厦门国际银行总部大厦框架-弱连接双核心筒超高层结构方案选型*

张万开, 甄 伟, 张龑华, 盛 平, 王 可, 李 伟, 慕晨曦

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

厦门国际银行总部大厦位于厦门岛屿东部,塔楼总建筑面积约8万m2,地下建筑面积约3.5万m2,建筑屋檐高度为210m,主要屋面结构高度为196.5m,建筑平面呈圆形,外轮廓直径约51.5m,核心筒布局呈圆形,直径约28.5m。塔楼地上47层,地下3层,首层层高为7.8m,标准层层高为4.2m,1、2层局部12m通高,主要功能为办公。塔楼沿竖向设置三个避难层,分别位于12、23、34层。塔楼建筑效果图如图1所示,塔楼建筑首层平面及剖面如图2所示。

图1 塔楼建筑效果图(ⓒgmp建筑师事务所)

图2 塔楼建筑首层平面及剖面

2 结构特点

塔楼抗震设防烈度7度,设计基本地震加速度0.15g,设计地震分组第三组,场地类别Ⅱ类。塔楼采用典雅的圆形造型,布置了多段宏大的通高中庭,建筑师通过大量的开洞布置实现了通透、灵动的建筑效果,同时也给结构设计带来了诸多挑战。

2.1 外框柱数量少柱距大

为获得良好的办公平面布局和通透的视觉采光效果,塔楼平面仅布置8根隐藏于外幕墙折角区的结构柱,柱中心距达17m,如图3所示。同时,为满足建筑净高要求,外框柱间框架梁高度不能超过1m,导致结构外框整体抗侧刚度偏弱。

图3 典型建筑和结构平面布置

2.2 外框不连续

塔楼布置的多处通高中庭为本项目亮点。为保证建筑效果,通高中庭处塔楼外框柱间不能设置框架梁,导致通高中庭处塔楼外框不连续,如图4所示。通高中庭自下而上分布于南侧(低区1～11层)、东侧和西侧(中区13～22层和高区24～33层)。避难层(12、23、34层)楼层顶部和底部楼盖完整,将通高中庭划分为三段。35层及以上楼层平面由圆形平面在四个象限切角转变为八边形布局,外框保持连续。

图4 外框不连续分布位置

2.3 楼板不连续

塔楼核心筒外设置多处通高中庭,同时核心筒呈两个半圆形布置,两个筒体之间的楼板多处开洞,楼板开洞面积约占总平面面积的18%,最不利位置的楼板有效宽度约15.4%,楼板不连续。楼板不连续楼层分布与中高区中庭通高楼层数相同,如图5所示。

图5 楼板不连续位置示意

2.4 筒间连系弱

塔楼核心筒呈两个半圆的双筒布置,东西两端为圆弧梁连接,梁跨度约10m,受建筑净高限制,梁高不大于800mm。核心筒相对的内侧布置竖向通高电梯井道(图6),同时两个核心筒之间的楼板在对应通高中庭楼层有开洞,双筒之间仅靠两端弧形梁和筒间剩余的梁和楼板相连,筒间连系弱,水平力传递能力较差。

图6 筒体电梯井道布置

3 整体结构方案选型

如第2节所述,塔楼存在外框柱数量少柱距大、外框不连续、楼板不连续、筒间连系弱等特点,塔楼抗侧力结构体系存在固有缺陷。结构设计思路为采取有效措施提高结构整体性。方案设计中考虑了两种结构方案,方案一是加强外框柱,同时设置多道结构加强层,形成巨型框架-核心筒结构[1-2],方案二是加密外框柱,增强外框抗侧能力,并设置若干加强层,提高内外筒协同抗侧能力,形成外框不连续的非典型框架-核心筒结构[3-4]。

3.1 巨型框架-核心筒方案

外框柱为8根钢管混凝土柱,柱直径加大至2 200mm,利用三个避难层和屋顶设备层设置四个结构加强层,每个结构加强层均设置环带转换桁架和8榀伸臂桁架,提高外框整体抗侧能力和内外筒协同抗侧作用。巨型框架-核心筒结构方案抗侧力体系构成如图7所示。

图7 巨型框架-核心筒结构抗侧体系

建筑方案追求使用空间内的通透效果,希望加强层之间的重力柱截面尺寸尽可能小,传统的上抬柱需考虑稳定控制要求,截面尺寸较大,而采用向下悬吊的方式,截面尺寸由强度控制,尺寸可以做到比较小,因此在加强层之间设置重力吊柱,通过重力吊柱将加强层下部楼层的荷载传递至加强层环带桁架并传递至外框柱。塔楼竖向荷载传递路径如图8所示。

图8 巨型框架-核心筒结构竖向力传递路径

3.2 外框不连续的非典型框架-核心筒方案

在平面非通高中庭区域增加框架柱,外框柱数量由8根增加至12根,如图9所示。同时在结构中上部(23、34层)设置两道结构加强层,加强层设置环带桁架和4榀伸臂桁架(沿两个半圆相对方向),提高外框整体抗侧刚度和内外筒协同抗侧作用。结构抗侧力体系构成如图10所示。

图9 外框柱加密位置示意

图10 非典型框架-核心筒方案抗侧体系

3.3 结构整体方案对比

方案设计阶段考虑了巨型框架-核心筒结构和非典型框架-核心筒结构两种方案,对比两种方案的整体计算指标如表1所示,最大层间位移角限值为1/625。楼层地震作用下层间位移角分布曲线对比如图11所示。

表1 两种结构方案主要指标对比

图11 两种结构方案层间位移角曲线对比

由表1及图11对比结果可知,两种结构方案基本自振周期相近,主要计算指标均可满足《高层建筑混凝土结构技术规范》(JGJ 3—2010)的要求。巨型框架-核心筒结构的外框柱地震剪力比例略大于非典型框架-核心筒结构,而地震倾覆力矩比例显著小于后者,说明外框柱数量对地震倾覆力矩的分担比例影响较大。

两种方案的经济性指标、外框柱尺寸及建筑效果对比如表2所示。

表2 两种结构方案经济性指标及建筑效果对比

综合考虑建筑效果及机电布置要求,采用非典型框架-核心筒结构方案,并在方案深化过程中取消了增加的4根框架柱,实现室内空间无柱,最大程度匹配建筑通透的效果。

4 结构加强方案选型

塔楼核心筒平面为两个半圆形对称布置,筒体之间超过50%的楼层开大洞,仅靠端部弧梁和电梯井道薄墙肢相连,连系较弱;同时在平行中筒连接的方向,外框梁在13～22层、24～33层均不闭合,形成非典型的框架-核心筒结构。结构在50%左右的楼层表现为接近两个单塔的情况,因此加强两个单塔之间的连系,提高结构整体性是结构设计从现有条件自然形成的思路。结构平面弱轴方向(Y轴)刚度不足,层间位移角不满足规范要求,而结构强轴方向(X轴)刚度较富余,因此加强层在弱轴方向设置加强构件。结构加强构件通常可设置伸臂桁架、环带桁架[5-7],本项目核心筒呈弱连接双筒的特点,设置筒间桁架,增强两个半筒之间的连系,也可以提高结构抗侧刚度。

4.1 加强层构件类型选型

结合塔楼平面特点,加强层加强构件类型可考虑伸臂桁架、环带桁架和筒间桁架,各类加强构件的布置示意如图12所示。

图12 不同类型加强构件布置示意

开展了加强构件敏感性分析,考察加强层设置伸臂桁架、环带桁架和筒间桁架对结构第1阶平动周期(Y向平动)和Y向最大层间位移角的影响,结果如表3所示。

表3 加强层设置不同加强构件对比

分析结果表明,设置伸臂桁架对提高结构侧向刚度、减小结构层间位移角效果最显著,环带桁架次之,筒间桁架效果最小。但伸臂桁架存在两方面的问题,在本项目中不予采用。

(1)伸臂桁架布置存在固有缺陷

由于核心筒呈分离的两个半圆布置,南北两端的伸臂桁架无法实现弦杆贯通相连。由于伸臂桁架对位的核心筒墙肢厚度较小(最厚500mm),伸臂桁架的弦杆伸入墙内后,需要做加腋处理,施工处理较为复杂;另外,由于伸臂桁架与核心筒墙肢斜交,进一步加剧了伸臂连接节点的复杂程度并降低了伸臂效率,如图13所示。

图13 伸臂桁架布置缺陷示意

(2)伸臂桁架影响机电专业使用空间

伸臂桁架垂直穿越避难层设备机房和变配电室,对专业房间功能使用影响极大,同时伸臂桁架下弦截面高度较大,对避难层下一层的标准层净高影响较大。

从结构概念上分析,加强层设置环带桁架和筒间桁架,对结构存在的外框不连续、筒间连系弱的缺陷起到了针对性加强,从而提高结构整体抗侧刚度。加强层采用环带桁架和筒间桁架作为加强构件,并在筒间桁架所在跨的顶底设置楼板平面内交叉支撑,与同跨的筒间桁架和环带桁架形成四面带斜杆的空间桁架,进一步加强结构的整体作用,如图14所示。

图14 连接体空间桁架

4.2 加强层方案比选

对于超高层结构而言,不同高度设置加强层对结构整体受力性能的影响程度不同,因此有必要开展加强层位置敏感性分析[8-10],考察不同部位的加强层对结构整体性的影响。建立了如图15所示的8个分析模型,如果筒间楼板有开洞,则剩余的筒间楼板均删除;如果加强层不设置连接体空间桁架,则将筒间楼板和同跨的外框楼板均删除,以考察极端情况下结构的侧向变形情况。

图15 不同加强层设置分析模型

考察Y向平动周期、地震作用工况和风荷载工况下Y向层间位移角分布情况如表4和图16所示。

表4 不同加强层设置方案结构Y向平动周期对比

图16 不同加强层设置方案结构层间位移角分布

由表4和图16可知,在第二避难层设置结构加强层对结构整体性的作用最为显著,是最为关键的加强层部位。结构变形曲线最大部位出现在第二避难层附近楼层,该区域结构通高中庭打断外框梁,同时两个半圆形核心筒之间楼板存在大开洞,在这个区段结构近似为两个单塔,整体性最差,因此在最薄弱的部位设置加强层,效果也最显著。

为了进一步直观评估加强层对结构的整体性作用,对图17所示三个模型开展大震动力弹塑性分析,考察两个半圆核心筒之间的相对位移差。以三个加强层之间的中间楼层(10、18、29层)为考察部位,提取两个半筒中间点的位移时程,考察其相对位移情况,如图18所示。各楼层测点相对位移最大值如表5所示。

表5 各楼层测点相对位移最大值/mm

图17 动力弹塑性分析模型示意

图18 18层测点相对位移时程曲线

由图18和表5结果可知,顶部楼板对协同两个半筒变形具有较好作用;而在保留顶部楼板的基础上,设置三个加强层后,结构整体性得到了进一步提升,两个半筒之间的相对位移差很小。

综上所述,通高中庭打断结构外框梁以及两个核心筒之间开洞造成结构近似两个单塔的区段(13～33层),在三个避难层设置加强层从而在该区段的顶部、中部及底部形成强连接,可有效改善结构在该区段整体性差、刚度弱的缺点,显著提高结构整体抗侧能力,结构效率大大提高。加强层显著增强了所在楼层的结构刚度,设计中通过控制加强构件的截面尺寸,在满足结构侧向刚度需求的前提下,尽可能减小加强层引起的刚度突变程度,初步分析表明设置加强层后,其下一层与加强层的侧向刚度比最小约为0.88,略小于规范限值0.90,设计中对相应楼层采取地震剪力放大等相应加强措施。

5 结构方案介绍

综合第4节比选结果,最终采用在三个避难层均设置外框环带桁架和连接体空间桁架,并在屋顶机房层设置筒间桁架的方案,如图19所示。方案比选初步分析结果表明结构刚度有一定富余,结合建筑平面布局和效果要求,在方案深化中取消加密外框柱,恢复为8根外框架柱,框架柱直径由1 800mm加大至2 000mm,外框梁截面高度由800mm加高至900mm。

图19 塔楼结构体系及加强层设置

外框柱采用圆形钢管混凝土柱,柱截面从φ2 000×70逐渐收进至φ1 600×30。外框环向梁截面为H900×600×18×40。环带桁架弦杆截面为H1 000×700×30×50、H1 000×600×30×40、H1 000×400×30×40,斜腹杆采用箱形截面□450×450×30×30和□400×400×30×30。筒间桁架上下弦采用钢骨混凝土梁,腹杆采用钢结构箱形截面。环带桁架和连接体空间桁架均按中震弹性性能目标控制。核心筒剪力墙外墙厚度1 000mm向上逐渐减薄至400mm,内墙厚度自底部500mm向上逐渐减薄至300mm。

针对本项目存在的不规则项情况,结合超限审查专家意见,设计中采取了以下加强措施和针对性分析:1)双筒间开洞楼层的楼板设置水平支撑桁架,进一步加强两个筒体的协同作用;2)环带桁架和筒间桁架承载力验算时,与桁架弦杆相连楼板均取有楼板和无楼板两种工况进行包络设计;整体分析中筒间开洞楼层的筒间部位取有楼板和无楼板进行包络设计;3)与筒间桁架相连的核心筒墙肢承受桁架上、下弦杆传递的水平力作用,采用在墙肢内设置钢骨和筒间桁架延伸入墙的加强措施提高该部位墙肢的承载能力和抗震延性。同时针对项目中存在的局部楼层扭转位移比超限、局部大堂穿层柱和底层受剪承载力突变的情况,分别采取了考虑偶然偏心地震和双向地震包络计算、提高穿层柱性能水平、底层地震剪力放大等措施,保障结构安全。

6 结语

厦门国际银行总部大厦为框架-弱连接双核心筒超高层,建筑沿竖向设置多段通高中庭,结构外框不连续、核心筒呈双筒布置且筒间连系弱,设计中针对这些特点开展方案选型研究。

(1)比选了巨型框架-核心筒结构和外框不连续的非典型框架-核心筒结构两种方案,两种方案主要计算指标均可满足规范要求。在两种方案刚度基本接近的情况下,巨型框架-核心筒结构钢结构用量相对较低,但结构实施难度较高,且对机电专业使用影响较大。综合各方面因素后,确定采用非典型框架-核心筒结构,实现室内空间无柱,最大程度匹配建筑要求的通透效果。

(2)开展了加强层加强构件类型敏感性分析,加强构件采用环带桁架和筒间桁架,不设置伸臂桁架,并在筒间桁架所在跨顶底楼板设置水平支撑,与同跨的筒间桁架和环带桁架形成四面均带支撑的连接体空间桁架,进一步提高结构整体性。

(3)对加强层设置位置进行了敏感性分析,结果表明在结构变形最大的第二避难层附近楼层设置加强层对提高结构侧向刚度效果最明显,该位置也是结构最薄弱的部位,并且至少在第二、三避难层设置加强层才能满足结构侧向变形要求。

结构采用在三个避难层设置环带桁架和连接体空间桁架,并在屋顶机房层设置筒间桁架的方案,结构的各项指标均可满足要求,较好满足了机电专业使用要求,同时实现了通透、简洁的效果。