 表3

4 地震作用下結(jié)構(gòu)性能分析

4.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)性能分析

4.1.1 彈性反應(yīng)譜分析

A1#樓在多遇地震作用下的彈性反應(yīng)譜分析地震動(dòng)參數(shù)按安評(píng)報(bào)告取值，水平地震影響系數(shù)最大值為0.066，特征周期為0.35s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.04，連梁折減系數(shù)為0.7，周期折減系數(shù)為0.85，振型數(shù)為30個(gè)。多遇地震作用下的整體結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，兩個(gè)計(jì)算軟件計(jì)算出的周期、位移、基底剪力等指標(biāo)接近，結(jié)構(gòu)周期、剛度指標(biāo)較好，位移、扭轉(zhuǎn)性能、層剛度比等各項(xiàng)重要指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)第1扭轉(zhuǎn)周期與第1平動(dòng)周期之比為0.51，考慮偶然偏心最大扭轉(zhuǎn)位移比小于1.2，抗扭剛度好，不考慮雙向地震作用。

4.1.2 彈性時(shí)程分析

多遇地震作用下彈性時(shí)程分析選取安評(píng)報(bào)告提供的Ⅱ類場(chǎng)地上的5組天然波和2組人工波，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可見(jiàn)，各條地震波下的基底剪力均不小于CQC法的65%、不大于CQC法的135%；7組波基底剪力平均值不小于CQC法的80%、不大于CQC法的120%，滿足規(guī)范要求。

多遇地震作用下計(jì)算結(jié)果 表4

多遇地震作用下彈性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果 表5

4.2 罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)，找到結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的薄弱部位，對(duì)A1#樓進(jìn)行罕遇地震作用下的時(shí)程分析。動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析采用三維非線性結(jié)構(gòu)分析軟件Perform 3D。

在大震彈塑性時(shí)程分析過(guò)程中，考慮以下非線性因素：1)幾何非線性。結(jié)構(gòu)的平衡方程建立在結(jié)構(gòu)變形后的幾何狀態(tài)上，考慮P-Δ效應(yīng)。2)材料非線性。直接采用材料非線性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模擬鋼筋、混凝土的彈塑性特性。3)施工過(guò)程非線性?？紤]到塔樓在長(zhǎng)久荷載作用下豎向變形與一次性加載較為接近，因此不考慮施工模擬。為避免環(huán)帶桁架受力異常，其腹桿在塔樓一次性加載完成后再進(jìn)行添加。

計(jì)算時(shí)選取安評(píng)報(bào)告提供的5組天然波和2組人工波，按雙向地震輸入，雙向地震輸入的地震波峰值比分別為X∶Y=1∶0.85和X∶Y=0.85∶1，地震波主方向峰值139.5gal，持續(xù)時(shí)間均為40s。

罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6，從表6中發(fā)現(xiàn)天然波1、天然波2及人工波1這3條地震波的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大。圖5，6分別為天然波1作用下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線和基底剪力時(shí)程曲線。

罕遇地震作用下彈塑性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果 表6

圖5 天然波1作用下頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線

圖6 天然波1作用下基底剪力時(shí)程曲線

本工程以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形能力小于規(guī)定的CP(指構(gòu)件受到嚴(yán)重破壞，已不可修復(fù)使用，但構(gòu)件尚能承受重力荷載而不倒塌)狀態(tài)為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)變形能力參照中國(guó)規(guī)范《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[5]和美國(guó)規(guī)范ASCE41-06[7]，罕遇地震作用下構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)見(jiàn)表3。

使用Perform 3D軟件分析的主要結(jié)果如下：1)結(jié)構(gòu)整體性能。結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角為1/253，Y向?yàn)?/282，滿足規(guī)范限值1/100要求。2)構(gòu)件性能。計(jì)算結(jié)果表明構(gòu)件均滿足表3設(shè)定的性能目標(biāo)，具體如下：剪力墻滿足抗彎、抗剪均不屈服；外框柱滿足抗彎IO(指構(gòu)件只受到輕微破壞，無(wú)須修復(fù)即可繼續(xù)使用)性能水準(zhǔn)，同時(shí)滿足抗剪截面要求；環(huán)帶桁架腹桿在罕遇地震作用下不屈服、不屈曲；連梁滿足抗彎CP性能水準(zhǔn)要求，大部分滿足抗剪IO性能水準(zhǔn)要求，所有連梁都滿足抗剪截面要求；框架梁(均為鋼梁)滿足抗彎LS(指構(gòu)件受到顯著破壞但不危及生命安全，修復(fù)后可繼續(xù)使用)性能水準(zhǔn)要求。

5 塔冠鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

A1#樓頂部設(shè)置了鉆石形狀的塔冠，塔冠設(shè)計(jì)采用了建筑結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，即玻璃直接安裝在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上完成建筑找形。根據(jù)建筑形態(tài)，結(jié)構(gòu)采用圓鋼管空間折面桁架體系，作為支撐玻璃屋面及桅桿的主受力結(jié)構(gòu)。

根據(jù)室內(nèi)空間及造型要求，按米字形布置了3榀變截面主桁架，其跨度分別為27.9，34.7，41.7m，桁架高度取為1.3～3.9m，高跨比為1/9～1/22[8-10]，為減小跨度，在核心筒頂部設(shè)置支撐；在主桁架之間，沿高度布置了4道環(huán)向桁架；主桁架、環(huán)向桁架之間采用鉆石切面形狀的次桁架相連；塔冠頂部敞開(kāi)，3道主桁架相交處支撐33m高桅桿；為滿足下部觀光空間的舒適度及節(jié)能要求，塔冠下部設(shè)置一層玻璃屋面以形成室內(nèi)空間，其支撐結(jié)構(gòu)搭設(shè)在主桁架及核心筒上。圖7為塔冠結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖。

圖7 塔冠結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖

塔冠高度為23.5m，平面尺寸為28.9m×30.2m，桁架柱腳位于塔樓周邊外框柱頂和核心筒頂部。主桁架多數(shù)弦桿截面為φ500×20，φ351×12，腹桿截面為φ180×10，φ159×10，桅桿采用變截面圓鋼管φ(500～1 200)×30。

塔冠結(jié)構(gòu)采用整體結(jié)構(gòu)模型、單獨(dú)塔冠結(jié)構(gòu)兩個(gè)模型分別計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。塔冠風(fēng)荷載按風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果施加；地震作用下采用反應(yīng)譜方法計(jì)算，塔冠結(jié)構(gòu)單獨(dú)計(jì)算時(shí)考慮鞭梢效應(yīng)，將地震力放大2.5倍；溫度考慮升溫30℃、降溫30℃。計(jì)算采用MIDAS Gen軟件，單獨(dú)塔冠結(jié)構(gòu)變形、構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8,9所示。

圖8 1.0恒荷載+1.0風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)變形/m

圖9 構(gòu)件應(yīng)力比

塔冠主體結(jié)構(gòu)支承在塔樓周邊的外框柱上，主體結(jié)構(gòu)主桁架根部與塔樓外框柱采用剛接連接，連接節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖10。

圖10 主桁架柱腳節(jié)點(diǎn)

6 針對(duì)結(jié)構(gòu)超限采取的措施

(1)提高核心筒墻體延性的措施

1)墻體洞口布置按照均勻?qū)ΨQ的原則；2)核心筒抗震等級(jí)按特一級(jí)設(shè)計(jì)；3)對(duì)抗剪承載力不夠的連梁，設(shè)置交叉暗撐和鋼板以增加其抗剪承載力。

(2)提高外框架延性的措施

1)控制外框架型鋼柱軸壓比小于0.7，其剪跨比小于2時(shí)軸壓比取0.65；2)變截面、變標(biāo)號(hào)和建筑墻體截面標(biāo)號(hào)的變化全部錯(cuò)開(kāi)，減小豎向剛度的突變。

(3)針對(duì)穿層柱的措施

A1#樓地上2，3層由于樓板開(kāi)洞形成了穿層柱，為考慮穿層柱的P-Δ效應(yīng)，通過(guò)計(jì)算穿層柱的有效計(jì)算長(zhǎng)度調(diào)整柱的內(nèi)力，并對(duì)比其截面的抗彎承載力來(lái)進(jìn)行手工復(fù)核校對(duì)。

(4)針對(duì)加強(qiáng)層的措施

1)計(jì)算環(huán)帶桁架內(nèi)力，不考慮樓板作用；2)適當(dāng)增大加強(qiáng)層及上下兩層的剪力墻水平分布鋼筋；3)環(huán)帶桁架上下弦對(duì)應(yīng)樓層的樓板加厚為200mm，樓板配筋雙層雙向拉通并適當(dāng)加大；4)對(duì)于樓層高度較大導(dǎo)致側(cè)向剛度較小而形成的薄弱樓層，對(duì)其地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力乘以1.25倍的放大系數(shù)。

(5)針對(duì)斜柱的措施

1)提高斜柱樓層下一層及51層框架柱的抗震等級(jí)到特一級(jí)，并控制斜柱樓層在中震、大震作用下的應(yīng)力比不大于0.90；2)計(jì)算斜柱內(nèi)力，不考慮樓板作用；3)斜柱軸力的水平分力全部由水平鋼梁承擔(dān)；4)對(duì)斜柱及與其相連樓層樓板進(jìn)行受力分析，以明確斜柱的受力特性，并加強(qiáng)樓板配筋。

(6)針對(duì)樓板不連續(xù)的措施

A1#樓地上2層與3層的樓板不連續(xù)，樓板厚度為150mm，采用雙層雙向配筋，配筋率不小于0.30%。

7 環(huán)帶桁架設(shè)置方案比較

因本工程所在地抗震設(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，所以地震力較小。在A1#樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在避難層21，31，40，50層均勻布置了4道環(huán)帶桁架。因A1#樓為矩形平面，從幾何尺寸來(lái)看，X向較Y向剛度略大。為保證環(huán)帶桁架布置方案經(jīng)濟(jì)且合理，根據(jù)超限審查專家及建設(shè)單位的意見(jiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行了環(huán)帶桁架不同布置方案的對(duì)比研究。環(huán)帶桁架的布置僅考慮在Y向設(shè)置或同時(shí)在X，Y兩個(gè)方向設(shè)置，沿塔樓豎向高度上設(shè)置不同的環(huán)帶桁架數(shù)量、改變其構(gòu)件的截面，對(duì)不同的布置方案進(jìn)行塔樓敏感性及響應(yīng)分析。本文選取4種典型的環(huán)帶桁架布置方案：方案1為4道環(huán)帶桁架，弦桿截面高度為950mm,腹桿截面高度為600，800 mm；方案2為4道環(huán)帶桁架，弦桿截面高度為800mm，腹桿截面高度為400mm；方案3為4道環(huán)帶桁架，僅Y向設(shè)置，截面與方案1一致；方案4不設(shè)置環(huán)帶桁架。不同環(huán)帶桁架布置方案在小震作用下的主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7中可看出，各方案基底剪力與傾覆力矩相近，根據(jù)試算選出合適的環(huán)帶桁架構(gòu)件截面；方案2設(shè)置4道環(huán)帶桁架是較為合理的方案，能有效降低外框柱的材料用量尤其是鋼材用量，并能有效減小外框柱截面。

環(huán)帶桁架的設(shè)置數(shù)量、位置及方向，對(duì)A1#樓等同類超高層建筑的抗震性能影響明顯，影響較大的參數(shù)為剛重比、抗剪承載力比、剪力調(diào)整系數(shù)以及周期。環(huán)帶桁架有利于提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度、降低材料用量。但是需要注意環(huán)帶桁架上下相鄰樓層的設(shè)計(jì)，因?yàn)閯偠韧蛔?，外框架柱的設(shè)計(jì)需要加強(qiáng)，腹桿應(yīng)在結(jié)構(gòu)封頂后再行安裝或連接。

本工程在避難層設(shè)置了環(huán)帶桁架，對(duì)建筑的外立面及功能影響不大，但可以減小外框柱的截面并節(jié)約材料用量。在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同類項(xiàng)目可以借鑒并采用。

不同環(huán)帶桁架布置方案小震作用下計(jì)算結(jié)果 表7

8 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)對(duì)A1#樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性計(jì)算和彈塑性計(jì)算，發(fā)現(xiàn) A1#樓結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)定的抗震性能目標(biāo)，可形成預(yù)期的多道抗震防線，具有良好的抗震能力。

(2)設(shè)置了環(huán)帶桁架的超高層結(jié)構(gòu)，在計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，環(huán)帶桁架上下弦對(duì)應(yīng)樓層的樓板應(yīng)設(shè)置為彈性板。

(3)采用了斜柱的同類結(jié)構(gòu)，在計(jì)算外框架梁及樓層框架梁內(nèi)力時(shí)，對(duì)應(yīng)樓層的樓板應(yīng)設(shè)置為彈性板，以避免梁無(wú)軸向變形引起軸力為0，將會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)安全。計(jì)算位移等大參數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)樓層樓板宜設(shè)置為彈性板。

(4)合理設(shè)置環(huán)帶桁架可有效提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，節(jié)約材料用量。在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，僅設(shè)置環(huán)帶桁架而不設(shè)置伸臂桁架，對(duì)建筑功能影響小，施工難度不大，但可減小外框柱截面并節(jié)約材料用量。