深圳某证券公司总部大楼特殊外框的设计与分析

屈 涛， 易 剑， 林 海， 徐紫鹏

(奥雅纳工程顾问， 深圳 518048)

1 工程概况

深圳某证券公司总部大楼位于深圳市福田中心区，用地东临民田路、南临福华路，占地面积5 454.78 m2。项目总建筑面积约80 000m2，其中商业面积约12 000m2，办公面积约68 000m2[1]。

塔楼建筑高度228m，标准层层高4.35m，结构高度201.4m，属于超B级复杂超高层超限结构。地上51层，地下5层，主要用途为办公，顶部设有停机坪；裙房地上3层，主要用途为商业。本文主要对塔楼进行结构分析。塔楼建筑效果图如图1所示。项目空腔剖面示意图如图2所示。塔楼内设有3个多层通高大堂及2个全楼贯通空腔，1～4层为4层通高的入口大堂，仅3，4 层保留局部楼板；11～13层及26～29层为两个通高空中大堂，局部楼板大开洞；南北面靠近外幕墙处设全楼贯通空腔，连接入口大堂及大楼中部的2个空中大堂，起自然通风作用，是本项目一大建筑特色。

2 设计参数

图1 塔楼建筑效果图

图2 项目空腔剖面示意图

本工程设计基准期为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s，结构阻尼比为0.04[2]。采用深圳地区50年重现期基本风压为0.75kN/m2，地面粗糙度类别为C类，风荷载体型系数为1.4。办公标准层楼面恒荷载为1.7kN/m2，活荷载为3kN/m2。

3 结构体系及设计重难点

3.1 结构体系

办公塔楼结构平面尺寸为40m×42.7m，结构高宽比约为5.04；核心筒外围尺寸22m×25m，核心筒高宽比约9.45。典型楼层结构平面布置见图3,办公楼主塔楼采用框架-核心筒结构体系，由外框架和核心筒共同组成抗侧力体系。核心筒采用钢筋混凝土筒，外框柱主要采用钢管混凝土柱。结构大屋面以上局部外框柱和核心筒继续延伸作为顶部停机坪的支撑。其中南北面外框架由于贯通空腔在立面上S形的布置导致部分柱及外框梁截断，东西面外框架为完整框架，结构体系组成如图4所示。

图3 典型楼层结构平面布置图

本项目最大建筑特色是设置在南北外立面的贯通全楼的空腔中庭，此处是业主和建筑师关注的重点。为实现贯通中庭在立面上的S形造型，南北面的外框架可分为由不落地钢柱、悬挑钢梁、落地柱组成的整体空腔框架以及角部的通高框架，并通过刚度优化使贯通中庭两侧的荷载较均匀地传递至落地柱。整体空腔框架立面范围见图5，6。南北面空腔框架的布置及设计原则如下：1)不落地的外框架部分参考空腹桁架的概念进行设计，梁承载力验算时考虑轴力，轴力计算时不考虑板的刚度；2)贯通空腔的立面外轮廓处设钢斜柱，并在不落地柱的根部将钢斜柱打断，避免竖向荷载向下逐层累积，造成底部的外框梁无法设计；3)在不落地柱的根部区域加强外框梁，保证抗弯承载力的同时控制刚度，减小变形；4)不落地柱与核心筒之间的钢梁在柱端刚接，利用核心筒对空腔框架的竖向支撑作用，进一步保证空腔框架的传力，并减小变形。

图4 塔楼结构组成示意

图5 南北立面空腔框架示意图

图6 空腔外立面钢斜柱模型比较示意

为说明空腔外立面钢斜柱打断的必要性，对比了钢斜柱打断和钢钢斜柱连续两个模型。两个模型空腔框架底部外框梁在恒荷载+活荷载标准组合下的弯矩分别为3 555，6 589 kN·m；外立面钢斜柱底部的轴力分别为1 548，2 638 kN。

本项目外框柱的外轮廓尺寸均为400×1 000，落地柱采用矩形钢管混凝土柱，不落地柱为纯钢柱。核心筒贯穿整个结构，采用钢筋混凝土材料。竖向构件的尺寸如表1所示。

主要竖向构件截面尺寸 表1

本项目核心筒外梁均采用钢梁，标准层外框梁截面(h×b×tw×tf)为H500×300×12×20，核心筒和外框柱之间钢梁截面为H450×200×9×14，钢材等级Q345B。楼板采用闭口型组合楼板，标准层楼板厚度为120mm，避难层楼板厚度为150mm。

3.2 结构设计重难点

本项目结构设计的重难点如下：1)外框在南北立面无法贯通，需保证外框架竖向传力的合理性，并且满足变形要求，不发生倾覆；2)外框无法贯通对结构整体刚度的影响；3)南北立面的外框施工方案，构件设计满足施工阶段受力要求；4)外框无法贯通对结构弹塑性性能的影响。

针对上述结构设计的重难点，采取了以下措施：1)详细分析了外框的竖向传力，加强了相关构件以提高空腔框架的竖向刚度；2)对比分析了多个模型，研究了外框无法贯通对结构整体的影响；3)进行了施工模拟分析，根据施工过程中的受力和变形情况调整构件设计；4)进行了动力弹塑性分析，研究塔楼在大震作用下的性能，外框在大震作用下基本保持弹性，核心筒连梁起到了良好的耗能效果。详细的分析及对应的相关加强措施见第7节。

4 塔楼超限项检查及性能目标

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2003〕46号)和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3](简称高规)规定，项目的主要超限情况如表2所示。

主要超限情况 表2

根据项目的特点和塔楼在各水准地震作用下的受力机理，综合考虑安全性和建筑使用要求及经济性，设定结构的性能目标为C级。

本塔楼核心筒高宽比较小，外框相对较弱，核心筒起主要的抗侧作用。所以将底部加强区核心筒作为关键构件，由于南北立面外框局部缺失，将底部落地外框柱也定义为关键构件。部分构件的性能目标如表3所示。

抗震设计性能目标 表3

5 南北立面空间框架的设计

5.1 对整体指标的影响

为了研究塔楼南北面外框架局部不连续对整体结构的影响，采用以下3种模型进行分析对比：1)基准模型：按实际建筑条件建模，部分外框柱不落地，外框梁在空腔处间断；2)外框梁闭合模型：在基准模型的基础上，外框梁在空腔处拉通，形成外框梁闭合，用以拉通的外框梁截面尺寸与标准层外框梁一致；3)完整外框模型：在基准模型的基础上，外框梁闭合，将南北向被打断的外框柱上下相连，且贯通落地后，底部区域柱截面尺寸与东西向框架柱基本一致。

外框柱截面较小，同时外框梁采用钢梁，以上3种模型的总质量相差较小，完整外框模型较基准模型的总重量增加不到0.3%，且3种模型构件截面基本一致，这是3种模型可以进行整体指标对比的基础。3种模型的周期对比如表4所示，最大层间位移角对比如表5所示。

周期对比 表4

最大层间位移角对比 表5

由表4,5可知，外框的局部缺失对整体刚度的影响较小，即使是完整的外框模型，周期较基准模型也仅减小0.04s，将近1%；最大层间位移角也仅减小约6%。可见虽然S形的空腔将多根外框柱打断，由于空腔的宽度并不大，对每层来说仅有1根外框柱缺失，且核心筒较强，核心筒承担了主要的抗侧作用。所以南北面外框柱局部不落地对结构整体刚度的影响不大。

3种模型外框的基底剪力及倾覆力矩占整体模型的比值见表6。

小震下外框基底剪力和倾覆力矩占比 表6

由表6可知，3种模型的外框的基底剪力和倾覆力矩的占比差别都较小;Y向的基底剪力占比基本相同。而且3种模型的核心筒承担了绝大部分的基底剪力和大多数的倾覆力矩。

5.2 空间框架的竖向传力机制

整个结构的竖向传力体系可分为3个部分：核心筒、通高框架和空腔框架，如图7所示。其中空腔框架通过落地的外框柱，承担竖向力。

图7 竖向力传力体系示意

基准模型和完整外框模型的竖向传力体系的占比如表7所示。由表7可知，空腔部分的结构方案对整体竖向力分布的影响程度约为2%[4]。

基准模型整体结构在恒荷载+活荷载作用下的竖向力为1 375 000kN，也就是说，相比于外框柱全落地的完整外框模型，现有的空腔框架基准模型少传递了15 000kN的竖向力，这部分竖向力有一半通过核心筒传给了基础，一半通过通高框架部分传给了基础。接下来分析这15 000kN的竖向力是如何传递给核心筒和通高框架的。

竖向传力体系占比 表7

图8 空腔框架结构组成示意图

图9 外框柱编号示意图

空腔框架结构组成示意如图8所示，空腔框架通过立面上的框架梁和剖面上的框架梁通过悬挑作用，将竖向力传给通高框架和核心筒。将核心筒与空腔框架之间的梁在柱端按刚接设计，并对这些立面上和剖面上的框架梁进行加强以提供足够的竖向刚度支撑空腔框架，减少空腔框架的竖向变形。

根据空间框架传力的特点，对以下外框柱做加强：1)南北侧框架的通高框架柱C8，C3底部(位置见图9)；2)角部通高的框架柱C2，C9底部；3)通高框架柱C3对应空腔框架的根部，在第一个空中大堂处。加强措施为增加矩形钢管混凝土柱的壁厚，并提高钢材强度至Q390。对空腔框架的根部的外框梁也进行加强，采用箱形梁，且钢材强度取Q390。

6 外框架施工方案

由于贯通全楼的空腔立面上呈S形，造成多根外框柱被截断，且截断点的立面高度各不相同，对外框的施工影响较大。为保证空腔框架的受力模式和设计分析一致，采用MIDAS Gen软件对外框柱进行了施工模拟分析。

为保证外框架从下到上施工，需每个工序均设置临时支撑，共设置6道临时支撑，然后再从上到下依次拆除，施工次序如图10所示。图中Z1～Z6表示临时支撑。

图10 施工次序示意图

根据以上的施工方案及初步的施工计划，将整个施工过程划分为235个阶段，进行详细的施工模拟分析。对施工过程中的变形进行分析，得到的空腔框架柱施工各阶段的变形示意如图11所示。由图可知，在拆完最后一道临时支撑Z1后，结构的竖向变形最大，最大点发生在空腔框架处。同时重点关注施工过程中空腔框架的框架柱变形。分析结果表明，空腔框架中间悬挑最远处的柱(P41)在拆撑时变形会较大幅度增加，总的变形值为84mm[5]。

对临时支撑在施工阶段的受力进行详细分析，临时支撑在主体结构完成或者拆撑时内力最大。各临时支撑最大内力发生的施工阶段如表8所示。此外，对施工过程中特别是拆撑时塔楼构件的受力进行了复核，结果满足设计要求。

各临时支撑最大内力发生的施工阶段 表8

图11 空腔框架柱施工各阶段的变形示意

7 结构弹塑性分析

为了研究结构在罕遇地震作用下的性能，本项目采用LS-DYNA软件对结构进行罕遇地震作用下非线性动力时程分析。

为确保LS-DYNA非线性结构模型在构件进入弹塑性阶段工作之前，该模型动力特性与弹性的PKPM模型相一致，采用了LS-DYNA求解特征值的功能，得到了LS-DYNA模型小变形、小应变的周期和振型。在求解特征值的分析中，构件的刚度值取其初始的弹性刚度。表9给出了LS-DYNA模型和PKPM模型前3阶振型的周期。由表可知，两个模型的动力特性基本一致。

结构周期/s 表9

在选用3条地震波(天然波1、天然波2和人工波)进行地震作用分析，地震作用下塔楼的层间位移角曲线如图12所示(计算包括顶部小塔)。由图12可知，塔楼最大层间位移角：X向为1/165，Y向为1/162，满足高规对层间位移角的要求。由图还可看出，在核心筒收进区域结构刚度有所削弱，对该区域的加强措施是必要的。

图12 地震作用下层间位移角曲线

从塔楼各主要构件在大震下的响应情况(图13～15，图中Elastic≤0.8θy,IO≤θy,CP≤11θy,Damage>θy,θy为钢梁屈服转角，余同)来看，外框柱、梁在大震作用下保持弹性，可以满足大震作用下部分中度损坏的性能水准。南北立面空腔框架部分在大震下同样保持弹性。连梁作为耗能构件，在大震作用下绝大多数进入塑性，充分起到耗能作用。且连梁先于墙破坏，符合抗震设计概念。部分连梁塑性转角达到LS，其余大部分都在IO范围内，满足中度破坏，部分严重破坏塑性转角θ< CP的性能目标。

本项目核心筒为主要的抗侧力体系，对核心筒在大震作用下的性能进行了重点分析。由图16可知，剪力墙混凝土在大震作用下受压小于峰值压应变，停机坪收进处局部压应变较大，但仍小于混凝土的极限压应变。剪力墙分布钢筋基本保持弹性，底部加强区剪力墙竖向分布筋的拉应力包络如图17所示。底部加强区仅有局部靠近连梁处的剪力墙竖向分布筋达到屈服应变，但没有超过钢筋极限应变。核心筒在大震作用下仍然能起到承担竖向力和抵抗侧向力的作用。

图13 外框柱塑性铰开展情况

图14 南北立面外框梁塑性铰开展情况

图15 核心筒连梁塑性铰开展情况

图17 底部加强区剪力墙竖向分布钢筋拉应变包络

8 结论

本项目已于2012年4月通过了超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的审查，目前塔楼已经结构封顶。主要设计要点总结如下：

(1)为充分实现建筑效果，南北立面上的外框被空腔打断，对外框进行了详细的分析，并考虑了施工模拟，空腔框架的受力及变形满足设计要求。

(2)对基准模型、外框梁闭合模型、完整外框模型进行了对比分析，验证了本项目采取了相应的加强措施后，空腔对结构整体抗侧性能的影响较小。核心筒高宽比较小，为主要的抗侧力构件。

(3)由于外框不连续，对施工影响较大，外框施工时需沿立面设置6组临时支撑，并进行了详细的施工模拟分析，复核了临时支撑及主体结构在施工过程中的受力及变形，满足设计要求；同时施工过程中需加强监测，拆撑时应逐步卸载，避免一次卸载量过大造成较大的动力效应。

(4)在罕遇地震作用下结构弹塑性层间位移角和构件破坏程度均满足要求。塔楼满足性能化设计目标要求。本项目总体设计满足结构各项性能目标，结构安全可靠。