天津中海城市广场(四期)344m超高层主塔结构设计

2023-08-18王明星王石磊符国勇蒋俊杰翟文博

建筑结构 2023年15期

关键词：外框斜柱楼面

王明星, 王杨, 王石磊, 符国勇, 蒋俊杰, 黄河, 翟文博, 陈超

(1 中海保利达地产(天津)有限公司，天津 300160；2 中海企业发展集团有限公司，深圳 518000；3 宋腾添玛沙帝建筑工程设计咨询(北京)有限公司，北京 100004)

1 工程概况

天津中海城市广场(四期)主塔位于天津市河东区,总建筑面积约18万m2,地下4层、地上71层,建筑高度344m,结构主屋面高度325.7m。塔楼效果图如图1所示。建筑主要功能为办公,塔楼与裙房设缝脱开。典型平面布置如图2所示。

图1 塔楼效果图

图2 塔楼典型结构平面图

建筑抗震设防类别为乙类[1],设防烈度为8度(0.2g)[2],设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类,特征周期为0.62s。50年一遇的基本风压为0.5kPa[3],地面粗糙度类别为C类[4]。

2 结构方案选型

方案阶段主要对三种结构体系进行比选:方案1为巨柱框架-核心筒方案(8柱),方案2为框架-核心筒(14柱),方案3为密柱框架-核心筒(44柱)[5]。三种结构体系都是300m以上高度常见的结构体系,均具备较高的结构抗侧力效率,且在8度区都有应用案例。通过计算分析,三种结构体系从结构方案角度均可行,综合结构体系对建筑的适用性、结构合理性、经济性以及施工难易程度等方面对方案进行多维度的评估,如表1所示,最终选定方案3,即密柱框架-核心筒(44柱)为实施方案。

表1 三种结构方案评估

如图3所示,塔楼结构体体系为环带桁架+密柱框架-核心筒。外框密柱框架采用型钢混凝土柱和钢梁,典型柱距为4.5m,每侧10根柱,四周框架柱从4层开始沿顺时针整体倾斜,以适应外立面的造型要求,框架柱尺寸从底部1 500×1 500逐步减小至1 000×800。核心筒为钢筋混凝土核心筒,在中高区分别有两次收进,外墙厚度从底部1300mm减小至500mm,内墙厚度由750mm减小至300mm。在40、50、61层设置有3道环带桁架,环带桁架布置如图4所示。

图3 塔楼结构体系组成

图4 环带桁架布置

3 倾斜外框密柱框架设计

3.1 建筑外立面设计特点

建筑外立面幕墙竖梃每4层沿顺时针方向整体错动550mm,整体外观呈现螺旋上升的形式,如图5所示。经多方案比选,除底部1～8层为直柱外,结构外框柱采用斜柱的形式隐藏在错动的竖梃后方,四个面的斜柱角度均为1.75°,从而实现理想的建筑效果。

图5 外框柱与竖梃的关系

3.2 倾斜密柱框架的结构受力特点

和一般直柱框架相比,斜柱框架的受力有以下几个特点:

(1)对于单榀斜柱框架,柱轴力沿着柱轴线方向传递,当柱倾斜时,柱轴力会产生水平分力,此水平分力会带来额外的柱底弯矩;柱轴力水平分力会使框架在重力作用下产生顶点水平位移,柱底弯矩会随之进一步放大,即二阶效应。当附加弯矩的比例不超过10%时,倾斜密柱框架的稳定性可以得到保证。

(2)当斜柱框架与楼板、核心筒整体考虑时,其重力下的传力路径仍有不同于一般直柱框架的特点:1)外框柱沿外立面平面内倾斜约1.75°,轴向力会有水平分量,其大小为轴力的3%;与直柱相比,柱轴向力的增量非常小,仅为0.47%。2)斜柱轴力的分布与直柱基本一致,各层柱水平分力大小与本层的柱轴力增量即本层的楼面荷载与自重的大小有关。3)柱水平分力的传递路径有两条:通过楼板传递至核心筒,然后传递至基础;通过下部框架抗弯直接传递至基础。两条路径分别传力多少,取决于两条路径的刚度相对大小。

(3)外框柱的倾斜方向为沿着立面顺时针方向,沿着外立面形成力的环流通过楼板传递至核心筒,形成了核心筒的扭矩外力。设计时,先假设楼板和墙体为无限刚体,估算出各层墙体扭矩的理论最大值。再通过分析得到不同楼板刚度下核心筒受到的实际扭矩,就可以判断出两条传力路径中的主要路径。具体分析结果如图6所示。可以看到,当楼板采用25%刚度和100%刚度假定时,大部分的柱水平分力都传递至核心筒,不同楼板刚度假定下差异很小,剩余小部分的力由外框抗弯承担。

图6 外框柱水平分力的分配

(4)9层为斜柱起始楼层,重力荷载作用下产生的楼板应力最大,从概念上布置楼面斜撑来传递水平力。

3.3 倾斜密柱框架的结构设计和验算

结合以上特点,外框在竖向荷载作用下的验算包含以下内容:外框柱抗压弯承载力验算;核心筒抗扭承载力验算;9层楼板抗剪验算及楼面斜撑验算;外框梁栓钉承载力验算。

3.3.1 外框柱抗压弯承载力验算

在竖向荷载作用下,不考虑楼板作用,即柱轴力水平分量全部由框架承担。地震作用下,对小震、中震、大震作用下的外框柱按照表2设置抗震性能目标。经计算,柱承载力满足各项性能目标要求[5-6]。

表2 外框柱的抗震性能目标

3.3.2 核心筒抗扭承载力验算

柱水平分力通过楼板传递至核心筒形成扭矩。在核心筒外翼墙产生附加剪力。经分析,在扭矩最大的9层,扭矩产生的名义剪应力与墙体抗剪承载力0.25fc[7]的比值为0.055。如图7所示,墙体应力结果在非应力集中区,墙体剪应力为0.38MPa< 0.7ft=1.43MPa(0.7ft为抗剪承载力)。综上,斜柱产生的附加扭矩对核心筒抗剪承载力影响很小。

图7 9层及其上下层墙体应力/MPa

3.3.3 9层楼板抗剪验算和楼面斜撑验算

9层为斜柱起始楼层,楼板剪应力最大。竖向荷载作用下,楼板在标准组合(1.0恒载+1.0活载)下剪应力如图8所示,9层最大剪应力为0.42MPa,为抗剪承载力0.7ft的35%。

图8 9层和相邻两层标准组合下楼板剪应力/MPa

为实现水平传力的二道防线,当不考虑楼板刚度时,在9层楼板下部设置楼面斜撑,斜撑杆件采用φ300×16的钢管,其布置如图9所示。斜撑按照中震不屈服和大震极限的性能目标要求进行设计。计算结果表明,附加的楼面斜撑满足预设性能目标。

图9 9层楼面斜撑布置

3.3.4 外框梁栓钉承载力验算

柱水平分力通过外框钢梁顶部的楼面栓钉传递至楼板。外框梁栓钉按等强原则设计,即栓钉的抗剪承载力不小于楼板的抗剪承载力。经过验算,当布置双排φ19栓钉、间距200mm时,其抗剪承载力为710kN/m,远大于楼板按标准强度算得的抗剪承载力368kN/m,满足设计要求。

在合理控制外框柱倾斜角度时,斜柱引起的水平附加扭矩或水平分力有限,通过对斜柱起始楼层的楼盖设置楼面斜撑,可确保外框斜柱与核心筒的整体受力。

3.4 高区斜柱转换设计

因建筑效果需要,在41层以上平面西北侧进行“斜切角”,切角区域保留3根框架斜柱转换,并将斜柱的倾斜角度控制在10°,以控制斜柱引起的水平力不至于过大。在斜柱起始层41层通过增加楼面斜撑将斜柱水平力传递至核心筒,并对与斜柱相连的楼面梁和斜撑按照“大震不屈服”的性能目标进行验算。在核心筒墙体内设置构造型钢与承担水平力的斜撑或楼面梁连接,并将墙体水平构造配筋率提高至0.5%左右,再结合实际剪力进行包络设计。

4 核心筒设计

核心筒在44层和52层有两次收进,筒从底部至44层外轮廓尺寸为27m×32m的矩形。44层西侧电梯取消,外轮廓尺寸变为23m×32m,在52层核心筒南侧收进3.2m,外轮廓尺寸变为27m×27.5m。如图10所示。

在44层,核心筒外侧翼墙收进,内侧翼墙延伸,无墙体转换;在52层,核心筒采用斜墙过渡的收进方式收进。在各收进处对楼板应力、斜墙区段腹墙的剪应力进行了检查。对斜墙起始楼层的楼板加厚至200mm,并考虑楼板折减后对起始层的楼面梁进行验算,保证二道水平传力路径。

核心筒底部楼层在中震作用下存在拉应力,综合考虑《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)[8]和《天津市超限高层建筑工程设计要点》(2016年版)[9]的建议要求,对墙体中震作用下的拉应力验算按照以下原则进行复核和采取措施:1)中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力小于1.5倍混凝土抗拉强度标准值ftk时,采用钢筋承担拉力;2)中震时双向水平地震下墙肢全截面由轴向力产生的平均名义拉应力大于1.5倍混凝土抗拉强度标准值ftk时,设置型钢;3)当全截面含钢率超过2.5%时,全截面平均名义拉应力限值按比例放松。

计算结果表明,不配置型钢时,个别墙肢最大拉应力达到3.9ftk,大部分墙肢拉应力位于2.5ftk以内,墙体最大型钢配钢率为4.1%,大部分位于3%以内。

5 基础设计

语言分析与应用中，不同的人其表达方法与方式不同，但一定程度上，语言应用与作品意境解析能力，是个体文学修养的充分反映。例如经常讲到的，文学修养高的人，秋天夕阳下，看到湖边的鸟，其可能会讲到“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的意境深远的经典诗句；如果没有文学修养，那么其也就只能有“好多鸟啊，好漂亮的风景啊”的表达。两者之间的差距是非常明显的，因而语言应用与意境解析，是个人文学修养的全面体现。

桩基础布置方案如图11所示。总桩数为334根,其中核心筒下222根、外框下112根。筏板厚度为3.5m,核心筒下加厚至4.5m。