某高层办公楼悬吊超限结构体系设计

◎王紫璇 范军 陆顺芳

长沙经开区区块链产业园项目（一期工程）1#厂房项目位于湖南省长沙经济技术开发区三一路以北、凉塘路以南、东二路以东，拟建项目裙房地下1 层，地上5 层（其中首层处有夹层），总高23.5m，塔楼地上16 层（其中首层处有夹层），总高76.7m，正负零绝对标高为66.600。裙房结构采用框架结构，塔楼结构采用混凝土核心筒体+悬臂桁架+吊杆体系，塔楼屋顶采用交叉钢桁架悬吊下部8 层楼面。裙房与塔楼在2～5 层处（包括首层处夹层）的连桥采用滑动的方式脱开，裙房在屋顶（6 层）采光顶处钢梁一侧铰接，一侧滑动。嵌固端取正负零处。基础将采用旋挖桩桩基础。拟建场地土为软弱土，建筑场地类别为Ⅲ类，属对建筑抗震不利地段。场地内的地层主要有人工填土层、冲积粉质黏土、残积粉质黏土层，下伏基岩为强风化砾岩、中风化砾岩等。拟建场地内未见滑坡、泥石流等影响场地稳定性的不良地质作用，场地基本稳定。但场地局部区域内中风化砾岩⑤中存在强风化砾岩⑤-1 夹层；场地上覆填土厚度较大，性质不均匀，工程性质较差，对地基稳定性有不利影响。场地内未见可液化地层。施工期和使用期间抗浮设防水位标高按66.0m 考虑。场地地下水水质及土质对混凝土和钢筋具有微腐蚀性。

一、办公楼结构设计准则

第一，本次办公楼设计基准期为50 年，结构设计使用年限为50 年。

第二，建筑结构安全等级为二级；建筑结构重要性系数为1.0；建筑抗震设防类别为丙类建筑；建筑基础安全等级为二级建筑，地基基础设计等级为甲级。

第三，建筑结构抗震等级主要包含建筑裙房和塔楼，其中裙房分为地上框架抗震等级为4 级；转换梁柱为3 级；地下框架抗震等级为4 级；建筑塔楼地上地下核心筒抗震等级为二级。

第四，建筑水平荷载下的变形限值。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010，第3.7.3 条）多遇地震或重现期为50年的风荷载标准值作用下最大层间位移角限值为：

裙房：1/550 塔楼：1/1000；根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010，第3.7.5 条）大震作用下最大层间位移角限值为裙房：1/50 塔楼：1/120。

第五，建筑舒适度准则。为了有效满足高层建筑内部使用人员到舒适性要求和标准，需要对建筑风荷载作用条件下，建筑体的最大加速度进行有效限制，根据高层建筑混凝土结构技术规程当中的相关要求，10 年一遇的风何在作用条件下，办公楼顶点位置的风振加速度限值如表1：

表1

第六，建筑楼盖舒适度要求。根据高层建筑混凝土结构技术规程当中的要求，楼盖结构，竖直方向上的振动频率不能小于3Hz 竖直方向上的速度峰值要求标准，如表2 所示：

表2

二、建筑地基基础设计要点

1.地基基础设计方案。

本项目基础设计等级为甲级，本工程有一层地下室，塔楼和裙楼地下室底板主要位于人工填土，拟作为持力层中风化砾岩还有一定距离。因此塔楼拟采用满堂桩基础，裙楼采用柱下桩基，桩端持力层为中风化砾岩。根据勘察报告中风化砾岩中存在软弱夹层，为较不均匀地基，桩基施工前应进行超前钻，保证桩端以下3d 及5m 范围内无软弱夹层等不良地质现象，根据地勘报告，场地内地层变化较大，桩基施工前应进行超前钻，保证桩基全断面入岩深度。

2.基础埋深设计。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）12.1.8 条，基础应有一定的埋深，基础埋深可从室外地坪算至基础底面，并符合下列规定：天然地基或复合地基，取房层高度的1/15；桩基础，不计桩长可取房屋高度的1/18；本工程基础埋深为-5.6m，相对结构高度约为5.6/75.5=1/13.5，满足规范要求。

3.桩基设计。

根据本次钻探揭露综合区域资料，场地内的地层主要有人工填土层、冲积粉质黏土、残积粉质黏土层，下伏基岩为强风化砾岩、中风化砾岩等。本工程采用旋挖成孔灌注桩，塔楼桩径定为1800mm，裙楼桩径定为1200mm、1000mm 两种。桩基持力层为中风化砾岩，1800mm 有效桩长约 17m，1200mm、1000mm 有效桩长11～17m，进入岩层全断面深度不宜小于0.4d 且不小于0.5m，且桩端需穿透局部软弱夹层。桩身混凝土强度等级C30，根据勘察报告初步分析，1800mm 桩径单桩抗压承载力特征值为 16000KN，1200mm 桩径单桩抗压承载力特征值为6100KN，1000mm 桩径单桩抗压承载力特征值4500KN。塔楼采用满堂布桩的方式，裙楼采用柱下布桩的方式，桩间距3d。根据目前初步估算，竖向荷载下塔楼最大桩反力约为13000KN，在水平荷载组合工况下，桩顶反力也能满足规范的要求。

4.地基变形设计。

根据初步分析，塔楼沉降均匀，最大沉降值约为16mm。由于塔楼沉降量较小且与裙楼沉降量接近，因此塔楼与裙楼可不设沉降后浇带大震下桩基础的稳定性。通过对上部塔楼进行大震下的整体分析，得到在1.0 恒+0.5 活-1.0Y 地震+0.38 震Z 工况下核心筒桩基出现最小桩反力为2385KN，核心筒下桩基经计算水平承载力特征值为1500KN，大震下单桩最大水平力为500KN。

三、建筑结构体系设计

由于塔楼与裙房之间，在各层均开大洞不能满足刚性楼板假定的要求。若按照整体模型计算，在1～5 层（其中首层处有夹层），对应塔楼墙体布置太偏，1～5 层刚心与形心偏心距太大，在X 向规定水平力下位移比达到1.68，不满足规范要求。因此，将塔楼与裙房分开建模与实际情况更相符，同时也避免了扭转位移比过大的问题。塔楼与裙房分别建模进行计算。考虑连接塔楼和裙房的过道采用一段铰接、一端滑动的形式，由于裙房高度23.5 不属于高层结构，本报告为塔楼超限报告。

1.塔楼抗侧力体系设计。

塔楼的抗侧力体系为筒体，所有的钢梁与筒体采用铰接连接仅承受竖向荷载，此结构没有设置抗震二道防线。由于钢梁与筒体均铰接，塔楼每个楼层所受到的风力、地震作用均通过整体浇筑的混凝土楼板传至筒体，由筒体承受地震及风力的所有侧向力，由外立面可看出1 层到8 层（含首层夹层）仅有筒体剪力墙及内部量梁板，9 层筒体剪力墙外侧有3.15m 的吊挂梁板，10 层至16 层有9.25m 的吊挂梁板17 层到18 层（设备层和屋顶）仅有筒体剪力墙及内部量梁板，19 层为放在筒体顶部的钢桁架。结构实际的质量分布在第10 层和桁架层质量比超1.5，由于筒体承受了所有的地震剪力，因此按照筒体结构的分类进行抗震设计及抗震构造设计，筒体剪力墙抗震等级设为二级，如图1：

图1 塔楼抗侧力体系设计

2.塔楼重力体系设计。

塔楼从9 层至16 层，剪力墙的所有外围结构均悬挂于剪力墙顶部的钢桁架。充分利用钢结构的受拉特性，可使楼面四周的吊杆截面尺寸足够小，建筑立面简单通透，既是建筑的设计精华也是结构的设计难点。在剪力墙四周，采用16 根直拉杆，通过层层悬挂的方式，将楼面荷载传至屋顶桁架。屋顶桁架通过四个支座将力传给屋顶剪力墙，竖向上在屋顶剪力墙角点埋置了构造型钢以增强延性。整体而言，整个结构是稳定的，四周的拉力相互抵消，不存在倾覆问题。悬吊体系如下图2：

图2

在剪力墙顶设置屋面双向钢桁架，桁架高度4m，在X、Y向分别为三道桁架，在斜45 度方向各一道桁架，在对应下部剪力墙角部的位置设置四个支座。支座放置于核心筒的四角部。吊杆以铰接的方式悬挂在悬挑部的桁架端部；结构传力模式各层吊杆轴力=该层楼面一半的荷载+下一层吊杆轴力，如图3 所示。

图3

N6=N7+G6/2

3.楼面梁设计。

塔楼楼面周圈环梁与吊杆上下楼面环梁分别铰接，环梁在角部刚接，使其形成一个闭合的体系，垂直于环梁的钢梁与剪力墙均采用铰接连接的方式，与环梁采用刚接连接，如图4：

图4 楼面梁设计

4.楼板体系设计。

塔楼：塔楼下部楼盖开洞较多，1 层～8 层核心筒内的楼板厚度为130mm，由于尺寸突变，10 层～11 层的楼板厚度为150mm，配筋双层双向。不上人屋面和设备层的楼板厚度调整为150mm，配筋双层双向。其余核心筒楼板厚度为130mm，塔楼部分采用130mm 厚钢筋桁架楼承板，对于部分跨度超过3m 的楼板，施工时应采用临时支撑，楼梯采用普通钢筋混凝土楼梯。针对塔楼超限情况的结构设计和相应措施，由于塔楼为悬挂结构，为规范暂未列出的结构形式，为保证结构安全，做出了如下措施：对于屋顶钢桁架和筒体周围钢梁考虑竖向地震作用；对筒体的加强措施。本项目抗震措施的抗震等级取二级。对于底部加强区（1 层、1 夹层）、过渡区段（8 层、9 层）、顶部两层的抗震构造措施的抗震等级取一级。其余墙体的抗震构造措施抗震等级取二级。塔楼地下室相关范围的抗震构造措施的抗震等级取一级。对钢结构构件根据关键构件、重要构件、普通构件控制应力比。同时，钢桁架的抗震等级取三级。关键构件：屋顶桁架，应力比控制在0.75 以内。重要构件：吊杆、环梁，应力比控制在0.85 以内。普通构件：楼面钢梁，应力比控制在0.95 以内。

四、结语

综上，本项目塔楼部分采用混凝土核心筒+悬臂桁架+吊杆结构体系，对塔楼采取以下主要措施及分析手段，严格按照规范，控制整体结构的主要指标，包括结构变形、剪重比等抗震设计中引入性能化设计思想，确定合理的抗震性能目标。对主要结构构件进行承载力校核，能够满足各水准地震下的性能目标，对吊挂结构的传力模型进行了分析及模型验证，采取的主要措施包括：屋顶桁架属于没有冗余度的关健结构构件，其设计计算适当增加富余度。对筒体采取底部，中部和顶部加强抗震构造措施、对钢结构控制应力比、对尺寸突变位置加强、对下部楼盖板厚加厚、提高支撑楼面钢梁的连梁的抗震性能，对塔楼进行了抗连续倒塌分析、楼板舒适度验算等，对结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，分析的结果表明大震作用下性能良好，整体响应指标满足设计要求，可以有效保证建筑工程项目整体结构的安全性和稳定性。