深港科创中心超限结构设计要点

刘云浪, 傅学怡, 吴国勤, 杜 佳, 潘泽杰, 张洪恩

(悉地国际设计顾问(深圳)有限公司，深圳 518048)

1 工程概况

深港科创中心项目(图1)位于深圳市福田区市花路与槟榔路交汇处,由1栋超高层办公和商业裙房组成。项目总建筑面积约11万m2。塔楼地面以上44层,建筑总高度为211.35m,结构屋面高度199.5m,标准层层高4.5m,主要功能为办公;其中,11、23、35层为避难层。裙房共5层,主屋面高度23.7m,局部出屋面高度29.85m,平面投影近似矩形,尺寸60m×120m。地下室共3层,埋深约18m。地下1层至地下3层的层高依次为6.6、3.7、4.6m,其中地下3层含人防。

图1 建筑效果图

结构设计基准期为50年,抗震设防烈度为7度(0.10g)[1],场地类别Ⅲ类,Tg=0.45s,裙房、塔楼抗震设防类别分别为乙类、丙类,设计地震分组为第一组。50年一遇基本风压为0.75kN/m2,地面粗糙度为C类,风洞试验得出主轴方向基底弯矩为《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)规定计算值的83%～93%,采用风洞试验结果设计。

2 基础设计

根据钻孔揭露的土层,场地地层主要为:人工填土层、海相沉积层、海陆交互相沉积层、第四系上更新统冲洪积层、残积层、燕山四期黑云母花岗岩,基坑底存在超2m厚淤泥质土,岩层埋深约20m。基坑内设置3道内支撑,基础选型时,应考虑施工操作可行性。

塔楼重量大,采用灌注桩基础。比较两种桩径φ1.8m(入中风化岩层4m)、φ2.7m(入中风化岩层5m),综合考虑造价、施工难度、施工周期等因素,塔楼采用桩径φ1.8m方案,在自然地面打桩。

裙房基础需采取抗浮措施,由于基坑底淤泥质土较厚,不采用天然基础;岩层埋深较浅,且地面施工送桩较长,不采用预应力管桩。因此考虑两种方案,方案一:灌注桩抗压兼抗拔;方案二:灌注桩抗压+锚杆抗拔。采用桩基础时在自然地面打桩,采用抗拔锚杆时可在基坑底施工。方案一总桩数329根,方案二总桩数156根+总锚杆数1 124根,方案二比方案一节省约200万元,工期节省约1个月。综合考虑造价、工期等因素,裙房采用灌注桩抗压+锚杆抗拔方案。

3 裙房结构方案选型

考虑裙房与塔楼关系,避免后续漏水风险,裙房与塔楼不设永久缝[2]。如图2所示,左侧塔楼为框架-核心筒结构,右侧裙房可采用框架结构或框架-剪力墙结构。考虑三种方案,方案一:裙房采用框架结构;方案二:裙房采用框架-剪力墙结构(交通核1周边设置剪力墙);方案三:裙房采用框架-剪力墙结构(交通核1、交通核2周边均设置剪力墙)。

图2 塔楼与裙房关系示意图

考虑偶然偏心影响的水平地震作用下,结构周期和最大扭转位移比如表1所示。由表可得,裙房增加剪力墙后,结构刚度略微增大,周期略减小,但影响甚微。左侧塔楼范围刚度大,右侧裙房刚度小,在裙房交通核1、交通核2增加剪力墙后,结构X向刚度中心从左侧向右侧偏移,向质量中心靠近,有利于结构抗扭;X向的最大扭转位移比有所减小;Y向刚度中心与质量中心距离加大,更不利于结构抗扭,因此Y向的最大扭转位移比有所增加。

表1 结构周期及最大扭转位移比

地震作用下裙房楼层剪力如表2所示,由表可得,裙房增加剪力墙后,裙房范围刚度增大,其楼层剪力大幅增加,方案三裙房范围楼层剪力为方案一的2.6～7.22倍。

表2 地震作用下裙房楼层剪力

综合考虑结构在水平地震作用下周期、最大扭转位移比、楼层剪力等指标,裙房采用框架结构。

4 塔楼结构设计

4.1 结构构成

结合建筑高度、使用功能等因素,塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系,其中南北侧外框不封闭。塔楼结构高宽比6.8,核心筒高宽比15.2,比《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3]建议最大高宽比大27%,结构组成示意图见图3。塔楼平面呈蝶形,四角从相邻竖向构件外伸11～16m,不设贯通落地柱。塔楼东侧38层及以上楼层外框架内收至核心筒,塔楼东侧9层及以下外框架内收至核心筒,6～9层采用倾角48°斜柱将外框柱转换至核心筒,外框柱与水平向剪力墙截面形心均在同一水平线上,保证斜柱的内力更直接、快捷传递到核心筒剪力墙竖向构件并落至基础,见图4、5。斜柱区构件及墙内桁架立面示意图见图6,结构在地震作用、风荷载下的主要计算指标见表3。

表3 结构主要计算指标

图3 结构组成示意图

图5 斜柱转换三维示意图

图6 斜柱区构件及墙内桁架立面示意图

由表3可得,因为结构X向受风面积大,风荷载较地震作用大,所以X向为风荷载控制;Y向受风面积小,地震作用较风荷载大,Y向为地震作用控制。层间位移角满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(SJG 98—2021)[4],结构整体指标良好。

结构第一阶整体屈曲因子为27.6,斜柱第一阶屈曲因子为13.6,外框柱第一阶屈曲因子为36.5,结构具有足够的稳定性。结构第一阶竖向自振频率为2.18Hz,发生在裙房空腹桁架区域,如图7所示。分别考虑单人行走激励、3人行走激励和考虑人行走随机性的密度为0.15～0.5人/m2的激励,人行激励下楼盖竖向振动最大加速度为0.141m/s2,小于规范限值0.15m/s2,满足规范要求。

图7 第一阶竖向自振频率

采用混凝土收缩徐变模式CEB-FIP(2010),施工模拟分析假定:标准层6d/层,外框架滞后核心筒5层,主体结构施工完成后,半年内完成幕墙、装修及设备安装,即投入使用。不同阶段的斜柱顶10层标高处典型节点P1、P2(节点编号见图4(b))变形如表4所示,由表可得,随着时间增长,变形逐渐增大;主体结构使用10年后,变形基本趋于稳定,收缩徐变引起的变形基本完成。

表4 斜柱顶10层标高处变形/mm

4.2 四角外伸结构方案选型

如图4所示,塔楼平面四角从相邻竖向构件外伸11～16m,不适合采用梁悬挑方案。经与建筑配合,可考虑三种方案,如图8所示。方案一:每4层作为一个子结构,设置一组斜拉杆;为尽量减小柱截面避免采用受压杆,采用下挂4层受拉吊柱作为楼面梁支座,并在该4层吊柱最下端点设置竖向长圆孔以释放轴力,避免上部楼层吊柱轴力层层往下传递累积;楼面梁与斜拉杆、吊柱刚接。方案二:每4层作为一个子结构,设置一组斜拉杆;为尽量使角部视野通透,柱截面较小,同时避免采用受压杆,采用下挂2层受拉吊柱作为楼面梁支座,无吊柱支承的楼面梁从斜拉杆上悬挑约4.5m;楼面梁与斜拉杆、吊柱刚接。方案三:每个避难层设悬挑桁架,并在角部悬挑桁架上设置立柱,以承担上部11层楼面荷载;桁架下弦相邻下层不再设置立柱,避免上部楼层立柱轴力层层往下传递累积;楼面梁与立柱刚接。

图8 四角外伸结构方案示意图

方案一、方案二的斜拉杆及吊柱主要用以承担重力荷载,且杆件截面较小,对抗侧刚度影响不大。方案三中,两端悬挑桁架往内跨延伸连接贯通,保证了结构在重力作用下“挑扁担”式的平衡受力,亦产生了类似环带桁架的影响,刚度及受剪承载力等在设置悬挑桁架的楼层产生了一定突变,但对整体结构影响不大。经方案试算,不同方案的结构角部主要构件截面如表5所示。

表5 角部主要构件截面/mm

方案三中,构件截面普遍比方案一、方案二大,但桁架仅设置在避难层,不影响标准层的立面及使用;且角部杆件数量优化为一根立柱,可最大限度打开角部视野;结构造价约增加5%。经综合评估,四角外伸结构采用方案三。

4.3 斜柱相关区域受力分析

斜柱相关区域受力复杂,有必要对其受力进行详细分析研究[5]。

4.3.1 重力、水平力作用下构件传力

选取1～11层中受力较大的一榀结构,对其在重力、水平力作用下的力流进行研究。重力、水平力作用下力流示意如图9、10所示,括号内数值为同一层水平剪力占比。

图9 重力作用下力流示意

由图9可得,在重力作用下,斜柱上端点与斜柱相邻楼层(10层)剪力墙的水平剪力占比约86%,远离斜柱的剪力墙水平剪力占比约14%,外框水平剪力占比约0.4%;斜柱下端点与斜柱相邻楼层(6层)剪力墙的水平剪力占比约75%,远离斜柱的剪力墙水平剪力占比约24%,外框水平剪力占比约1%。楼层剪力几乎全部由剪力墙承担。

由图10可得,在水平力作用下,斜柱上端点与斜柱相邻楼层(11层)剪力墙的水平剪力占比约73%,远离斜柱的剪力墙水平剪力占比约23%,外框水平剪力占比约4%;斜柱下端点与斜柱相邻楼层(6层)剪力墙的水平剪力占比约72%,远离斜柱的剪力墙水平剪力占比约27%,外框水平剪力占比约1%。与斜柱相连水平向连梁、框架梁拉力较大,剪力墙内桁架受力不大,剪力墙特别是底层剪力墙受拉明显。

图10 水平力作用下力流示意

由此可见,很有必要提高1～9层相关构件特别是剪力墙的抗震性能,1～9层剪力墙应满足性能目标“C”[3]关键构件要求、极罕遇地震下受剪截面要求,剪力墙承担100%地震剪力;1～9层水平向连梁、与斜柱相连水平向框架梁不作为耗能构件,且应满足性能目标“C”关键构件要求;6～9层斜柱应满足性能目标“C”关键构件要求。

4.3.2 剪力墙受拉分析

由于结构体型特殊,在双向水平中震并考虑竖向地震组合工况作用下,底部核心筒部分墙肢存在较大拉力,考虑混凝土墙肢内型钢作用,控制墙肢轴向力产生的名义拉应力不应过大[6-7]。首层主要墙肢(墙肢编号见图4(a))受拉验算见表6,其中ftk为混凝土抗拉强度标准值。由表可得,不考虑型钢作用,墙肢Q1～Q5名义拉应力均超过ftk,最大平均名义拉应力2.48ftk;考虑在墙肢内设置的型钢,墙肢最大名义拉应力2.04ftk<容许拉应力3.06ftk,满足《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质﹝2015﹞67号)要求[7]。

表6 首层主要墙肢受拉验算

4.3.3 剪力墙在极罕遇地震下的受剪分析

极罕遇地震水平地震影响系数最大值αmax=0.69[8],阻尼比取0.07,特征周期取0.5s,连梁刚度折减系数0.3,中梁刚度放大系数1.0。采用等效弹性方法,按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)复核1～9层钢筋混凝土剪力墙在极罕遇地震组合工况作用下受剪截面,若不满足要求,则考虑墙内型钢作用进一步按钢-混凝土组合剪力墙复核其受剪截面。6层剪力墙剪力普遍较大,以6层为例,其水平向主要墙肢Q6～Q11(墙肢编号见图4(a))受剪截面验算见表7,墙肢Q6～Q10、Q12、Q14不考虑墙内型钢时,能满足剪压比<0.15的要求,其余墙肢考虑墙内型钢后满足剪压比<0.15的要求。

表7 6层剪力墙受剪截面验算

4.3.4 水平构件受拉分析

不考虑6～11层楼板贡献,在中震最不利组合工况作用下,对与斜柱相连径向连梁、框架梁(图4(b)所示LL1～LL5、KL1～KL5)进行受拉承载力验算,拉力由梁内型钢承担[9]。为控制混凝土裂缝宽度,型钢拉应力不大于200MPa。由于篇幅所限,表8仅列出10层连梁、框架梁受拉承载力验算结果。

表8 连梁、框架梁受拉承载力验算结果

4.4 节点分析

由于斜柱倾角大,竖向构件转角处节点应力为重点研究对象,需要找出薄弱部位并采取加强措施。采用有限元软件ABAQUS建立斜柱(型钢混凝土柱)及其相连构件(包括构件内型钢)的有限元模型,如图11(a)所示。在1.3恒载+1.5活载组合工况下,不采取加强措施,斜柱上端内侧、下端外侧阴角部位较大范围的应力超过《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[10]中混凝土抗压强度设计值27.5MPa,最大约45MPa,见图11(b)。尝试将斜柱及其相连外框柱替换为钢管混凝土柱,结果显示,钢管壁上应力满足弹性要求,但阴角部位的钢管里混凝土较大范围的应力超过混凝土抗压强度设计值,且日后难以检测钢管内混凝土的状态。因此,采用型钢混凝土柱,需要对该斜柱上、下端节点区采取加腋措施。

图11 未采取加强措施的斜柱节点模型及应力云图

对该斜柱上、下端节点区采取弧形加腋,最大加腋高度1.2m(图12(a)),可以保证在1.3恒载+1.5活载组合工况下,节点区应力小于材料强度设计值,但节点加腋后占用了室内使用空间。采取加强措施的斜柱节点应力云图见图12(b)。

图12 采取加强措施的斜柱节点模型及应力云图

在经过多次结构试算后,采用如图13所示外包钢加强措施,最终的斜柱节点加强模型及应力云图见图14。采用如图14所示加腋节点,可满足节点在重力及小震最不利组合工况作用下弹性、中震作用下弹性、大震作用下不屈服的要求[5]。

图13 斜柱上节点钢材构成示意图

图14 斜柱加腋包钢节点模型及应力云图

4.5 上部楼层外框架内收分析

塔楼东侧外框架在39～44层内收,通过分析外框架内收结构(简称内收结构)和外框架不内收结构(简称不内收结构),评估39～44层东侧外框架局部内收对结构的影响,主要计算结果见表9。

表9 内收结构与不内收结构主要计算结果

由表9可得,内收结构前三阶周期均小于不内收结构,是内收结构质量较小导致的。在地震作用下,因内收结构楼层质量减小,地震作用减小,X、Y向内收结构的层间位移角比不内收结构小。在风荷载作用下,因内收结构X向受风面积不变,但刚度减小,导致X向内收结构的层间位移角比不内收结构大;因内收结构Y向受风面积减小,导致Y向内收结构的层间位移角比不内收结构小[11]。

选取内收楼层及其相邻楼层36～44层的墙肢Q8和外框柱Z1(编号见图4(b))的地震剪力进行分析,见图15。由图可得,在地震作用下,内收结构墙肢Q8在内收楼层发生剪力突变,39层墙肢剪力比38层墙肢剪力增加约20%;38层及以下墙肢剪力比不内收结构小,最大降幅约30%,且越靠近内收楼层降幅越大。内收结构外框柱Z1在39层剪力比38层剪力减少约15%;38层及以下外框柱剪力比不内收结构小,最大降幅约10%,且越靠近内收楼层降幅越大。结合性能化设计,对内收相邻楼层竖向构件进行了加强。

图15 内收相邻楼层构件地震剪力

5 结语

深港科创中心项目从方案到施工图设计历时近两年,期间做了大量基础选型、楼盖选型、塔楼与裙房结构选型、构件选型等工作,经过多次专家咨询会、与方案设计公司及甲方多次沟通讨论,结构性能不断改进和完善,最终完成设计,并于2021年7月顺利通过广东省超限审查,目前正进行施工。通过基础方案比选,选取了造价、工期最优方案。通过裙房方案比选,进一步优化了结构方案,指标和受力合理。基于塔楼特点,进行了系列专项研究,选取了合理方案,并采取了相应加强措施。