前海时代广场复杂连体结构设计重难点分析

黄 卓, 何助节, 朱留卫, 王传甲, 陈志强

(奥意建筑工程设计有限公司，深圳 518031)

1 工程概况与结构体系

前海时代广场项目位于广东省深圳市前海开发区,为两栋超高层建筑(北塔、南塔)及裙房组成的大底盘双塔高位连体结构,建筑整体效果及结构整体构成如图1所示。

图1 建筑及结构整体构成

北塔共42层,主要功能为商务公寓和酒店,屋面结构高度170.27m,平面尺寸50.9m×24.8m,高宽比约为6.9,核心筒高宽比约为26.2,其标准层平面布置图见图2。南塔共43层,主要功能为精品住宅和空中别墅,屋面结构高度153.77m,平面尺寸39.8m×22.3m,高宽比约为6.9,核心筒高宽比约为17.4,其平面布置图见图3。连体位于北塔的32～33层、南塔的36～37层,距地面高度约120m,连体结构高8.4m,跨度为47.7～49.7m,桁架跨高比约为5.9。

图2 北塔标准层结构平面布置图

图3 南塔结构平面布置图

经前期方案选型[1-2],北塔采用矩形钢管混凝土柱+钢梁+立面斜撑+柱间斜撑+钢筋混凝土核心筒结构体系,见图4;南塔1～35层采用带端柱剪力墙结构,36、37层采用钢管混凝土柱框架-核心筒结构,38～43层采用钢管柱框架-核心筒结构,见图5。南、北塔采用强连接形式形成整体,沿南北向布置三道钢桁架,桁架与两侧塔楼外框钢管混凝土柱刚性连接,且上、下弦杆延伸进两侧塔楼并贯通。

图4 北塔结构体系

图5 南塔结构体系

2 结构设计重难点

(1)北塔立面斜撑设计

立面斜撑是北塔主要抗侧力构件,为充分发挥斜撑的抗侧贡献,需合理处理斜撑与外框柱及楼面结构的连接关系,且斜撑杆件与外框柱、水平横杆的节点连接是保证其发挥抗侧作用的关键。

(2)南塔结构体系沿竖向变换设计

南塔沿竖向变换结构体系满足了建筑功能需求,需对不同结构体系间楼层刚度与承载力进行合理设计,以避免出现薄弱层与软弱层。不同结构体系间的合理变换与过渡、竖向构件变化处的节点设计是保证结构受力安全的关键。

(3)连体设计

高位连体跨度大、受荷重,合理处理连体与塔楼的连接节点,使连体在保证自身安全的同时,能合理协调两侧塔楼的变形,是整个项目结构设计的关键。

3 主要设计参数与整体计算结果

根据相关规范[3-5],本工程场地类别为Ⅲ类,场地抗震设防烈度为7度(0.10g),地震分组为第一组。提高连体层及上下各一层核心筒剪力墙、框架柱抗震等级为特一级,提高立面钢斜撑、柱间斜撑、连体钢桁架及连体层钢框架梁抗震等级为二级,其余混凝土构件抗震等级为一级,钢构件抗震等级为三级[6-7]。在抗震性能化设计中,定义立面斜撑、连体钢桁架及与连体相连上下层核心筒剪力墙、框架柱为关键构件,要求关键构件满足中震弹性的性能目标。风荷载作用按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)取值,基本风压为0.75kN/m2,风荷载体型系数为1.4,地面粗糙度为B类。采用YJK与MIDAS Gen软件对整体结构进行弹性分析,结构自振周期如表1所示,风荷载作用下结构层间位移角如图6所示。

表1 结构自振周期/s

图6 风荷载作用下结构层间位移角曲线

计算结果表明,连体影响了各塔楼结构的自振特性,结构整体指标合理且满足规范要求,MIDAS Gen与YJK计算结果较相符。风荷载为本工程控制工况,连体及柱间斜撑的存在影响了层间位移角沿高度上的分布。由图6可见,南、北塔在Y向风荷载作用下的最大层间位移角分别为1/618、1/744,满足广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(DJB 15-92—2013)[4]的限值1/613、1/782要求。塔楼在考虑偶然偏心的规定水平地震力作用下的最大位移比分别为1.11(北塔)、1.15(南塔),满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[3]限值1.20要求。

4 北塔立面斜撑设计

4.1 立面斜撑对整体结构影响

为平衡斜撑内轴力,分别在9、13、14、19、28、36层及屋面层设置水平横杆,形成由立面斜撑+水平横杆+框架柱组成的巨型斜撑框架,进一步提高了外框在整个结构体系中的抗侧贡献,影响了楼层剪力在外框与内筒之间的分配比例。框架基底剪力约占54%、基底倾覆力矩约占80%(图7),框架成为结构的主要抗侧力构件,且在每个水平横杆层均出现不同程度的内力分配突变。

图7 Y向倾覆力矩及楼层剪力

为提高立面斜撑的抗侧效率,立面斜撑除与水平横杆及框架柱相连外,不与其他楼层结构连接。在保证施工阶段风荷载作用下结构侧移满足规范要求的前提下,采取待主体结构施工至中上部楼层时再从底部开始安装斜撑的施工顺序,以尽量减小斜撑的竖向承载作用,使斜撑主要参与抗侧。

4.2 斜撑杆件受力分析

采用MIDAS Gen建立全楼弹性膜模型,对立面斜撑进行小震与中震弹性设计,比较各杆件在重力荷载、风荷载、地震作用下的轴力与小震弹性、中震弹性设计(不考虑横杆层楼板)时的应力比,北侧斜撑杆件轴力及应力比计算结果如图8、9所示。

图8 北侧斜撑杆件轴力/kN

图9 北侧斜撑杆件应力比

计算结果表明,重力荷载作用下1～9层斜撑杆件的轴力最大,约为6 810kN,超过了风荷载、地震作用下的轴力。地震作用与风荷载对9～13层、13～14层、14～19层、19～28层、28～36层、36～屋面层斜撑杆件的轴力起控制作用,且风荷载作用下斜撑杆件的轴力稍大于地震作用下的轴力。在小震弹性设计时,斜撑杆件最大应力比为0.65,在中震弹性设计时,斜撑杆件最大应力比为0.73,均小于限值1.0要求。总体上,水平力对斜撑杆件的设计起控制作用。中震弹性设计时的斜撑杆件轴力均大于小震弹性设计时的轴力,斜撑杆件需按中震弹性设计。

4.3 水平横杆层楼板受力分析

水平横杆层的楼板协调外框与内筒共同抵抗水平力,在外框与内筒之间的水平力传递起着重要作用。为保证水平力在外框与内筒之间的有效传递,加强水平横杆层楼板厚度为150mm。采用MIDAS Gen建立全楼弹性膜模型,对水平横杆层进行中震及大震作用下的楼板应力及损伤情况分析,结果如图10和图11所示。

图10 水平横杆层在Y向中震作用下的楼板应力/(N/mm2)

图11 14层楼板大震作用下混凝土受压损伤

由图10可见,9、13、14、19、28及36层楼板面内剪应力基本处于0～1.5MPa之间,小于C30混凝土抗压强度设计值的0.12倍(1.72MPa),可认为满足中震抗剪弹性要求,可实现中震下水平力在外框与内筒间的有效传递。由于14层水平横杆在地震作用下轴力较大,使与其相连楼板面内Y向正应力与剪应力较大,结合大震弹塑性分析结果(图11),与水平横杆相连区域楼板受压损伤明显,需局部加强该相连处楼板厚度为180mm。

为保证水平横杆与相邻楼板之间的有效连接,实现水平力的可靠传递,须提取中震作用下与水平横杆相邻楼板内的剪力值,作为楼板与水平横杆间抗剪连接件的设计依据。

5 南塔结构体系变换设计

5.1 竖向规则性与设计措施

结合建筑功能需求,南塔在高度上有三个不同的结构体系,存在两次结构体系变换。通过保持核心筒剪力墙全楼高厚度为500mm,且局部楼层连梁高度由700mm调整至1 200mm,可减小由于核心筒以外剪力墙变换为钢管混凝土柱而引起的楼层刚度突变,使楼层刚度比满足规范要求(图12(a))。

图12 南塔层刚度比及楼层抗剪承载力比

由于1～34层核心筒以外剪力墙在35层变换为钢管混凝土柱,且35～37层的钢管混凝土柱在38层变换为钢管柱,其中,38层为架空层,楼层高度为6.0m,39层楼层高度为3.6m,因此产生了两个抗剪承载力突变的薄弱层34层与38层,这两个楼层抗剪承载力比分别为0.6、0.69(图12(b))。在施工图设计时指定34、38层为薄弱层,按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[5]要求对楼层地震作用进行放大,通过调整剪力墙水平筋以提高楼层抗剪承载力,从而避免楼层抗剪承载力突变。

5.2 竖向构件变换节点设计

34层剪力墙端柱截面为800×800,35层钢管混凝土柱截面为□800×800×50×50,钢管混凝土柱通过柱脚锚栓与底板固定于35层楼面梁顶,在34层剪力墙端柱内埋设十字形钢+500×500×20×30,延伸至35层楼面以上1.5m,作为下部剪力墙结构与上部钢管混凝土柱框架-核心筒结构之间的过渡,且端柱纵筋与箍筋均延伸入钢管内2.5m,同时设置栓钉、抗剪钢筋以加强钢与混凝土间的连接,剪力墙端柱与钢管混凝土柱连接示意见图13。

图13 剪力墙端柱与钢管混凝土柱连接示意

在38层楼面设置钢梁托柱转换,以实现整体轮廓收进要求,托柱转换梁截面为H700×500×22×35,38层钢管混凝土柱截面为□500×500×20×20,在转换梁端底部设置同梁高的钢牛腿,见图14。定义托柱钢梁为关键构件,要求其满足中震抗弯弹性、抗剪弹性的性能目标,以保证高位转换的可靠性。

图14 托柱梁端牛腿

6 连体设计

沿南北向布置3道钢桁架连接南、北塔,其中,桁架上、下弦杆与腹杆截面均为□800×800×50×50,根据受力大小部分杆件截面为□800×800×36×36,钢材型号均为Q390B。桁架端部与两侧塔楼外框钢管混凝土柱刚性连接,且桁架上、下弦杆伸进两侧塔楼并贯通,塔楼核心筒内设置封闭钢框架,形成闭合传力体系;沿桁架宽度方向布置次梁形成楼面体系,连体层型钢设置见图15,连体钢桁架立面图见图16。

图15 连体层型钢设置

图16 连体钢桁架立面图

6.1 连体对整体结构影响

连体桁架的设置影响了南、北塔框架与剪力墙的内力分配,与连体相连楼层的框架与剪力墙均出现不同程度的剪力与倾覆力矩分配突变[8-11],地震作用下剪力与倾覆力矩分配如图17和图18所示。

图17 X向层剪力分配

图18 X向倾覆力矩分配

大震作用下,除北塔24层核心筒墙肢收进处与南塔核心筒底部出现局部受压损伤外,混凝土受压损伤主要集中在与连体相连及以上两层的墙肢内,均产生了轻度～中度受压损伤。特别是,由于南塔外围剪力墙在35层变换为钢管混凝土柱,使核心筒剪力墙成为主要的抗侧力构件,承担较大的水平地震作用;同时,连体的存在加剧了南塔连体以上高区楼层的鞭梢效应[12-14],使南塔连体以上两层局部墙肢出现明显的受压损伤。大震作用下北塔、南塔核心筒混凝土损伤情况如图19～21所示。

图19 大震作用下北塔、南塔核心筒混凝土受压损伤状态

图20 大震作用下北塔核心筒混凝土受压损伤立面展开示意

图21 大震作用下南塔核心筒混凝土受压损伤立面展开示意

作为振型分解反应谱法的必要补充,大震弹塑性分析结果显示,由于竖向构件变换位于结构高区,叠加连体结构影响,南塔高区鞭梢效应明显。针对结构在大震下的损伤状态,采取以下加强措施:在南、北塔与连体相连楼层及其上下各两层核心筒外圈剪力墙内设置型钢梁柱和钢斜撑,与连体桁架形成闭合传力体系,且提高剪力墙水平及竖向分布筋配筋率不低于0.6%。

如图22所示,采取相关加强措施后,两侧塔楼在连体相关楼层的损伤明显减轻,可保证结构在大震作用下的安全。

图22 南塔剪力墙混凝土受压损伤状态(加强后)

6.2 连体桁架受力与变形分析

采用MIDAS Gen建立全楼楼板弹性膜模型,对连体钢桁架进行小震弹性与中震弹性/不屈服设计,比较各杆件在重力荷载、风荷载、地震作用下的轴力与在小震弹性设计、中震弹性(考虑楼板作用)/不屈服(不考虑楼板作用)设计时的应力比,桁架HJ2不同工况应力比结果如图23所示。

图23 连体钢桁架HJ2杆件轴力与设计应力比

由图23可见,在小震弹性设计时,桁架杆件最大应力为0.8,均能满足应力比限值1.0要求。重力荷载对桁架杆件的轴力起控制作用,风荷载、地震作用对桁架杆件的内力影响相对较小。是否考虑楼板作用对桁架杆件内力影响较大,考虑楼板作用后,弦杆轴力减小,腹杆轴力增大。在中震弹性设计时,考虑连体楼板参与工作,桁架杆件最大应力比为0.8。中震不屈服设计时,假设楼板开裂后完全退出工作,不考虑楼板作用对桁架的影响,桁架杆件最大应力比为0.9,均能满足相应承载力设计要求。

在竖向荷载作用下(1.0D+1.0L),连体桁架的最大竖向变形为52mm,挠度值为1/950,小于《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中要求的挠度限值1/400,满足规范设计要求。

6.3 与桁架弦杆相连的塔楼内杆件受力分析

桁架杆件在竖向与水平荷载作用下产生较大的轴力,在桁架上弦杆与南北侧钢管混凝土柱交接处,桁架弦杆轴力向两侧塔楼框架梁传递。采用MIDAS Gen建立全楼弹性膜模型,查看小震弹性设计时与桁架上弦杆相连的塔楼框架梁轴力,评估框架梁轴力水平。

小震弹性设计时,与桁架上弦杆相连的塔楼框架梁轴力范围约为2 100～3 300kN。在施工图设计时,塔楼框架梁采用与桁架上下弦杆相同截面,以实现桁架杆件轴力的有效传递。

6.4 连体楼板应力分析

连体楼面采用单向次梁布置及钢筋桁架楼承板组合楼板结构,连体桁架上、下弦楼层板厚200mm,并延伸至两侧塔楼内。采用MIDAS Gen建立全楼弹性膜模型,对连体桁架及塔楼与连体桁架相连楼层(北塔32～34层、南塔36～38层)进行中震作用下的楼板应力分析,结果如图24所示。

在X向中震作用下,连体桁架下弦及其与塔楼相连楼层的楼板承受较大范围的拉应力,特别是在连体与南塔连接处的一定范围内楼板最大拉应力约为3.8～4.0MPa。按楼板最大应力计算的中震不屈服配筋面积约为2 000mm2/m,结合大震弹塑性分析结果(图25),与连体桁架上弦相连南塔楼层(38层)楼板受压损伤明显,在施工图设计时,加强连体桁架上、下弦及其与塔楼相连楼层的板配筋为14@150(单层单向配筋面积1 026mm2/m),双层双向拉通设置。

图25 大震作用下楼板受压损伤/MPa

在Y向中震作用下,连体桁架上、下弦楼板面内剪应力在0～1.4MPa之间,小于C30混凝土抗压强度设计值的12%(1.72MPa),可认为满足中震抗剪弹性要求。

7 节点有限元分析

采用有限元软件MIDAS FEA建立关键节点实体模型,进行节点有限元分析。材料的本构模型采用理想弹性模型,不考虑钢与混凝土之间的粘结滑移,各杆件内力均取自MIDAS Gen输出的中震弹性作用下最不利内力组合,未施加荷载的杆件端部均按铰接处理,各节点均在相关连接处设有同厚度内隔板,部分节点示意图、应力云图见图26、27。

图26 节点示意图

由图27可知,节点最大应力260MPa,均小于钢材设计强度290MPa,可确保结构安全。

图27 节点von Mises 应力/(N/mm2)

8 结论及建议

(1)立面斜撑可显著提高结构抗侧刚度,是结构的主要抗侧力构件。采用斜撑后安装等措施能减小斜撑的竖向承重功能,从而提高立面斜撑的抗侧效率。

(2)立面斜撑杆件及与其连接的构件的小、中震下受力分析结果表明,各杆件均达到预期的性能目标。

(3)水平横杆层楼板是传递斜撑外框与核心筒间水平剪力的关键构件,楼板与水平横杆间抗剪栓钉需满足计算与构造要求,保证剪力的有效传递。

(4)强连接高位连体改变单塔结构的自振特性,影响其两侧塔楼框架与剪力墙的内力分配,加剧了塔楼的鞭梢效应,应结合大震弹塑性分析结果对塔楼核心筒采取加强措施,且对连体桁架杆件与楼板进行小、中震下受力与变形分析,确保各杆件达到预期的性能目标。本工程各杆件达到预期的性能目标均达到了期的性能目标。

(5)连体桁架上、下弦杆均伸入两侧塔楼内,形成闭合传力体系,保证连体桁架内力的有效传递。

(6)关键受力部位的节点有限元分析结果表明,节点最大应力为260MPa小于钢材设计强度290MPa,具有一定的安全储备。