苏州兆润财富中心结构设计

陈建兴

(1.华东建筑设计研究总院,上海 200002; 2.上海超高层建筑设计工程技术研究中心,上海 200002)

1 概述

苏州兆润财富中心(图1)位于苏州工业园区湖西CBD,地上部分包括东、西两座塔楼和裙房,地上部分建筑面积约158 000 m2,主要功能为高级办公和商业。东塔和西塔地上分别为32层和45层,建筑高度分别为165 m和230 m,结构高度分别为139 m和199 m;裙房4层,屋面高度约21.5 m。

本项目结构设计使用年限50年,安全等级为二级。50年一遇基本风压为0.45 kN/m2,抗震设防烈度6度,场地特征周期为0.45 s。根据地震安评报告,本项目地震作用未规范反应谱的2.125倍。结构设计中,小震计算采用安评报告的地震动参数,中震和大震作用计算取规范的地震动参数。

图1 建筑实景图Fig.1 Architectural perspective

2 结构体系和选型

2.1 抗震缝设置

苏州兆润财富中心地上部分东西向较长约142 m,东、西塔楼之间设有中庭,其北侧为完全敞开空间,南侧在3～5层为长条形楼板联系东、西塔楼,因此东、西塔楼间的联系非常薄弱且不均匀。为此设计人员在中庭西侧设置防震缝(图2),将地上结构分成东、西两个独立且规则的结构单体,防震缝宽度100 mm。

图2 塔楼和防震缝设置Fig.2 Layout of seismic isolation joint

2.2 塔楼结构选型

结合建筑平面布置,塔楼抗侧力结构采用框架-核心筒结构(图3),由框架和核心筒组成双重设防体系的抗侧结构体系[1]来抵抗风荷载和地震作用引起的剪力和倾覆力矩。

图3 塔楼结构体系示意Fig.3 Frame-core wall structural system in the towers

塔楼从上到下平面保持不变,结构平面布置见图4。核心筒为现浇钢筋混凝土结构,位于平面中央,容纳塔楼竖向交通和设备用房,提供结构主要的抗侧刚度。东塔核心筒平面呈长条形,外墙厚度从下到上由750 mm缩小到450 mm,内墙厚度从下到上由600 mm缩小到250 mm。西塔核心筒平面接近正方形,外墙厚度由900mm缩小至450 mm,内墙厚度由400 mm缩小至250 mm。核心筒混凝土强度从下到上逐渐从C60变化为C40。

图4 塔楼结构平面布置图Fig.4 Typical floor plan of towers

外框结构可选择混合结构或钢筋混凝土结构,混合结构由钢管混凝土柱和钢框架梁组成外框架,对应的楼盖为钢梁-压型钢板组合楼板。钢筋混凝土框架对应的楼盖结构为钢筋混凝土梁板式楼盖。

相对钢筋混凝土结构,混合结构有以下优点:①混合结构延性更好,抗震性能更优;②结构总质量比钢筋混凝土结构轻15%,地震力明显小于钢筋混凝土结构;③圆钢管混凝土柱承载力高,而且柱内力更小(总质量小),柱的截面面积明显小于钢筋混凝土柱,单层柱的截面面积可节省18 m2,建筑空间利用率更高;④楼盖结构高度比钢筋混凝土结构少100 mm,同时钢梁腹板可以开洞方便设备管线穿越,从而为建筑提供更优净高;⑤圆钢管混凝土柱和压型钢板组合楼板均可以免模施工,施工速度快,为绿色节能结构。虽然混合结构比钢筋混凝土结构用钢量高,材料费用比钢筋混凝土结构高15%,综合比选,塔楼采用混合结构。

东塔楼框架柱的钢管从下到上由1 400 mm缩小为600 mm,西塔楼框架柱的钢管从下到上由1 500 mm缩小为600 mm。框架梁高度700～900 mm。

外框架与核心筒之间的楼面梁采用铰接,避免框架柱与核心筒之间竖向变形差引起的二次弯矩。

在塔楼的顶部有较高的塔冠,东塔和西塔的塔冠高分别为25 m和30 m。塔冠结构采用钢框架支撑结构体系以减轻结构重量(图5)。

图5 塔冠框架支撑结构(单位:mm)Fig.5 Braced frame structure of the crown (Unit:mm)

3 结构特点和抗震性能目标

3.1 结构特点

由于建筑布局、造型以及功能布置的特殊要求,本项目结构有以下特点:①由于地块较小,东、西塔楼比较接近,高度较高,风荷载作用存在塔楼相互干扰的问题;②为保证建筑功能联系性,整个项目仅设置一道抗震缝,裙房与塔楼之间不再设缝,裙房所在楼层裙房凸出塔楼范围边长的35%,扭转位移比较大达1.38等平面不规则;③东、西塔楼通过平面南北错动获得建筑需要的立面造型,而且塔楼平面东北角不能设柱,导致结构外框梁在东北角部不能封闭;④塔楼底部5层外框柱暴露在外面,形成5层高约30.8 m的跨层柱;⑤塔楼顶部结合立面变化设置不同高度的塔冠,塔冠突出结构大屋面25～30 m,塔冠结构设计需考虑鞭梢效应。

3.2 抗震性能目标

结构整体上属于抗震超限的高层建筑,根据工程超限情况和结构特点,结构设计中选择合理的抗侧力结构体系,结构布置力求均匀规则,采用性能化设计方法,通过整体结构弹性分析、弹塑性分析结构以及特殊部位精细分析,结合分析结果,对特殊部位和关键部位进行加强,确保整体结构抗震性能。本工程的抗震性能目标如表1所示。

考虑塔楼下部5层为人数相对集中的商业功能,适当提高底部结构的抗震性能,将剪力墙底部加强区高度延伸至F7层楼面,同时提高底部加强区剪力墙和框架柱的抗震性能,使其满足中震不屈服的要求。

表1结构抗震性能目标

Table 1 Seismic performance of structure

4 整体结构分析

整体结构分析采用通用有限元软件ETABS,塔楼结构地下一层的刚度大于首层的两倍,计算时塔楼嵌固在地下室顶板,楼板采用弹性膜单元模拟。

结构前3阶振型如表2所示,结构扭转周期比均小于0.85,说明扭转与平动耦联比例较低,满足规范要求。

表2结构前3阶振型

Table 2 Natural modes of structures

整体结构结构主要性能指标见表3。东塔两个方向的剪重比均大于1.6%,西塔两个方向的剪重比大于1.2%,满足规范要求。东塔两个方向的层间位移角均小于1/800,西塔两个方向的层间位移角均小于1/615,满足规范的要求。

东、西塔结构X向、Y向的刚重比均大于1.4,结构满足整体稳定的要求。西塔两个方向的刚重比小于2.7,结构内力和变形分析中需考虑P-Δ效应的影响。

表3整体结构性能指标

Table 3 Mechanical behaviors of structures

东、西塔楼本层与上一层的刚度比均大于0.7,本层与上三层平均刚度的比值均大于0.8,说明整体结构不存在软弱层。

5 静力弹塑性分析[3]

静力弹塑性分析采用PKPM系列软件PUSH进行分析。以西塔推覆曲线为例(图6),结构在设防烈度地震作用下基本保持弹性。在罕遇地震作用下框架结构仍基本保持弹性,核心筒连梁出现塑性铰,底部剪力墙开始拉裂,主要构件抗震性能目标满足要求。当水平推覆力继续增大,越来越多连梁开始进入屈服、底部更多剪力墙墙肢拉裂,框架梁开始屈服,整体结构刚度继续不断下降。罕遇地震下,西塔X向、Y向楼层的最大弹塑性层间位移角分别为1/418和1/342,均小于1/100的限值要求。罕遇地震下结构层间变形沿竖向变化均匀,说明结构刚度不存在突变,也不存在薄弱层。

图6 基底剪力和顶部位移曲线Fig.6 Curves of base shear-displacement at top

6 设计关键问题及对策

6.1 相邻塔楼风荷载干扰系数计算

本项目两个塔楼的平面位置关系如图7所示,两个塔楼距离较近,在风荷载计算中考虑了相邻高层建筑的干扰。设计中参考了上海市高层建筑钢结构设计规程[4],对受扰建筑的顺风向风荷载体型系数乘以干扰因子ηm来考虑施扰建筑的影响。表4为东、西塔楼两个方向的风荷载干扰系数计算。考虑相邻建筑物干扰后,风荷载体型系数最大可放大1.043倍。

6.2 外框不封闭的影响分析

由于建筑特殊体型和角柱缺失导致塔楼东北角凹角部位框架梁缺失,外框架无法封闭。以西塔楼为例,假设外框架在凹角处增加框架梁,形成封闭框架(图8),通过对比分析,评价外框架是否封闭对整体结构刚度、扭转变形以及框架承担的地震作用等塔楼整体性能的影响。

图7 东西塔楼平面尺寸和距离(单位:mm)Fig.7 Location of two towers (Unit:mm)

表4相邻建筑风荷载干扰系数计算

Table 4 Interference factors of wind consider disturbance

图8外框架封闭布置图Fig.8 Layout of structure with closed outer frame

对比分析表明,外框架封闭后,结构平动周期减小约0.39%,结构扭转周期减小约0.1%,结构最大扭转位移比也基本接近,说明外框架是否封闭不影响结构整体动力特性。

由于塔楼外框架为稀柱框架,这类框架的抗侧刚度和抗倾覆能力主要由平面内框架(腹板框架)提供,与之垂直的翼缘框架几乎不提供刚度,因此框架是否封闭几乎不影响外框架刚度。计算表明结构X向框架承担的地震剪力和倾覆力矩没有明显变化;而Y向框架,增加角部框架梁相当于其东侧腹板框架增加一跨,由3跨变成4跨,因此该方向框架刚度有较明显的增大,承担的地震作用也略有增加(图9)。

图9 框架承担剪力及倾覆力矩比较Fig.9 Comparison of shear and overturning moment carried by frame between closed and unclosed frame

考虑到地震作用下水平力通过楼板传递给周围的抗侧力结构,塔楼东北角区域楼板水平无法直接传递到外框架上,该部位仍是水平力传递中较为薄弱的部位。为此设计中加强角部区域的楼面梁使框架与核心筒更好地协同工作。设计中对凹角区域内,柱与柱、柱与核心筒相关的钢梁均采用刚接连接,从构造上提高外框的整体性。为保证楼层地震力能有效传递至周围框架和核心筒,对凹角的部位的楼板进行加强,采用双层双向通长配筋,提高水平力下楼板的协调能力。

图10 针对框架不封闭的加强措施Fig.10 Measures taken to strengthen unclosed frame

6.3 跨层柱分析

西塔底部F2-F6层南侧的楼板边线内退使框架柱外露,形成高达30.8 m的跨层柱。为加强楼板对南侧框架柱的约束,提高外框架的二道防线作用,对跨层柱采取以下加强措施:①框架柱与核心筒之间的楼面钢梁与框架柱刚接,楼面梁靠近框架柱的范围内采用箱形截面,提高楼面梁对框架柱的面外约束刚度;②加强楼面内收边梁,并与箱形楼面钢梁刚接(图11);③将F6层以下按薄弱层设计[5],地震作用放大1.25倍。采取上述加强措施后,底部六层外框架刚度明显增加,其承担的地震剪力与基底剪力的比值明显增大(图12)。

图12 框架承担地震剪力与基底总剪力比值变化Fig.12 Change of shear carried by frame after cross stories’ column strengthened

西塔跨层柱的约束模型和第一阶屈曲模态见图13。由于在楼层处楼面梁对跨层柱存在一定的约束,跨层柱第一阶屈曲模态接近两个半波,而理想铰接柱为一个半波,说明的加强后楼面钢梁和内收边梁对跨层柱的平面内方向有明显的约束,考虑约束后柱的屈曲荷载明显增大。西塔南侧跨层柱第一阶屈曲模态屈曲荷载P为455 216 kN,两端理想铰接柱的欧拉临界力Ncr为105 366 kN,柱的计算长度系数μ为0.48,考虑加强后的楼层实际约束,跨层柱的有效计算长度明显减小,可以取14.7 m。

图13 跨层柱约束模型及一阶屈曲模态(单位:mm)Fig.13 Buckling mode of cross stories column (Unit:mm)

7 结 论

苏州兆润财富中心结构设计结合建筑功能和布置,选择框架核心筒双重抗侧力结构体系,采用性能化设计方法,确定合理的抗震性能目标,通过整体结构弹性和弹塑性分析验证整体结构性能。

由于建筑特殊体型和功能布置的要求,本项目两个塔楼较高且较近,塔楼之间风荷载干扰明显,塔楼东北角外框梁不闭合、塔楼底部存在较高的跨层柱等特点。针对塔楼特点,进行深入分析和对比,验证塔楼结构性能,同时提出合理的加强措施,确保关键部位的结构性能。