特殊體型超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究*

羅赤宇，徐 剛，張顯裕，林景華，林昭王

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 510010)

0 引言

框架-核心筒結(jié)構(gòu)是指由核心筒與外圍的稀柱框架組成的筒體結(jié)構(gòu)[1]，核心筒為結(jié)構(gòu)主要的水平抗側(cè)力構(gòu)件，框架與核心筒二者協(xié)同受力。框架-核心筒結(jié)構(gòu)是超高層建筑最常用的結(jié)構(gòu)形式，廣東省2020年高度150m以上的建筑共146棟，其中框架-核心筒結(jié)構(gòu)112棟，其主要的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋(型鋼、鋼管)混凝土柱+鋼筋混凝土框架梁+鋼筋混凝土(內(nèi)置型鋼、鋼管)筒體。常規(guī)體型框架-核心筒結(jié)構(gòu)通常為矩形(方形)平面或圓形平面，豎向較為規(guī)則，外框周邊框架完整，典型平面布置見圖1。但是部分建筑由于建筑功能的需求，取消角柱或在矩形核心筒中部的樓板開洞，以取得良好的建筑視野和空間。

近年來(lái)為適應(yīng)建筑多變的功能及立面造型的要求，出現(xiàn)了較多特殊體型的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，如：不規(guī)則平面、外框不封閉平面、曲折柱外框、紡錘形立面、疊級(jí)收進(jìn)立面及大退臺(tái)收進(jìn)立面等(圖2)。本文將通過多個(gè)工程實(shí)例(除深圳大百匯項(xiàng)目外，均為本文作者設(shè)計(jì)的工程實(shí)例)，主要對(duì)三類特殊體型超高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)問題進(jìn)行分析研究。

1 紡錘形立面框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 案例一

1.1.1 工程概況與結(jié)構(gòu)體系

沈陽(yáng)華強(qiáng)金廊城市廣場(chǎng)1號(hào)樓建筑高度為330m，結(jié)構(gòu)高度為 299.8m，地面以上67層，地下4層，建筑效果如圖2(a)所示。建筑平面為圓形，外圍圓形沿豎向高度直徑由 46m 逐漸擴(kuò)大到 53.4m(29層)，然后逐漸收進(jìn)到頂層的 42.2m，使建筑外形整體呈紡錘形。核心筒外輪廓平面呈八角形，尺寸約為 26.3m×26.3m。結(jié)構(gòu)的高寬比為6.5，核心筒高寬比為11.2。工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

綜合考慮建筑平立面造型、抗震性能目標(biāo)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、建設(shè)周期及經(jīng)濟(jì)造價(jià)等因素，塔樓采用設(shè)置環(huán)形帶狀腰桁架的鋼管混凝土柱+型鋼梁框架-鋼管)混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系[2]，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系由外框架(斜)柱+腰桁架與核心筒+連梁共同構(gòu)成多道防線(圖3)，結(jié)構(gòu)立面圖及塔樓典型樓層結(jié)構(gòu)平面布置見圖4。

本項(xiàng)目位于東北地區(qū)，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，混合結(jié)構(gòu)的總重量減輕了15%，采用持力層為圓礫層的筏板基礎(chǔ)，避免較多混凝土結(jié)構(gòu)在冬季無(wú)法施工的情況，可縮短工期并提升經(jīng)濟(jì)效益。由于結(jié)構(gòu)為圓形平面及抗側(cè)構(gòu)件布置均衡，并通過在第14層、28層和42層外框柱間設(shè)置環(huán)形帶狀腰桁架，結(jié)構(gòu)兩向動(dòng)力特性相近，以平動(dòng)為主的第一及第二自振周期均約為6.35s，地震作用下兩向最大層間位移角約為1/730(圖5)，結(jié)構(gòu)剛重比為2.0。根據(jù)安評(píng)報(bào)告提出小震的最大地震影響系數(shù)為0.105 2，塔樓最小剪重比按0.15×0.105 2=1.58%確定。剪重比曲線見圖6，由圖6可得，首層剪重比 1.44%，約為限值1.578%的91%，剪重比小于1.578%的樓層數(shù)為總樓層數(shù)的15%，各樓層地震剪力按要求進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)。

1.1.2 加強(qiáng)措施

本項(xiàng)目29層的樓層平面尺寸最大，外框柱上下傾角約1.6°，通過結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度、筒體附加剪力、樓蓋拉應(yīng)力等影響分析，外圍框架柱采用隨形外框斜柱，29層以下為內(nèi)斜柱，使核心筒承受了部分豎向作用力產(chǎn)生的附加剪力。核心筒在5層及以下剪力墻內(nèi)設(shè)置鋼管形成鋼管混凝土剪力墻(圖7)，以提高底部加強(qiáng)區(qū)筒體的承載力及延性。其余樓層為鋼筋混凝土剪力墻筒體，并對(duì)9～29層及軸壓比不小于0.3的墻肢進(jìn)行加強(qiáng)，適當(dāng)提高其豎向及水平分布鋼筋配筋率。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在進(jìn)行加強(qiáng)層的敏感性分析時(shí)，除考慮結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度需求外，重點(diǎn)針對(duì)外框柱曲率變化樓層進(jìn)行加強(qiáng)，在28層增設(shè)一道環(huán)桁架，對(duì)水平拉力較大樓層形成環(huán)箍約束作用?？蚣芎屯搀w的樓層剪力分配比例見圖8，由圖可得，樓層剪力主要由核心筒承擔(dān)，大部分樓層框架分配剪力比例大于10%，底部樓層框架分配剪力比例不小于5%。由于65 層以上的外框架斜柱隔一抽一，框架分配剪力比例迅速下降。為確?？拐鸬诙婪谰€發(fā)揮作用，對(duì)本工程各分段框架部分的樓層剪力按1.8Vfmax(Vfmax為框架部分分配的最大樓層剪力)和0.25Q0(Q0為結(jié)構(gòu)總地震剪力)二者較小值進(jìn)行調(diào)整。

下部樓層框架柱內(nèi)力大且向外傾斜，對(duì)樓蓋產(chǎn)生拉力，考慮結(jié)構(gòu)圓形平面和斜柱的不利影響，結(jié)構(gòu)計(jì)算增加柱的斜向受力分析。同時(shí)考慮水平樓蓋的實(shí)際傳力作用，分析時(shí)采用弱化樓板剛度的方式考查腰桁架等相關(guān)構(gòu)件內(nèi)力，并相應(yīng)加強(qiáng)連接構(gòu)造。外框斜柱在樓蓋內(nèi)產(chǎn)生較大軸力時(shí)作相應(yīng)加強(qiáng)，受拉梁端在墻內(nèi)設(shè)置型鋼。

1.2 案例二

深圳大百匯主塔樓建筑高度376m，結(jié)構(gòu)高度316m，立面呈紡錘形，每層外框柱均為不同角度的斜柱，采用設(shè)置伸臂桁架與腰桁架加強(qiáng)層的鋼骨混凝土柱+鋼梁框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系。本項(xiàng)目在方案設(shè)計(jì)階段，基于總建筑面積相等，外框柱截面相同及核心筒墻厚一致的前提下，設(shè)計(jì)出8個(gè)不同曲線的立面方案進(jìn)行試算[3]，見圖9。對(duì)紡錘形建筑曲線斜柱對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的影響進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)曲線分布的斜柱提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，其中底部寬度大，頂部寬度小，二次曲線峰值在下部1/3高度處的模型6的層間位移角最小，抗側(cè)剛度最大，見表1。前文所述沈陽(yáng)華強(qiáng)金廊城市廣場(chǎng)1號(hào)樓項(xiàng)目外立面曲線峰值在29層，也是接近結(jié)構(gòu)最大高度的1/3位置，與此規(guī)律較為吻合。

表1 不同外立面方案的最大層間位移角

2 曲折柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)特殊建筑平面及特殊立面的要求，框架-核心筒結(jié)構(gòu)的外框可采用非直線隨形框架柱，曲折柱框架為其中一種外框形式，見圖10。例如廣州報(bào)業(yè)文化中心的兩棟高115m的塔樓，為適應(yīng)建筑陽(yáng)臺(tái)沿高度交錯(cuò)變化的需求，通過對(duì)結(jié)構(gòu)外圍的框架柱采用的直柱、搭接柱轉(zhuǎn)換及曲折柱三個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定采用曲折柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)[4]。各部位的外框柱根據(jù)建筑需要外伸或內(nèi)縮，每次外伸或內(nèi)縮都利用兩層高度形成斜柱。豎向構(gòu)件豎直或傾斜連貫，結(jié)構(gòu)受力合理，并有良好的建筑室內(nèi)空間和視覺效果。

曲折柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)的斜柱軸力的水平分量會(huì)對(duì)與其相連的樓蓋產(chǎn)生拉壓作用，設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮斜柱上下端樓層拉、壓作用的傳遞，相關(guān)樓層應(yīng)采用彈性樓板及無(wú)樓板模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。對(duì)承受拉力最大的樓層，尚應(yīng)進(jìn)一步提高該層樓蓋相關(guān)區(qū)域的抗拉能力，可通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，將直接受拉的徑向框梁與間接受拉的徑向次梁、樓板、預(yù)應(yīng)力筋協(xié)同形成抵抗拉力的整體樓蓋[5]。

2.1 案例三

2.1.1 工程概況及結(jié)構(gòu)體系

國(guó)美信息科技中心建筑高度173m，結(jié)構(gòu)高度157m，建筑立面為鉆石切割豎向變化立面，平面為切角變化的正方形平面，建筑效果圖及剖面示意圖如圖11所示。

主體結(jié)構(gòu)3層以上角柱為分叉曲折柱，并在3、10、19、28層發(fā)生內(nèi)傾與外傾轉(zhuǎn)折交替，傾斜角度7°～11°。結(jié)合建筑平面功能、立面造型、抗震(風(fēng))性能要求、施工周期以及造價(jià)等因素，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)[6]，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖12所示。其中，1～13層框架柱為鋼骨混凝土柱，14層及以上框架柱為鋼筋混凝土柱，其最大截面為φ1 200，底部加強(qiáng)區(qū)核心筒剪力墻內(nèi)置型鋼。

地震作用下，結(jié)構(gòu)外框柱分擔(dān)剪力占比、傾覆力矩占比分別見圖13、14。由圖可得，由于外框的特殊形式，外框柱轉(zhuǎn)折樓層框架分擔(dān)的剪力會(huì)產(chǎn)生突變，外框柱分擔(dān)剪力占比大部分為5%～20%，多數(shù)樓層的外框柱分擔(dān)的剪力占比大于10%，滿足《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))的“除底部個(gè)別樓層外，多數(shù)不低于基底剪力的8%且最大值不低于10%，最小值不宜低于5%”的要求。地震作用下，底層外框柱分擔(dān)的傾覆力矩占比為10%～50%，滿足規(guī)范要求。

2.1.2 外框柱轉(zhuǎn)折樓層樓蓋及曲折柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

典型斜柱層的結(jié)構(gòu)平面布置如圖15(a)所示，3層和19層由于斜柱轉(zhuǎn)折對(duì)樓蓋產(chǎn)生附加拉力(斜柱傾斜角度為11°)。根據(jù)外框柱轉(zhuǎn)折層的構(gòu)件受力特點(diǎn)，該層采用環(huán)梁布置，見圖15(b)。通過環(huán)向梁的拉結(jié)效應(yīng)和加厚樓板，外框柱轉(zhuǎn)折層合理分擔(dān)斜柱轉(zhuǎn)折處相關(guān)框架梁的拉力，提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。同時(shí)在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置柱帽，并加強(qiáng)相關(guān)梁柱的鋼筋錨固連接，角柱空間交匯節(jié)點(diǎn)如圖16所示。

為了解轉(zhuǎn)折柱位置框架梁(角部斜梁)的軸力分配的情況，對(duì)考慮彈性樓板及不考慮樓板的受拉框架梁計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析，其中彈性樓板的情況考慮梁受拉彈性，不考慮樓板的情況考慮梁受拉不屈服。通過對(duì)以上兩種情況的分析計(jì)算，采用二者的包絡(luò)配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。3層曲折柱對(duì)框架梁產(chǎn)生的附加拉力最大，其角部框架梁在各工況下的軸力見表2。由表可得，樓板分擔(dān)了一部分受拉框梁因斜柱引起的附加拉力，分擔(dān)比例為50%左右。

表2 3層角部框架梁在各工況下的軸力/kN

外框柱轉(zhuǎn)折樓層的混凝土在荷載基本組合(1.35恒載+0.98活載)工況下的應(yīng)力云圖見圖17。由圖可得，節(jié)點(diǎn)區(qū)域拉應(yīng)力較大，遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)位置，拉應(yīng)力逐漸減小，部分變?yōu)閴簯?yīng)力。拉應(yīng)力主要集中在梁以及周邊樓板上，平均拉應(yīng)力為1.6MPa左右。曲折柱節(jié)點(diǎn)型鋼設(shè)置見圖18，梁、板合理加強(qiáng)鋼筋配置及局部樓板設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋(圖19)，確保曲折柱外框關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的安全。

2.2 案例四

2.2.1 工程概況及結(jié)構(gòu)體系

佛山城發(fā)中心結(jié)構(gòu)高度為189m，地上38層，具有切角矩形平面及扭轉(zhuǎn)切割立面的特點(diǎn)，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[7]。充分結(jié)合建筑造型以及雙向密肋樓蓋，采用了8根曲折柱的新型曲折柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)。建筑平面外輪廓為非等邊八邊形，長(zhǎng)邊的位置隨著高度不斷變化(圖20)，結(jié)構(gòu)外框柱采用8根最大直徑為1 800mm(壁厚60mm)的鋼管混凝土柱，頂部減小為直徑1 000mm(壁厚20mm)。隨著建筑輪廓的變化，8根曲折柱在28.5～114.0m(6～25層)高度范圍內(nèi)為斜柱，核心筒剪力墻厚度自下而上由700mm減小至300mm。本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)存在樓板不連續(xù)、承載力突變、穿層柱及斜柱等不規(guī)則項(xiàng)，屬于超B級(jí)高度的超限高層建筑，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)為C級(jí)。采用廣東省標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-92—2021)(簡(jiǎn)稱廣東新高規(guī))進(jìn)行中震設(shè)計(jì)，并采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)進(jìn)行小震承載力復(fù)核。

2.2.2 加強(qiáng)措施

對(duì)本工程結(jié)構(gòu)的不規(guī)則情況，特別是曲折柱外框的受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造等多方面采取措施確保本工程的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)[8]：

(1)核心筒承受的地震剪力放大10%進(jìn)行墻體配筋設(shè)計(jì)；在滿足承載力的基礎(chǔ)上，曲折柱轉(zhuǎn)折樓層剪力墻分布鋼筋配筋率大于0.5%。

(2)將8根曲折柱及曲折柱轉(zhuǎn)折層(6、25層)的外框梁作為關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，其他層外框梁除加強(qiáng)其配筋外，同時(shí)在外框梁內(nèi)設(shè)置鋼骨，確保其在中震、大震下的抗震性能。

(3)曲折柱外凸轉(zhuǎn)折層(6層)的框架柱、樓蓋及節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵構(gòu)件均采用有無(wú)樓板工況的分析結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。對(duì)6層受拉區(qū)域的樓板(核心筒外圍雙向密肋樓蓋板)，板厚加大至180mm，并基于彈性板的應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行配筋加強(qiáng)。外框梁內(nèi)(鋼骨兩側(cè))和板內(nèi)(板中)增設(shè)環(huán)向+徑向緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，以降低其拉應(yīng)力水平。

(4)加強(qiáng)曲折柱內(nèi)凹轉(zhuǎn)折層(25層)的板厚及配筋。

2.2.3 地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證曲折外框柱的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)，評(píng)價(jià)其抗震能力、驗(yàn)證結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位或構(gòu)件的地震響應(yīng)及損傷程度、檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)各部分是否達(dá)到設(shè)計(jì)設(shè)定的抗震性能目標(biāo)、對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出可能的改進(jìn)意見與措施，進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)抗震安全性，本項(xiàng)目進(jìn)行了地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D21。

對(duì)試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明[9]，經(jīng)歷7度多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震以及超7度罕遇地震作用的過程中，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡卣痦憫?yīng)正常、力學(xué)性能表現(xiàn)良好：較多的連梁、框架梁在中、大震下梁端逐步出鉸，如期發(fā)揮了耗能作用，結(jié)構(gòu)延性較好；塔樓的最大層間位移出現(xiàn)在25～34層，與超限分析結(jié)果基本相符；除了屋頂小塔樓因鞭梢效應(yīng)而在罕遇地震后發(fā)生嚴(yán)重破壞外，塔樓主體結(jié)構(gòu)在超7度罕遇地震后仍未發(fā)生任何倒塌且關(guān)鍵構(gòu)件均完好。

基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮暧^損壞程度，可判定本項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)能達(dá)到C級(jí)抗震性能目標(biāo)的要求?；趶V東新高規(guī)進(jìn)行中震性能化設(shè)計(jì)而采取的相關(guān)抗震加強(qiáng)措施有效，經(jīng)專項(xiàng)分析并加強(qiáng)設(shè)計(jì)的剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)、曲折柱及其轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵部位在超7度罕遇地震后完好無(wú)損，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)加強(qiáng)措施的有效性。

3 大退臺(tái)立面框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑立面上退臺(tái)收進(jìn)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)的收進(jìn)形式有多種，收進(jìn)形式的不同會(huì)帶來(lái)一系列不同的結(jié)構(gòu)問題：1)外圍的框架柱不連續(xù)，需要采用斜柱、托柱及搭接柱轉(zhuǎn)換等多種方式解決；2)結(jié)構(gòu)在退臺(tái)位置會(huì)產(chǎn)生剛度突變，需要對(duì)相關(guān)的豎向構(gòu)件及樓蓋進(jìn)行加強(qiáng)；3)當(dāng)塔樓收進(jìn)不對(duì)稱時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)偏心布置的情況，應(yīng)采取措施減小頂部結(jié)構(gòu)偏心布置帶來(lái)的影響，并應(yīng)注意頂部結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)。

由于大退臺(tái)建筑偏心收進(jìn)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚應(yīng)重視豎向構(gòu)件壓縮變形差、附加水平作用及基礎(chǔ)差異沉降等非荷載效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)上應(yīng)采取措施以減輕其不利影響。以下以橫琴保險(xiǎn)金融總部大廈為例[10]，重點(diǎn)介紹大退臺(tái)立面框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問題。

3.1 工程概況

橫琴保險(xiǎn)金融總部大廈建筑高度247m，結(jié)構(gòu)高度235m，建筑效果圖及剖面圖如圖22所示。建筑平面為矩形平面，底部樓層的核心筒居中設(shè)置。在約 140m 高度處，有較大退臺(tái)式收進(jìn)，單邊收進(jìn)約是其相鄰下部樓層平面的 1/2 ，見圖23。建筑整體的高寬比為5.8，收進(jìn)位置的高寬比為4.8，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，底部部分樓層的框架柱及底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼。

3.2 偏心收進(jìn)的不利影響及應(yīng)對(duì)措施

結(jié)構(gòu)累計(jì)質(zhì)心與構(gòu)件形心分布見圖24，由圖可得，由于塔樓的單側(cè)收進(jìn)較大，使得結(jié)構(gòu)累計(jì)質(zhì)心與構(gòu)件形心不重合，在豎向荷載作用下將引起結(jié)構(gòu)的傾覆力矩，見圖25。從圖24可得，在核心筒收進(jìn)(32 層)處，質(zhì)心與形心產(chǎn)生的Y向偏心距最大約 9m，但在 32 層以下，偏心距沿結(jié)構(gòu)高度迅速變小，質(zhì)心與豎向構(gòu)件形心的偏心引起的傾覆力矩突然增大?？箓?cè)力構(gòu)件的布置及承擔(dān)的作用力應(yīng)考慮傾覆力矩增大的不利影響。

偏心荷載還會(huì)導(dǎo)致建筑周邊豎向構(gòu)件承擔(dān)的軸力不均勻，不同位置的框架柱和剪力墻軸壓比相差較大[11]，需通過調(diào)節(jié)南、北兩部分的墻柱軸壓比，來(lái)減小南、北兩部分軸壓力相差較大的不利影響。在結(jié)構(gòu)布置上，北塔的豎向構(gòu)件軸壓比限值按南塔的豎向構(gòu)件的數(shù)值減少 0.05采用。南塔1～11層外框柱采用鋼骨混凝土柱，12層及以上采用鋼筋混凝土柱；北塔1～46層采用鋼骨混凝土柱，46層及以上采用鋼筋混凝土柱。首層核心筒北面的墻厚為1 400mm，南面的墻厚為900mm。北面的柱截面為1 200×2 800，南面的柱截面為800×2 200。核心筒主要為鋼筋混凝土剪力墻，北面1～9層的部分剪力墻增設(shè)了鋼骨。首層的墻柱截面及其軸壓比如圖26所示。

由于偏心收進(jìn)引起的剛度突變較大，造成地震響應(yīng)復(fù)雜，剪力墻在收進(jìn)處容易引起應(yīng)力集中。為了減小剛度突變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，加大了高區(qū)所有樓層外圍的框架梁截面(圖27中藍(lán)色陰影部分)。同時(shí)在收進(jìn)位置的上下層均設(shè)置了鋼板剪力墻并盡量均勻過渡，避免造成上下層的剛度和承載力的突變，鋼板剪力墻的布置見圖28。

3.3 塔樓施工模擬對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響

因塔樓偏心收進(jìn)，在豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不均勻的豎向和水平變形，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力，對(duì)電梯、幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件也會(huì)產(chǎn)生不利影響。對(duì)塔樓進(jìn)行施工模擬分析，目的是通過施工階段和使用階段(考慮收縮、徐變長(zhǎng)期荷載效應(yīng))對(duì)框架柱和剪力墻豎向變形及水平變形的分析，指導(dǎo)后期施工階段樓板找平，對(duì)墻柱豎向變形量提供一個(gè)更準(zhǔn)確的評(píng)估。

長(zhǎng)期荷載效應(yīng)下，框架柱和剪力墻豎向變形可定義為樓板安裝后10年間的壓縮變形，包括彈性變形、非線性徐變和收縮變形。10年后的框架柱豎向變形值應(yīng)扣除在樓面施工時(shí)已發(fā)生的框架柱豎向變形值。通常情況下，考慮了施工工序的構(gòu)件彈性變形會(huì)比較大，其次為非線性徐變和收縮。圖29為框架柱和剪力墻在樓板安裝后12年間的總豎向變形，從圖可得，絕大部分框架柱和剪力墻的豎向變形在樓板安裝后3年內(nèi)完成。

因此，外框柱和核心筒在施工階段必須進(jìn)行標(biāo)高補(bǔ)償，以便在建筑物投入使用若干年后，外框柱和核心筒基本可達(dá)到樓面設(shè)計(jì)標(biāo)高，從而避免由于核心筒和外框柱之間的差異豎向變形、重力荷載作用下產(chǎn)生過大的水平位移而造成的樓面傾斜、電梯運(yùn)行障礙、幕墻和磚砌體等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂等問題。

豎向荷載作用下，考慮不同的施工工況的結(jié)構(gòu)水平變形見圖30。由圖可得，非一次性加載施工的結(jié)構(gòu)水平變形遠(yuǎn)小于一次性加載施工的結(jié)構(gòu)水平變形。

在豎向荷載下，各層在施工完成12年間的總水平變形見圖31。由圖可得，Y向水平變形較大，最大為79mm(44層)，約為44層樓面高度的1/2 313。大退臺(tái)收進(jìn)對(duì)結(jié)構(gòu)水平變形的影響同時(shí)也反映在對(duì)構(gòu)件承載力需求的增加，需要增大收進(jìn)樓層的豎向構(gòu)件承載力并加強(qiáng)構(gòu)造措施。

3.4 基礎(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)水平變形的影響

本項(xiàng)目塔樓采用灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖。為解決塔樓偏心收進(jìn)帶來(lái)的基礎(chǔ)壓力不均衡導(dǎo)致的基礎(chǔ)不均勻沉降而加劇上部結(jié)構(gòu)的整體傾斜的問題，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以變剛度調(diào)平思路控制沉降差異變形，北塔區(qū)域樁距進(jìn)一步加密，南塔區(qū)域樁距減小，同時(shí)考慮樁-土-上部結(jié)構(gòu)共同作用對(duì)基礎(chǔ)沉降及結(jié)構(gòu)水平變形的影響。采用變剛度調(diào)平的思路后，考慮樁-土-上部結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)構(gòu)水平變形見圖32。由圖可得，塔樓范圍內(nèi)的沉降較為均勻，結(jié)構(gòu)的水平位移最大值為103mm。

3.5 加強(qiáng)措施

(1)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定的彈性屈曲分析，屈曲因子大于20時(shí)仍考慮重力二階效應(yīng)的影響，確保結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的安全性。

(2)采用MIDAS Gen進(jìn)行塔樓豎向施工模擬分析，考慮混凝土收縮、徐變的時(shí)效影響，同時(shí)結(jié)合樁基沉降計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)分析豎向荷載作用下結(jié)構(gòu)的豎向沉降差和水平變形。

(3)對(duì)于結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的布置，針對(duì)性地采取抗壓剛度差異(預(yù)留不同的軸壓比富余)的方式，盡量調(diào)平南塔、北塔之間的豎向變形差異。

(4)收進(jìn)后的北塔上段存在核心筒偏置的問題，采取增強(qiáng)外框梁等措施后，控制塔樓的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)在合理范圍之內(nèi)。

(5)收進(jìn)處核心筒剪力墻位置，利用南塔的構(gòu)架層形成過渡，并加強(qiáng)收進(jìn)處的豎向構(gòu)件，并于損傷較大的剪力墻內(nèi)增設(shè)適量鋼骨或鋼板。

(6)底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻的水平鋼筋配筋率提高至0.6%，豎向收進(jìn)位置處的上下層核心筒局部剪力墻增設(shè)鋼板，收進(jìn)后上部剪力墻豎向及水平鋼筋配筋率提高到1.2%，收進(jìn)位置處的上下層樓板加厚并提高雙向通長(zhǎng)配筋率。

4 結(jié)論

(1)不同形式(紡錘形、曲折形等)外框架柱對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度及變化影響不同，外框柱轉(zhuǎn)折樓層對(duì)核心筒產(chǎn)生附加水平作用，應(yīng)進(jìn)行細(xì)致的傳力分析并對(duì)應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

(2)應(yīng)重視外框柱轉(zhuǎn)折等樓層的樓蓋傳力，宜采用彈性樓板及無(wú)樓板模型進(jìn)行分析及包絡(luò)設(shè)計(jì)，樓蓋拉力較大時(shí)可通過型鋼混凝土構(gòu)件或預(yù)應(yīng)力構(gòu)件提高承載力。

(3)大退臺(tái)立面框架-核心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)重視非荷載效應(yīng)的影響，進(jìn)行精細(xì)化的施工模擬分析，根據(jù)偏心效應(yīng)及剛度突變等不利情況進(jìn)行豎向構(gòu)件的剛度協(xié)調(diào)和構(gòu)造加強(qiáng)。