深圳京基东滨时代大厦超限高层塔楼结构设计

侯学凡, 周小伟, 张建军, 张晓波

(深圳市建筑设计研究总院有限公司，深圳 518031)

0 引言

超高层建筑整体稳定性分析、加强层设计及结构转换等是超高层建筑结构设计的重点和难点,近年来,国内有很多超高层项目,不少学者基于实际工程,给出了超高层建筑结构设计的建议及设计经验。王瑞峰[1]等对建筑高度为358m的吴江绿地中心超高层项目塔楼主要结构特点进行了详细阐述,介绍了其结构设计的主要过程以及相关抗震设计方法,重点关注了抗震设计过程中的概念设计,解决了加强层设计、交叉支撑设计以及塔冠结构设计等重点问题。任涛等[2]以地上71层、地下3层的温州国鸿中心为例,通过比选结构加强层设置方案,确定了加强层数量、伸臂桁架及腰桁架的设置方案,采用基于性能的抗震设计方法,针对不同超限情况采取了相应的技术措施。侯学凡等[3]对结构高度为199.5m的深圳京基南约商务中心1栋框架-核心筒结构的结构体系、结构设计重难点及解决措施进行了详细地介绍。此外,还有很多学者[4-10]对不同超高层项目的结构设计要点进行了介绍。

本文以深圳京基东滨时代大厦项目(图1)为例,对其结构体系、结构设计特点等进行介绍。并通过有限元分析软件,对其结构性能进行分析,给出了超限加强措施。

图1 深圳京基东滨时代大厦建筑效果图

1 工程概况

深圳京基东滨时代大厦项目设3层地下室,带4层裙房,塔楼共43层,其中地下1～3层为停车库和设备用房,埋深13m;地上1～4层为商业,层高分别为6、5.1、4.5、4.5m,5～43层为办公楼,其中11、21、31层为避难层,办公楼层高为4.5m,避难层层高为3.9m。项目开发建设用地面积为6527.4m2,总建筑面积为69373.4m2,其中地上建筑面积为54100 m2。

工程设计基准期为50年,结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级,设防烈度为7度,设计地震加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,多遇地震水平地震影响系数最大值取0.08。

2 地基基础

根据地勘报告,塔楼所在场地地形较平坦,稳定性好。根据基础埋深及地质条件,地下室选用强风化层作为基础持力层。拟建场地地下水稳定水位埋深为1.8～4.0m,水位标高为1.11～1.93m,抗浮设计水位定为3.0m,场区地下水对混凝土、钢筋有微腐蚀性。依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[11](简称抗规)及地勘报告,该场地的场地类别为Ⅱ类。经过技术和经济对比分析,塔楼采用灌注桩基础,桩端持力层为中风化砂岩,单轴饱和抗压强度标准值为15MPa。

3 结构体系

塔楼采用框架-核心筒结构体系,核心筒作为主要抗侧力结构,贯穿建筑物全高。周边框架柱通过设置框架梁,形成周边框架。塔楼平面尺寸为33.2m×39.2m,结构高度为194.35m,高宽比为5.85;核心筒平面尺寸为14.5m×14.5m,高宽比为13.4,其中41层以上左、右各缩进1.8m。

3.1 设计参数

项目有关地震参数均按《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[12](简称高规)取值,50年重现期基本风压取0.75kPa;100年重现期风压取0.90kPa;舒适度计算时,风压采用10年一遇的0.45kPa。根据高规第3.3.1条,B级高度框架-核心筒结构建筑高度限值为180m,则塔楼属于超B级高度的超高层建筑[13]。

3.2 结构设计特点

项目典型结构平面示意图如图2所示,相对于常见的矩形框架-核心筒,本项目四角及南北两侧均设有转角,转折处连接形式为L形墙或一字形墙与框架梁平面外相接(图3),此处剪力墙除了承担结构的竖向荷载外,还要考虑剪力墙的平面外刚度,但常用结构计算分析软件难以考虑剪力墙的平面外刚度,易造成边缘构件的配筋计算结果偏小,需进一步对转折处构件进行受力分析。本文将采用杆单元(柱)、壳单元(墙)及“杆-壳”单元在模型中模拟分析,进行包络设计。

图2 典型结构平面示意图

图3 L形墙和一字形墙典型平面图

为满足建筑功能需求,2层取消了大量楼板和外框架与核心筒相连的框架梁,使嵌固端上部外框柱形成跃层柱。通过D+0.5L工况下的屈曲分析和欧拉公式计算,解决跃层柱的两个主要问题,即稳定性问题和确定计算长度系数的问题。

41层东西两侧外框柱均向内收进,需设置托柱转换梁;针对转换结构的整体空间受力特点,按照不考虑上部空腹桁架作用控制,满足大震作用下的结构安全需求。

因建筑功能需求四周楼板无法设置次梁,从而造成楼板跨度较大,且均与平面转角L形墙连接形成阳角,需复核标准层楼板转角处构件受力情况。

3.3 抗震等级及性能目标

塔楼范围内剪力墙、框架柱抗震等级如下:地下3层为三级,地下2层为二级,地下1层至屋顶为一级。

在满足国家、地方规范的同时,根据抗震设计性能化的概念对塔楼进行设计。结构抗震性能目标整体达到抗规性能C的要求,即多遇地震下满足第1水准“完好、无损坏;不需修理即可继续使用”,设防地震下满足第3水准“轻度损坏;一般修理后可继续使用”,罕遇地震下满足第4水准“中度损坏;修复或加固后可继续使用”,结构构件抗震设防性能目标详见表1。

表1 结构构件抗震设防性能目标

4 结构计算与分析

小震、中震、大震地震影响系数分别取0.08、0.23、0.50,采用两个不同力学模型的结构分析软件YJK和MIDAS Gen对塔楼进行整体计算,小震下采用弹性分析,中震下采用抗剪弹性抗弯不屈服、抗剪不屈服抗弯不屈服两种模型,大震下采用大震等效弹性和大震下弹塑性时程分析两种模型。

4.1 弹性计算结果

通过确定结构的布置及计算,判断结构在小震作用下整体稳定性、强度、延性、变形及刚度方面的性能是否能满足抗震性能目标和高规要求。采用YJK和MIDAS Gen软件对结构进行弹性分析,弹性分析采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法(CQC法),并考虑偶然偏心的影响,主要计算结果见表2。

表2 结构弹性分析结果汇总

层间位移角限值采用插值求得,为1/632。经对比可知,两种软件的计算结果基本一致,结构周期比、层间位移角、位移比、刚度比、受剪承载力之比等指标均满足高规要求;刚重比X向小于2.7,需考虑重力二阶效应,结构在两个主轴方向的动力特性基本相近。

为充分发挥外框柱作为第二道防线的作用,按照高规第9.1.11条规定,对外框架柱承担的剪力按0.20V0和1.5Vf,max二者的较小值进行调整[14-15],其中V0为结构底部总地震剪力标准值;Vf,max为框架部分楼层地震剪力标准值中的最大值。设计时,按以下原则建模:1)外框架的一字形墙和L形墙按柱建模;2)外框架的一字形墙和L形墙按墙建模。两者包络设计。

按高规规定,采用弹性时程分析法对结构进行多遇地震下的补充分析,按建筑场地类别和地震分组选用5组天然波和2条人工波。时程分析法与CQC法分析(图4)得到的楼层基底剪力对比结果见表3。从表3中可以看出:各条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于CQC法的65%,小于其135%;各条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于CQC法的80%,小于其120%,满足抗规、高规的要求。X、Y向27层以上楼层,时程分析平均值大于CQC法计算结果,比值在1.05～1.25。施工图阶段对顶部楼层的地震剪力进行调整,根据时程分析结果平均值对CQC法计算结果进行放大。

表3 时程分析法与振型反应谱法分析的基底剪力对比

4.2 嵌固层刚度计算

塔楼嵌固层设在建筑首层(±0.000),采用现浇钢筋混凝土梁板结构,板厚取180mm。首层与地下1层侧向剪切刚度比见表4,侧向剪切刚度比满足抗规第6.1.14条嵌固层刚度比不小于2的要求。

表4 嵌固端刚度及刚度比

4.3 中、大震计算分析

剪力墙按中震抗弯不屈服、抗剪弹性验算,底部楼层墙肢受拉验算,典型墙肢编号见图5。结果表明中震作用下,角部墙肢出现拉应力,但拉应力最大为0.262ftk,远小于混凝土抗拉强度标准值ftk。

图5 典型墙肢编号

剪力墙抗剪承载力验算按底部加强区水平分布筋配筋率0.3%、非底部加强区为0.25%配筋验算,详见表5。中震剪力墙抗剪验算结果表明,按高规要求配置水平钢筋,即可满足中震抗剪弹性要求。

表5 中震剪力墙抗剪验算结果(典型层)

剪力墙抗弯承载力验算按约束边缘构件最小配筋率1.2%、构造边缘构件竖向钢筋配筋率0.8%、过渡层为0.9%配置竖向钢筋,中震剪力墙抗弯验算结果详见表6。结果表明,由中震控制的少量墙边缘构件计算配筋面积小于构造配筋面积,按小震配筋可包絡中震不屈服各组合内力,实现中震不屈服的目标。

表6 中震剪力墙抗弯验算结果

根据高规,大震作用下,主要剪力墙受剪截面应按式(1)验算:

VGE+VEK*≤0.15fckbh0

(1)

式中:VGE为重力荷载代表值作用下的构件剪力;VEK*为地震作用标准值的构件剪力,不需考虑与抗震等级有关的增大系数;fck为混凝土轴心抗压强度标准值;b为墙体截面厚度;h0为墙体截面有效高度。

由计算结果可知,构件均满足大震下的最小受剪截面要求。

采用PKPM-SAUSAGE进行动力弹塑性时程分析,选用了3组地震波(人工波RH1、天然波TH1、TH2)进行时程分析。每组地震波含X、Y两个方向,共6条不同波形的地震波,各地震波输入的地震加速度峰值调整为220cm/s2,每个工况主次方向地震波峰值加速度比为1∶0.85。分析时考虑双向地震波输入。分析结果表明,大部分连梁、部分框架梁首先屈服,作为耗能的主要结构构件;之后核心筒底部个别墙肢出现拉压裂缝,但均未超过混凝土抗压强度标准值,钢筋未屈服,连梁作为耗能构件大部分发生了弯曲屈服;X、Y向最大层间位移角分别为1/198、1/168满足高规要求(限值为1/100)。

4.4 特殊墙体设计

由于建筑平面布局的需要,结构在核心筒外的外框上布置了一些剪力墙,详见图6,这些墙体在受力上有一定的特殊性,需要进一步关注。

图6 核心筒外的外框剪力墙

根据高规第7.1.7条,当一字形剪力墙墙肢的截面高度与墙厚之比不大于4时宜按框架柱进行截面设计,以W5为例,W5长2.2m,低区W5墙厚大于550mm,长宽比小于4,宜按框架柱进行复核,墙、柱建模对比详见表7,其中柱、墙的轴压比限值分别为0.75、0.5。由表7可知,两种方式建模均满足高规要求,整体指标差别在5%以内。剪压比均满足高规要求,配筋均为构造配筋。设计时总体按墙配筋,边缘构件按墙、柱包络设计。

表7 墙、柱建模对比

角部L形剪力墙,受结构整体扭转影响可能较大,应考虑偶然偏心和双向地震作用的不利影响,且没有通过连梁与其他剪力墙平面内相连,难以形成较高的抗侧效率,以中高区400mm厚L形剪力墙W7为例,在不考虑暗柱面外受力的情况下,墙均为构造配筋,此处按照构造配筋对其进行整体受力复核,结果表明此类墙肢以轴向受力为主,弯矩较小,整体承载力富余度较大。

对于剪力墙面外受力问题,结构墙体平面外受力,有以下三种典型情况:1) AZ1:L形墙端部面外受力问题;2) AZ2:核心筒外墙局部面外受力问题;3) AZ3:一字形墙端部面外受力问题。其中AZ1和AZ3构件尺寸等和受力特点较接近,基本可归为一类。

YJK中梁采用杆单元,柱采用以下3种方式建模(图7):1)方式1为采用杆单元建模;2)方式2为按壳单元(墙)建模,墙体面外受力,墙长600mm,被梁单元平分为两个300mm墙段,共3个节点;3)方式3为在方案2的基础上,采用理想刚性杆连接墙顶3个节点。

图7 三种建模方式

分析结果表明,方式2的梁端弯矩比方式1相应值偏小5%～10%,方式3 与方式1的构件内力误差仅仅1%。暗柱以框架柱的形式输入是合适且偏于安全的。

4.5 跃层柱的稳定性和计算长度的分析

为满足建筑效果和使用空间的需要,塔楼在底部存在2层通高大堂,形成2层通高的跃层柱,首层层高6m,2层层高5.1m,总高11.1m。穿层柱共2根,柱截面尺寸为1 000×1 300,内置十字型钢截面尺寸为500×250×45×50,混凝土强度等级为C60,钢材牌号为Q345。

为尽可能准确地模拟边界条件,整体模型带1层地下室,分析工况取D(恒载)+0.5L(活载),详见图8。由图8可知道,D+0.5L工况下,结构整体屈曲因子在20以上,大于广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ/T 15-92—2 021)第5.4.5条给出的限值10。

图8 结构整体屈曲模态

整体模型整体加载前15阶振型均未出现底部跃层柱屈曲,按最低阶整体屈曲模态确定跃层柱屈曲因子[16]为20.9,D+0.5L下的底部跃层柱最大轴力为19 700+0.5×2 690=21 045kN。

根据欧拉公式(式(2)、(3)[17]),求得杆件的计算长度系数μ=0.5 。

(2)

(3)

式中:Pcr为杆件的临界压力值;EI为杆件的抗弯刚度;μ为杆件的计算长度系数;L为杆件的几何长度。

但按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)第6.2.20条的要求,对于底部跃层柱,模型计算时计算长度系数μ取为1.0,对于本工程是偏于保守的。

4.6 转换构件的设计

项目在41层楼面处局部收进,收进尺寸为1.8m,两侧共3.6m,小于总宽度33.4m的25%,不属于体型收进问题,收进后外框柱无法连续,采用托柱转换的方式解决,转换布置详见图9,转换梁上方托换3层结构。转换梁截面尺寸为600×900,近柱端支座梁截面竖向加高,截面尺寸为600×1 900,垂直方向构造梁截面尺寸为400×500。

图9 转换布置图

对于托柱转换结构[18],小震阶段的结构布置和参数取值上采取了以下措施:1)柱与转换梁居中对齐;2)在垂直方向设置构造梁,抵抗柱底传来的转换梁扭矩,考虑对室内使用空间的影响,该梁上翻;3)偏于安全考虑,扭矩折减系数由常规0.4提高到0.6;4)楼板采用弹性膜。

转换结构存在一定的空间整体受力特点,托柱转换属于空间杆系结构,相关构件节点刚接,上下各层存在一定的“空腹桁架“的作用,一般来说在大震作用下,除转换梁外的梁允许屈服,空腹桁架的整体作用将被削弱,因此有必要按照不考虑上部空腹桁架作用进行复核,构件弯矩内力详见表8。

表8 构件弯矩内力

由表8可知,转换梁上部的框架杆端刚度(梁端)折减至20%时,转换梁弯矩将增加5%～25%,大部分增加10%左右。转换梁上部的框架按纯铰接考虑,转换梁弯矩将增加7%～31%,大部分增加比例在15%左右。

楼盖作为“水平隔板”,在平面内提供足够的刚度,有效地传递水平荷载到各个竖向构件,对于转换层的楼盖,应采取比普通楼板更高的措施。

图10为转换层结构楼板在地震作用下的应力云图,从图中可以看出,在托柱部位有轻微的应力集中现象,但上部楼层仅为两层,因此,应力集中问题并不突出,楼板的较大应力依然分布在核心筒开洞周边和阳角区域。因此转换层楼板仅需按规范要求采取构造加强措施,即可满足结构需求。

图10 转换层楼板应力分布图/MPa

4.7 特殊楼板的应力分析

如图6所示,核心筒因楼梯、电梯等建筑功能,存在较多结构开洞,一字形墙和L形墙连接部位存在较多阳角区域,需要进行地震作用下的楼板应力分析,以便找出薄弱部位[19]。

图11为标准层结构楼板在地震作用下的应力云图,从图中可以看出较大应力主要集中在开洞的周边及阳角区域,最大拉应力可达1.6MPa,小于混凝土的抗拉强度值[20],因此,仅需按抗规、高规要求采取构造加强措施,即可满足结构需求。

5 超限加强措施

为保证性能目标实现,并改善重要部位受力性能,提高结构延性,根据性能目标、超限情况及专家组的建议,本工程所采用的构造措施和加强措施如下:1)根据小震时程分析的结果放大高区楼层地震作用;2)垂直方向搭梁的剪力墙,当墙厚小于500mm时,梁下暗柱按框架柱建模,其构造措施按框架柱和边缘构件包络,施工图阶段将暗柱平面外的配筋放大10%;3)垂直方向搭梁的连梁,刚度折减系数取1.0;4)转换梁底筋放大15%,近柱端支座负筋放大10%;5)底部跃层柱计算长度系数偏于保守取1.0;6)个别连梁大震剪压比超限,通过设置交叉斜筋解决;7)结构外框梁存在偏心,采用板加腋做法,在板内布置斜向钢筋与框架梁连接。

6 结语

本文阐述了超高层建筑常用的超限设计方法,对于项目中出现的重难点及关键问题,如特殊墙体、跃层柱、局部转换、特殊楼板等专项设计,本文通过一系列的计算分析,并考虑概念设计,都给出了具体的针对性措施,得以使结构安全可靠、经济合理。