深圳京基東濱時代大廈超限高層塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計

侯學(xué)凡, 周小偉, 張建軍, 張曉波

(深圳市建筑設(shè)計研究總院有限公司，深圳 518031)

0 引言

超高層建筑整體穩(wěn)定性分析、加強層設(shè)計及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換等是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點和難點,近年來,國內(nèi)有很多超高層項目,不少學(xué)者基于實際工程,給出了超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的建議及設(shè)計經(jīng)驗。王瑞峰[1]等對建筑高度為358m的吳江綠地中心超高層項目塔樓主要結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了詳細(xì)闡述,介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要過程以及相關(guān)抗震設(shè)計方法,重點關(guān)注了抗震設(shè)計過程中的概念設(shè)計,解決了加強層設(shè)計、交叉支撐設(shè)計以及塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計等重點問題。任濤等[2]以地上71層、地下3層的溫州國鴻中心為例,通過比選結(jié)構(gòu)加強層設(shè)置方案,確定了加強層數(shù)量、伸臂桁架及腰桁架的設(shè)置方案,采用基于性能的抗震設(shè)計方法,針對不同超限情況采取了相應(yīng)的技術(shù)措施。侯學(xué)凡等[3]對結(jié)構(gòu)高度為199.5m的深圳京基南約商務(wù)中心1棟框架-核心筒結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計重難點及解決措施進(jìn)行了詳細(xì)地介紹。此外,還有很多學(xué)者[4-10]對不同超高層項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行了介紹。

本文以深圳京基東濱時代大廈項目(圖1)為例,對其結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)設(shè)計特點等進(jìn)行介紹。并通過有限元分析軟件,對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析,給出了超限加強措施。

圖1 深圳京基東濱時代大廈建筑效果圖

1 工程概況

深圳京基東濱時代大廈項目設(shè)3層地下室,帶4層裙房,塔樓共43層,其中地下1～3層為停車庫和設(shè)備用房,埋深13m;地上1～4層為商業(yè),層高分別為6、5.1、4.5、4.5m,5～43層為辦公樓,其中11、21、31層為避難層,辦公樓層高為4.5m,避難層層高為3.9m。項目開發(fā)建設(shè)用地面積為6527.4m2,總建筑面積為69373.4m2,其中地上建筑面積為54100 m2。

工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)安全等級為二級,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級,設(shè)防烈度為7度,設(shè)計地震加速度為0.10g,設(shè)計地震分組為第一組,多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值取0.08。

2 地基基礎(chǔ)

根據(jù)地勘報告,塔樓所在場地地形較平坦,穩(wěn)定性好。根據(jù)基礎(chǔ)埋深及地質(zhì)條件,地下室選用強風(fēng)化層作為基礎(chǔ)持力層。擬建場地地下水穩(wěn)定水位埋深為1.8～4.0m,水位標(biāo)高為1.11～1.93m,抗浮設(shè)計水位定為3.0m,場區(qū)地下水對混凝土、鋼筋有微腐蝕性。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[11](簡稱抗規(guī))及地勘報告,該場地的場地類別為Ⅱ類。經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對比分析,塔樓采用灌注樁基礎(chǔ),樁端持力層為中風(fēng)化砂巖,單軸飽和抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為15MPa。

3 結(jié)構(gòu)體系

塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,核心筒作為主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu),貫穿建筑物全高。周邊框架柱通過設(shè)置框架梁,形成周邊框架。塔樓平面尺寸為33.2m×39.2m,結(jié)構(gòu)高度為194.35m,高寬比為5.85;核心筒平面尺寸為14.5m×14.5m,高寬比為13.4,其中41層以上左、右各縮進(jìn)1.8m。

3.1 設(shè)計參數(shù)

項目有關(guān)地震參數(shù)均按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[12](簡稱高規(guī))取值,50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓取0.75kPa;100年重現(xiàn)期風(fēng)壓取0.90kPa;舒適度計算時,風(fēng)壓采用10年一遇的0.45kPa。根據(jù)高規(guī)第3.3.1條,B級高度框架-核心筒結(jié)構(gòu)建筑高度限值為180m,則塔樓屬于超B級高度的超高層建筑[13]。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

項目典型結(jié)構(gòu)平面示意圖如圖2所示,相對于常見的矩形框架-核心筒,本項目四角及南北兩側(cè)均設(shè)有轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)折處連接形式為L形墻或一字形墻與框架梁平面外相接(圖3),此處剪力墻除了承擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向荷載外,還要考慮剪力墻的平面外剛度,但常用結(jié)構(gòu)計算分析軟件難以考慮剪力墻的平面外剛度,易造成邊緣構(gòu)件的配筋計算結(jié)果偏小,需進(jìn)一步對轉(zhuǎn)折處構(gòu)件進(jìn)行受力分析。本文將采用桿單元(柱)、殼單元(墻)及“桿-殼”單元在模型中模擬分析,進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

圖2 典型結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖3 L形墻和一字形墻典型平面圖

為滿足建筑功能需求,2層取消了大量樓板和外框架與核心筒相連的框架梁,使嵌固端上部外框柱形成躍層柱。通過D+0.5L工況下的屈曲分析和歐拉公式計算,解決躍層柱的兩個主要問題,即穩(wěn)定性問題和確定計算長度系數(shù)的問題。

41層?xùn)|西兩側(cè)外框柱均向內(nèi)收進(jìn),需設(shè)置托柱轉(zhuǎn)換梁;針對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的整體空間受力特點,按照不考慮上部空腹桁架作用控制,滿足大震作用下的結(jié)構(gòu)安全需求。

因建筑功能需求四周樓板無法設(shè)置次梁,從而造成樓板跨度較大,且均與平面轉(zhuǎn)角L形墻連接形成陽角,需復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)層樓板轉(zhuǎn)角處構(gòu)件受力情況。

3.3 抗震等級及性能目標(biāo)

塔樓范圍內(nèi)剪力墻、框架柱抗震等級如下:地下3層為三級,地下2層為二級,地下1層至屋頂為一級。

在滿足國家、地方規(guī)范的同時,根據(jù)抗震設(shè)計性能化的概念對塔樓進(jìn)行設(shè)計。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)整體達(dá)到抗規(guī)性能C的要求,即多遇地震下滿足第1水準(zhǔn)“完好、無損壞;不需修理即可繼續(xù)使用”,設(shè)防地震下滿足第3水準(zhǔn)“輕度損壞;一般修理后可繼續(xù)使用”,罕遇地震下滿足第4水準(zhǔn)“中度損壞;修復(fù)或加固后可繼續(xù)使用”,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)防性能目標(biāo)詳見表1。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)防性能目標(biāo)

4 結(jié)構(gòu)計算與分析

小震、中震、大震地震影響系數(shù)分別取0.08、0.23、0.50,采用兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件YJK和MIDAS Gen對塔樓進(jìn)行整體計算,小震下采用彈性分析,中震下采用抗剪彈性抗彎不屈服、抗剪不屈服抗彎不屈服兩種模型,大震下采用大震等效彈性和大震下彈塑性時程分析兩種模型。

4.1 彈性計算結(jié)果

通過確定結(jié)構(gòu)的布置及計算,判斷結(jié)構(gòu)在小震作用下整體穩(wěn)定性、強度、延性、變形及剛度方面的性能是否能滿足抗震性能目標(biāo)和高規(guī)要求。采用YJK和MIDAS Gen軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析,彈性分析采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動影響的振型分解反應(yīng)譜法(CQC法),并考慮偶然偏心的影響,主要計算結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)彈性分析結(jié)果匯總

層間位移角限值采用插值求得,為1/632。經(jīng)對比可知,兩種軟件的計算結(jié)果基本一致,結(jié)構(gòu)周期比、層間位移角、位移比、剛度比、受剪承載力之比等指標(biāo)均滿足高規(guī)要求;剛重比X向小于2.7,需考慮重力二階效應(yīng),結(jié)構(gòu)在兩個主軸方向的動力特性基本相近。

為充分發(fā)揮外框柱作為第二道防線的作用,按照高規(guī)第9.1.11條規(guī)定,對外框架柱承擔(dān)的剪力按0.20V0和1.5Vf,max二者的較小值進(jìn)行調(diào)整[14-15],其中V0為結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值;Vf,max為框架部分樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值中的最大值。設(shè)計時,按以下原則建模:1)外框架的一字形墻和L形墻按柱建模;2)外框架的一字形墻和L形墻按墻建模。兩者包絡(luò)設(shè)計。

按高規(guī)規(guī)定,采用彈性時程分析法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的補充分析,按建筑場地類別和地震分組選用5組天然波和2條人工波。時程分析法與CQC法分析(圖4)得到的樓層基底剪力對比結(jié)果見表3。從表3中可以看出:各條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力均大于CQC法的65%,小于其135%;各條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值均大于CQC法的80%,小于其120%,滿足抗規(guī)、高規(guī)的要求。X、Y向27層以上樓層,時程分析平均值大于CQC法計算結(jié)果,比值在1.05～1.25。施工圖階段對頂部樓層的地震剪力進(jìn)行調(diào)整,根據(jù)時程分析結(jié)果平均值對CQC法計算結(jié)果進(jìn)行放大。

表3 時程分析法與振型反應(yīng)譜法分析的基底剪力對比

4.2 嵌固層剛度計算

塔樓嵌固層設(shè)在建筑首層(±0.000),采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu),板厚取180mm。首層與地下1層側(cè)向剪切剛度比見表4,側(cè)向剪切剛度比滿足抗規(guī)第6.1.14條嵌固層剛度比不小于2的要求。

表4 嵌固端剛度及剛度比

4.3 中、大震計算分析

剪力墻按中震抗彎不屈服、抗剪彈性驗算,底部樓層墻肢受拉驗算,典型墻肢編號見圖5。結(jié)果表明中震作用下,角部墻肢出現(xiàn)拉應(yīng)力,但拉應(yīng)力最大為0.262ftk,遠(yuǎn)小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值ftk。

圖5 典型墻肢編號

剪力墻抗剪承載力驗算按底部加強區(qū)水平分布筋配筋率0.3%、非底部加強區(qū)為0.25%配筋驗算,詳見表5。中震剪力墻抗剪驗算結(jié)果表明,按高規(guī)要求配置水平鋼筋,即可滿足中震抗剪彈性要求。

表5 中震剪力墻抗剪驗算結(jié)果(典型層)

剪力墻抗彎承載力驗算按約束邊緣構(gòu)件最小配筋率1.2%、構(gòu)造邊緣構(gòu)件豎向鋼筋配筋率0.8%、過渡層為0.9%配置豎向鋼筋,中震剪力墻抗彎驗算結(jié)果詳見表6。結(jié)果表明,由中震控制的少量墻邊緣構(gòu)件計算配筋面積小于構(gòu)造配筋面積,按小震配筋可包絡(luò)中震不屈服各組合內(nèi)力,實現(xiàn)中震不屈服的目標(biāo)。

表6 中震剪力墻抗彎驗算結(jié)果

根據(jù)高規(guī),大震作用下,主要剪力墻受剪截面應(yīng)按式(1)驗算:

VGE+VEK*≤0.15fckbh0

(1)

式中:VGE為重力荷載代表值作用下的構(gòu)件剪力;VEK*為地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件剪力,不需考慮與抗震等級有關(guān)的增大系數(shù);fck為混凝土軸心抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值;b為墻體截面厚度;h0為墻體截面有效高度。

由計算結(jié)果可知,構(gòu)件均滿足大震下的最小受剪截面要求。

采用PKPM-SAUSAGE進(jìn)行動力彈塑性時程分析,選用了3組地震波(人工波RH1、天然波TH1、TH2)進(jìn)行時程分析。每組地震波含X、Y兩個方向,共6條不同波形的地震波,各地震波輸入的地震加速度峰值調(diào)整為220cm/s2,每個工況主次方向地震波峰值加速度比為1∶0.85。分析時考慮雙向地震波輸入。分析結(jié)果表明,大部分連梁、部分框架梁首先屈服,作為耗能的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件;之后核心筒底部個別墻肢出現(xiàn)拉壓裂縫,但均未超過混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值,鋼筋未屈服,連梁作為耗能構(gòu)件大部分發(fā)生了彎曲屈服;X、Y向最大層間位移角分別為1/198、1/168滿足高規(guī)要求(限值為1/100)。

4.4 特殊墻體設(shè)計

由于建筑平面布局的需要,結(jié)構(gòu)在核心筒外的外框上布置了一些剪力墻,詳見圖6,這些墻體在受力上有一定的特殊性,需要進(jìn)一步關(guān)注。

圖6 核心筒外的外框剪力墻

根據(jù)高規(guī)第7.1.7條,當(dāng)一字形剪力墻墻肢的截面高度與墻厚之比不大于4時宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計,以W5為例,W5長2.2m,低區(qū)W5墻厚大于550mm,長寬比小于4,宜按框架柱進(jìn)行復(fù)核,墻、柱建模對比詳見表7,其中柱、墻的軸壓比限值分別為0.75、0.5。由表7可知,兩種方式建模均滿足高規(guī)要求,整體指標(biāo)差別在5%以內(nèi)。剪壓比均滿足高規(guī)要求,配筋均為構(gòu)造配筋。設(shè)計時總體按墻配筋,邊緣構(gòu)件按墻、柱包絡(luò)設(shè)計。

表7 墻、柱建模對比

角部L形剪力墻,受結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)影響可能較大,應(yīng)考慮偶然偏心和雙向地震作用的不利影響,且沒有通過連梁與其他剪力墻平面內(nèi)相連,難以形成較高的抗側(cè)效率,以中高區(qū)400mm厚L形剪力墻W7為例,在不考慮暗柱面外受力的情況下,墻均為構(gòu)造配筋,此處按照構(gòu)造配筋對其進(jìn)行整體受力復(fù)核,結(jié)果表明此類墻肢以軸向受力為主,彎矩較小,整體承載力富余度較大。

對于剪力墻面外受力問題,結(jié)構(gòu)墻體平面外受力,有以下三種典型情況:1) AZ1:L形墻端部面外受力問題;2) AZ2:核心筒外墻局部面外受力問題;3) AZ3:一字形墻端部面外受力問題。其中AZ1和AZ3構(gòu)件尺寸等和受力特點較接近,基本可歸為一類。

YJK中梁采用桿單元,柱采用以下3種方式建模(圖7):1)方式1為采用桿單元建模;2)方式2為按殼單元(墻)建模,墻體面外受力,墻長600mm,被梁單元平分為兩個300mm墻段,共3個節(jié)點;3)方式3為在方案2的基礎(chǔ)上,采用理想剛性桿連接墻頂3個節(jié)點。

圖7 三種建模方式

分析結(jié)果表明,方式2的梁端彎矩比方式1相應(yīng)值偏小5%～10%,方式3 與方式1的構(gòu)件內(nèi)力誤差僅僅1%。暗柱以框架柱的形式輸入是合適且偏于安全的。

4.5 躍層柱的穩(wěn)定性和計算長度的分析

為滿足建筑效果和使用空間的需要,塔樓在底部存在2層通高大堂,形成2層通高的躍層柱,首層層高6m,2層層高5.1m,總高11.1m。穿層柱共2根,柱截面尺寸為1 000×1 300,內(nèi)置十字型鋼截面尺寸為500×250×45×50,混凝土強度等級為C60,鋼材牌號為Q345。

為盡可能準(zhǔn)確地模擬邊界條件,整體模型帶1層地下室,分析工況取D(恒載)+0.5L(活載),詳見圖8。由圖8可知道,D+0.5L工況下,結(jié)構(gòu)整體屈曲因子在20以上,大于廣東省《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(DBJ/T 15-92—2 021)第5.4.5條給出的限值10。

圖8 結(jié)構(gòu)整體屈曲模態(tài)

整體模型整體加載前15階振型均未出現(xiàn)底部躍層柱屈曲,按最低階整體屈曲模態(tài)確定躍層柱屈曲因子[16]為20.9,D+0.5L下的底部躍層柱最大軸力為19 700+0.5×2 690=21 045kN。

根據(jù)歐拉公式(式(2)、(3)[17]),求得桿件的計算長度系數(shù)μ=0.5 。

(2)

(3)

式中:Pcr為桿件的臨界壓力值;EI為桿件的抗彎剛度;μ為桿件的計算長度系數(shù);L為桿件的幾何長度。

但按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)第6.2.20條的要求,對于底部躍層柱,模型計算時計算長度系數(shù)μ取為1.0,對于本工程是偏于保守的。

4.6 轉(zhuǎn)換構(gòu)件的設(shè)計

項目在41層樓面處局部收進(jìn),收進(jìn)尺寸為1.8m,兩側(cè)共3.6m,小于總寬度33.4m的25%,不屬于體型收進(jìn)問題,收進(jìn)后外框柱無法連續(xù),采用托柱轉(zhuǎn)換的方式解決,轉(zhuǎn)換布置詳見圖9,轉(zhuǎn)換梁上方托換3層結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換梁截面尺寸為600×900,近柱端支座梁截面豎向加高,截面尺寸為600×1 900,垂直方向構(gòu)造梁截面尺寸為400×500。

圖9 轉(zhuǎn)換布置圖

對于托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[18],小震階段的結(jié)構(gòu)布置和參數(shù)取值上采取了以下措施:1)柱與轉(zhuǎn)換梁居中對齊;2)在垂直方向設(shè)置構(gòu)造梁,抵抗柱底傳來的轉(zhuǎn)換梁扭矩,考慮對室內(nèi)使用空間的影響,該梁上翻;3)偏于安全考慮,扭矩折減系數(shù)由常規(guī)0.4提高到0.6;4)樓板采用彈性膜。

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)存在一定的空間整體受力特點,托柱轉(zhuǎn)換屬于空間桿系結(jié)構(gòu),相關(guān)構(gòu)件節(jié)點剛接,上下各層存在一定的“空腹桁架“的作用,一般來說在大震作用下,除轉(zhuǎn)換梁外的梁允許屈服,空腹桁架的整體作用將被削弱,因此有必要按照不考慮上部空腹桁架作用進(jìn)行復(fù)核,構(gòu)件彎矩內(nèi)力詳見表8。

表8 構(gòu)件彎矩內(nèi)力

由表8可知,轉(zhuǎn)換梁上部的框架桿端剛度(梁端)折減至20%時,轉(zhuǎn)換梁彎矩將增加5%～25%,大部分增加10%左右。轉(zhuǎn)換梁上部的框架按純鉸接考慮,轉(zhuǎn)換梁彎矩將增加7%～31%,大部分增加比例在15%左右。

樓蓋作為“水平隔板”,在平面內(nèi)提供足夠的剛度,有效地傳遞水平荷載到各個豎向構(gòu)件,對于轉(zhuǎn)換層的樓蓋,應(yīng)采取比普通樓板更高的措施。

圖10為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)樓板在地震作用下的應(yīng)力云圖,從圖中可以看出,在托柱部位有輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象,但上部樓層僅為兩層,因此,應(yīng)力集中問題并不突出,樓板的較大應(yīng)力依然分布在核心筒開洞周邊和陽角區(qū)域。因此轉(zhuǎn)換層樓板僅需按規(guī)范要求采取構(gòu)造加強措施,即可滿足結(jié)構(gòu)需求。

圖10 轉(zhuǎn)換層樓板應(yīng)力分布圖/MPa

4.7 特殊樓板的應(yīng)力分析

如圖6所示,核心筒因樓梯、電梯等建筑功能,存在較多結(jié)構(gòu)開洞,一字形墻和L形墻連接部位存在較多陽角區(qū)域,需要進(jìn)行地震作用下的樓板應(yīng)力分析,以便找出薄弱部位[19]。

圖11為標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)樓板在地震作用下的應(yīng)力云圖,從圖中可以看出較大應(yīng)力主要集中在開洞的周邊及陽角區(qū)域,最大拉應(yīng)力可達(dá)1.6MPa,小于混凝土的抗拉強度值[20],因此,僅需按抗規(guī)、高規(guī)要求采取構(gòu)造加強措施,即可滿足結(jié)構(gòu)需求。

5 超限加強措施

為保證性能目標(biāo)實現(xiàn),并改善重要部位受力性能,提高結(jié)構(gòu)延性,根據(jù)性能目標(biāo)、超限情況及專家組的建議,本工程所采用的構(gòu)造措施和加強措施如下:1)根據(jù)小震時程分析的結(jié)果放大高區(qū)樓層地震作用;2)垂直方向搭梁的剪力墻,當(dāng)墻厚小于500mm時,梁下暗柱按框架柱建模,其構(gòu)造措施按框架柱和邊緣構(gòu)件包絡(luò),施工圖階段將暗柱平面外的配筋放大10%;3)垂直方向搭梁的連梁,剛度折減系數(shù)取1.0;4)轉(zhuǎn)換梁底筋放大15%,近柱端支座負(fù)筋放大10%;5)底部躍層柱計算長度系數(shù)偏于保守取1.0;6)個別連梁大震剪壓比超限,通過設(shè)置交叉斜筋解決;7)結(jié)構(gòu)外框梁存在偏心,采用板加腋做法,在板內(nèi)布置斜向鋼筋與框架梁連接。

6 結(jié)語

本文闡述了超高層建筑常用的超限設(shè)計方法,對于項目中出現(xiàn)的重難點及關(guān)鍵問題,如特殊墻體、躍層柱、局部轉(zhuǎn)換、特殊樓板等專項設(shè)計,本文通過一系列的計算分析,并考慮概念設(shè)計,都給出了具體的針對性措施,得以使結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。