龍光總部中心結構設計關鍵技術研究

李 雄, 彭肇才, 張 聰

(廣東現(xiàn)代建筑設計與顧問有限公司，深圳 518010)

1 工程概況

龍光總部中心位于廣東省深圳市南山區(qū)華僑城片區(qū),南側緊鄰深南大道,東側為恩平街緊鄰錦繡花園,西側為汕頭街和華僑城東部組團生活區(qū),北側為康佳苑宿舍區(qū)和大通實業(yè)工業(yè)區(qū)。本項目地下兩層,地上由一單元、二單元及其鋼桁架連體組成。一單元地上57層,結構總高度261.55m;二單元地上64層,結構總高度255.90m;均采用鋼管混凝土疊合柱框架-核心筒結構。一、二單元地上總建筑面積為21.93萬m2,一單元功能為辦公;二單元22層及以下功能為辦公,23層及以上功能為公寓,建筑效果見圖1。

圖1 建筑效果圖

2 結構體系

一、二單元在地下室至地上9層樓面連成整體,形成多塔結構,在15～17層用鋼桁架相連,形成連體結構,結構模型見圖2。

圖2 結構模型示意圖

一單元結構長度為58m,低區(qū)寬度為34.15m,結構在18層位置體型收進,即高區(qū)寬度縮為24m,低區(qū)和高區(qū)平面布置見圖3、4。二單元結構長度為66.2m,低區(qū)寬度為33.7m,結構在18層位置體型收進,即高區(qū)寬度縮為26.1m,低區(qū)和高區(qū)平面布置見圖5、6。

圖3 一單元低區(qū)結構平面圖

圖4 一單元高區(qū)結構平面圖

圖5 二單元低區(qū)結構平面圖

圖6 二單元高區(qū)結構平面圖

3 連體結構分析

3.1 設計原則

本工程在15～17層用鋼桁架相連,形成連體結構。保證連體與塔樓可靠連接、共同受力是設計的關鍵點。

當連體結構在風荷載或地震作用下,結構除產(chǎn)生平動變形外,還將產(chǎn)生扭轉變形,扭轉效應隨兩塔樓的不對稱性的增加而加劇。對于雙塔連體結構,由于連體樓板變形,兩塔樓可能產(chǎn)生差異平動,該振動形態(tài)是與整體結構的扭轉振型耦合在一起的。由于地震作用在不同塔樓間振動差異的存在,對連體部分結構受力不利。為減小連體部分因協(xié)調兩座塔樓的變形而承受的內力,設計時通過調整結構布置,盡量使結構各塔樓部分有相近的動力特性。

連體部分的樓面結構作為協(xié)調兩座塔樓的重要部分,在樓板平面內應具備足夠的剛度與承載力。因此在底部桁架的上、下弦桿層分別設置水平支撐,連體部位的其他樓層根據(jù)樓板應力分析的結果對樓面進行適當加強。連體部分的水平力通過樓板傳遞到其他區(qū)域的豎向構件,為保證水平力的可靠傳遞對該區(qū)域的樓板加厚、配筋加強。將鋼結構連體及相鄰上下層豎向構件按照關鍵構件設計[1]。

連體部位采用鋼結構,材質采用Q355B[2]。連體部分支座及桁架按中震彈性設計,其相關部位按中震不屈服設計;連體及相關部位抗震等級為特一級。內力計算及構件設計時連體部分的樓板均按彈性樓板計算;進行鋼結構部分設計時,全樓樓板均按膜單元計算,對于鋼結構連體部分,阻尼比取0.02進行計算[3]。

3.2 連體部分結構布置

連體鋼桁架三維模型見圖7,平面布置見圖8,剖面見圖9。連體與二單元右側連接1-1剖面中的桁架斜腹桿延伸框架柱內側一跨,使其與框架柱有可靠連接,并加厚此相關區(qū)域樓板厚度至200mm[4]。

圖7 連體鋼桁架三維模型

圖8 連體平面布置圖

圖9 連體剖面圖

3.3 連體部分樓板應力分析

連體部分樓板在中震下允許開裂,鋼筋應力應滿足彈性設計的要求。經(jīng)計算,15層連體部分樓板應力最大的為Y向正應力(圖10),最大值為3.9MPa,樓板鋼筋應力均滿足小于規(guī)范限值400MPa要求。

圖10 15層樓板Y向正應力云圖/MPa

3.4 連體部分樓板溫度應力分析

本工程連體位置平面尺寸(55m×29m)超過了規(guī)范要求的伸縮縫最大間距35m[5],采用YJK對結構進行溫度應力分析,考慮整體環(huán)境溫差的影響,僅考慮降溫過程。

從深圳氣溫統(tǒng)計資料(表1)可以得出,最低氣溫按1.2℃考慮,最高氣溫按40.2℃考慮,得出的溫度應力見圖11。由圖11可知,連體層溫度作用下的樓板應力大部分區(qū)域小于2MPa,對于小部分超過2MPa的區(qū)域采取配筋加強處理。

表1 深圳地區(qū)的氣象資料

圖11 連體層樓板溫度應力云圖/MPa

3.5 舒適度驗算

樓蓋應具有適宜的舒適度,樓蓋振動過大將影響人們的生活工作。人對樓蓋振動的感覺取決于樓蓋振動的大小和持續(xù)時間、人所處環(huán)境及從事活動、人的生理反應。不同環(huán)境、不同振動頻率下,人可接受的樓蓋振動峰值加速度見圖12[6]。

圖12 舒適度可接受的樓蓋振動峰值加速度

樓蓋舒適度計算方法及評價指標如下:1)通過計算樓蓋的豎向振動頻率,判定其是否滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[7](簡稱《高規(guī)》)的要求,即樓蓋結構的豎向振動頻率fn不小于3Hz;2)若樓蓋豎向振動頻率小于3Hz,則驗算樓蓋峰值加速度是否滿足舒適度要求的加速度限值0.15m/s2。采用YJK對樓蓋進行了豎向振動頻率計算,前三階固有頻率見表2。由計算結果可知,連體部分的豎向振動頻率fn均不小于3Hz,滿足規(guī)范要求,不用驗算樓蓋峰值加速度是否滿足舒適度要求的加速度限值。

表2 前三階固有頻率

3.6 桁架節(jié)點分析

沿X向取連體結構與二單元結構相交處的節(jié)點進行分析,同時也是懸挑桁架沿Y向的根部節(jié)點,為豎向受壓,對水平X、Y向雙向受力的節(jié)點進行有限元分析[8]。

圖13為ABAQUS軟件建模的連接體交接節(jié)點有限元模型,框架柱尺寸1 500×1 300,內嵌圓鋼管柱規(guī)格:φ1 000×80。連體桁架桿件上弦截面為□1 500×800×80×80,上弦桿件向內跨延伸一跨度,斜腹桿截面為□800×800×80×80。懸挑桁架的上弦截面為□1 500×800×80×80。對齊連體桁架斜腹桿的腹板設置兩片厚度為80mm的豎向節(jié)點板。

圖13 有限元模型

節(jié)點分析的控制荷載組合為1.2(恒載+0.5活載)+0.18X向順風向荷載+0.31X向橫風向荷載+1.3X向大震作用,在整體計算模型中提取本節(jié)點周邊各桿件的軸力?？蚣苤敳夸摴芎突炷羷傂允`,在中心點施加上端的壓力和剪力。連體桁架的上弦桿、斜腹桿、懸臂桁架上弦桿在端部施加集中荷載,僅在柱底施加支座約束。

圖14為節(jié)點von Mises應力云圖,可以看出斜腹桿和豎向交點下方的鋼管柱應力相對較大,但最大應力(約44 MPa)仍未超過鋼材Q355B的屈服強度355MPa。

圖14 節(jié)點von Mises應力云圖/MPa

4 加強層分析

一單元分別在17～18層、31層、44層設置加強層,二單元在33層設置加強層。結構平面、剖面見圖15～17。一單元核心筒和外框柱都設置了桁架;二單元僅核心筒設置了四榀桁架,兩側框架沒有設置。

圖15 一單元17～18層加強層桁架剖面圖

圖17 二單元33層加強層桁架剖面圖

構件承載力采用中震彈性計算,經(jīng)過計算分析,在中震作用下,構件應力比在0.3～0.65范圍內,滿足中震彈性的性能要求。

5 框架-核心筒結構外框梁缺失分析

由于建筑功能對空間、美觀的要求,二單元高區(qū)(18層以上)不能在四周框架角柱間布置框架梁,不能滿足《高規(guī)》第9.2.3條框架-核心筒結構的周邊柱間必須設置框架梁的要求,對此問題做進一步的分析。采用YJK建立全樓的彈性模型,樓板全部采用彈性膜,不使用剛性隔板。取現(xiàn)有結構模型為A,另建對比模型B,模型B采用外圍框架梁封閉布置(增設400mm×800mm框架梁)。各模型平面布置見圖18、19。

圖18 模型A結構布置圖

5.1 整體指標對比

A、B模型周期對比見表3。由表3可知,兩個模型各振型對應的周期基本吻合。

表3 周期對比/s

5.2 構件內力對比

取模型A、B中KZ1(圖19)在地震作用下的軸力、剪力及彎矩進行對比。計算結果表明,對于KZ1,模型A、B之間的軸力、剪力和彎矩在X向地震作用下相差不超過15%,在Y向地震作用下相差不超過5%;在地震作用下,模型A、B外框柱傾覆力矩和剪力所占的百分比相差不超過3%,數(shù)據(jù)基本吻合,說明外框梁局部缺失對整體結構影響較小,結構仍是框架-核心筒結構體系。可采取如下措施:1)加強外框梁缺失處框柱的抗剪及抗彎配筋;2)外框梁缺失處周邊樓板加厚至180mm,配筋雙層雙向拉通布置[9-10]。

圖19 模型B結構布置圖

對外框梁缺失位置進行樓板應力分析,YJK計算結果表明:在地震作用下,外框梁局部缺失部位,樓板拉應力最大為1.27MPa,小于C35混凝土抗拉強度設計值1.57MPa,壓應力小于C35混凝土抗壓強度設計值16.7MPa,滿足小震作用下樓板拉、壓彈性的性能要求,只需配置構造鋼筋即可滿足規(guī)范要求。樓板面內剪應力水平均處于-2.3～2.3MPa之間,小于C35混凝土抗剪強度設計值2.36MPa,滿足小震抗剪彈性的性能要求。典型樓板正應力分布結果見圖20。

圖20 X向地震作用下典型樓板正應力分布圖/MPa

5.3 小結

框架-核心筒結構外框梁缺失帶來的問題的本質是:1)梁缺失致該榀框架側向剛度減小;2)核心筒與外框架剪力重分配;3)框架柱內力出現(xiàn)重分布。但在技術上不難解決,當設計有充分論證且采取適當加強措施時,框架-核心筒結構外框梁缺失是可行的。

6 結論

(1)連體部分是結構的關鍵部位,其受力較為復雜。連體部分一方面要協(xié)調兩座塔樓的變形,在水平荷載作用下承受較大的內力;另一方面當其本身跨度較大時,除豎向荷載作用外,需承擔較大的豎向地震作用。

(2)加強層桁架中震構件承載力校核結果表明,加強層具有較高的冗余度,可保證結構的受力要求。

(3)轉換鋼桁架復雜節(jié)點有限元分析結果表明,節(jié)點區(qū)基本都處于彈性工作階段,節(jié)點設計符合“中震彈性”的設防目標,實現(xiàn)了“強節(jié)點,弱構件”的抗震設防目標。

(4)根據(jù)塔樓外框梁缺失計算分析結果,對塔樓外框梁缺失部分構件進行抗震加強處理。