徐州中央国际广场东塔核心筒斜墙收进结构设计

2024-04-01周波,夏乐,左江

建筑结构 2024年5期

周波, 夏乐, 左江

(南京市建筑设计研究院有限责任公司，南京 210014)

0 引言

框架-核心筒结构是超高层建筑中常见的结构形式,核心筒内集中布置设备用房及竖向交通空间,核心筒外有开阔的建筑空间,对于建筑设计十分友好。然而随着楼层的升高,建筑设计对于竖向交通需求减少,同时希望扩大核心筒外的使用空间,因此需要缩小核心筒尺寸。核心筒尺寸收进的常见方法主要有三种:1)区格收进;2)墙体转换收进;3)斜墙收进[1]。

区格收进较为直接,能够快速实现建筑空间和功能的变化,且施工方便,经济性较好,但在收进部位墙体截面尺寸突变,带来应力集中等问题,增加设计难度;采用墙体转换收进,竖向传力方式复杂,转换层设计难度大;斜墙收进方式使核心筒墙体上下连续,抗侧刚度变化较为平缓,经过合理的设计,既能保证结构安全可靠,又能达到理想的建筑效果,但收进过程中,斜墙占用了数层的建筑空间,且施工较为复杂[2]。

本工程受核心筒平面布局所限,采用了斜墙收进的方式,分析收进部位相关结构构件的受力特点,提出相应设计方法。

1 工程概况

徐州中央国际广场超高层建筑为续建项目,原设计由两栋约260m超高层塔楼(东塔和西塔)和一栋高层商业裙房组成[3-4],建筑效果见图1。项目于2012—2013年通过全国超限高层建筑工程抗震设防专项审查和施工图审查,并开始进行了后续的施工建设。项目于2015年停工,其中东塔核心筒部分墙体已建造至14层(68.00m标高),周边框架梁柱施工至9层[5-6]。

图1 建筑效果图

目前,本工程建筑业态和功能调整,其中东塔涉及核心筒斜墙收进,后文仅对东塔设计进行介绍。东塔建筑高度由260m减少为约249m,总层数为62层,1、2层层高为6m,3～8层层高为5.7m,9～12层、35层、48层层高为4.5m,其他各层层高均为3.6m。13层及以上建筑功能修改为酒店式公寓,需将原核心筒尺寸每边收进约2m以获得更大的外部空间,修改前后的核心筒墙体收进平面示意如图2所示。

图2 核心筒墙体收进平面示意图

图3 东塔楼层墙柱布置图

图4 核心筒墙体收进剖面示意图

图5 斜墙受力简图

东塔采用钢管混凝土框架柱+钢梁-钢筋混凝土核心筒混合结构体系,地上62层,结构高度为249.4m,属于高度超B级的超限高层建筑。

东塔结构平面呈三角形(角部切角),三角形高47.4m,低区(首层至10层)核心筒三角形平面高29.4m,高区(13层至屋面)核心筒三角形平面高25.4m。结构高宽比为5.3,低区核心筒高宽比为8.8,高区核心筒高宽比为10.3。东塔典型楼层墙柱平面布置如图 3所示。

东塔核心筒尺寸拟采用斜墙收进的方式,在10～13层逐层向内倾斜收进,累计收进约2m。收进起始标高为50.400m(10层楼面),完成标高为63.900m(13层楼面标高),倾斜斜率为1∶6.75,如图 4所示。

东塔主要竖向构件截面尺寸见表1。墙体混凝土强度等级由底部C60向上渐变至C40,钢管混凝土柱混凝土强度等级由底部C50向上渐变至C40。

表1 东塔主要竖向构件截面尺寸

钢梁、钢管及型钢钢材牌号为Q345。核心筒外围楼板采用钢筋桁架楼承板,核心筒内采用钢筋混凝土现浇楼板,混凝土强度等级为C30。

东塔结构抗震设防类别为重点设防类(乙类),属7度抗震设防烈度区,按7度计算地震作用,按8度要求采取抗震措施。结构抗震等级为一级,钢筋混凝土核心筒抗震等级提高为特一级[7-8]。

结构抗震性能满足小震不坏、中震可修、大震不倒的整体结构抗震性能目标。具体各构件抗震性能目标要求见表2[9]。

表2 结构构件抗震性能目标

2 斜墙收进部位结构初步设计

2.1 受力分析

在核心筒斜墙的底部和顶部(即核心筒外墙竖向转折位置),墙体的轴力将产生水平向的分力,该分力由限制斜墙平面外水平侧移的构件共同平衡。如图 5所示,抗侧移构件包括核心筒内外楼盖、与斜墙平面外相交的扶壁内墙,此外核心筒墙体自身的“环箍作用”也起到限制斜墙底部和顶部的水平变形的作用。

2.2 结构布置方案

针对2.1节受力分析,初步设计应利用和加强一切能够抵抗斜墙发生水平变形的构件,提高该部分结构的冗余度和可靠度。斜墙收进相关楼层结构布置方式如下:

(1)控制斜墙的倾斜角度不至过大,为保持墙体竖向受力的特性,倾斜角度不应超过15°,同时也与斜墙所在楼层位置有关,楼层位置较低时,倾斜角度应控制更加严格。本项目斜墙位置位于塔楼的下部,结合建筑功能,利用三层斜墙内收实现核心筒缩小,倾斜角度约为8.4°。

(2)墙体转折位置产生水平分力,该两层楼板除平面外受弯外,还将承受较大的面内应力,且在转折位置墙体存在向外(10层)或向内(13层)的位移趋势,因此初步设计阶段加厚转折位置楼层楼板,较易满足承载能力设计要求,并在正常使用阶段具有良好的刚度。

(3)加强楼面梁,尤其是核心筒内洞口周边的梁,提高其抗拉和抗压能力。

(4)充分利用核心筒内的建筑隔墙位置设置与斜墙垂直或斜交的结构“扶壁墙”,加墙对斜墙的平面外支撑作用。

(5)加强核心筒外围墙体和连梁,使其自身具有很好的“环箍和支撑”能力。

2.3 结构分析模型

结构计算分析采用YJK和ETABS两种软件,YJK主要用作结构整体计算与设计,ETABS用于同YJK计算结果的对比,并着重对斜墙部分进行补充分析[10-11]。结构整体的主要计算结果见表3。由表可见,结构整体计算的各项主要结果均满足相关规范要求。

表3 结构整体主要计算结果汇总

采用ETABS建立结构整体模型,其中核心筒斜墙收进模型及其局部放大模型如图6、7所示。分别对斜墙收进部位的水平构件(核心筒外框架梁、楼面大梁、楼板,核心筒内的梁板及连梁)、竖向构件(扶壁墙、核心筒斜墙自身)进行受力分析。其中核心筒外框架梁为外围柱间框架梁,楼面大梁为核心筒与框架柱之间的梁。分析工况包括竖向荷载静力工况和地震工况,地震工况需考虑竖向地震作用。

图6 核心筒斜墙收进模型

图7 墙体收进局部放大模型

图8 非震基本组合工况下10层楼板最大主应力云图/MPa

图9 非震基本组合工况下13层楼板最大主应力云图/MPa

3 斜墙收进部位结构构件受力性能和设计方法

3.1 楼板

核心筒斜墙收进起始和终止楼层的楼板,除在平面外承受竖向荷载以外,在面内也承受因墙体平面外转折带来的拉应力或压应力。在ETABS模型中仅对斜墙收进处楼板采用弹性膜单元进行面内受力性能的补充分析。

图 8为非震基本设计组合工况下,10层(斜墙收进起始层)楼板的应力状态。由图可见,核心筒内楼板基本处于双向受拉的应力状态,除局部与墙连接处的楼板出现应力集中外,楼板拉应力基本为1～3MPa。核心筒外楼板主拉应力方向平行于墙面方向(简称环向),相应的主压应力方向垂直于墙面方向(简称径向)。外围楼板拉应力设计值基本小于2MPa,局部与核心筒相邻的楼板拉应力较大,约为3.6～3.8MPa。核心筒外楼板对斜墙具有“环箍作用”。

图 9为非震基本组合工况下,13层(斜墙收进完成位置)楼板的应力状态。由图可见,核心筒内楼板基本处于双向受压状态,角部仍有楼板最大主应力为正值,最大为1.88MPa。核心筒外楼板主拉应力方向为径向,应力值大多未超过2MPa。核心筒右下方墙体内楼板开洞较多,与墙体垂直的扶壁墙相对较少,其向内侧的水平变形稍大,尤其是图中箭头所示位置,该片墙外侧楼板最大主应力较大,最大值为2.64MPa。

综上,10、13层楼板不仅在竖向荷载下将产生弯曲应力,面内还将存在拉压应力,楼板为拉弯或压弯构件,需按该受力状态进行承载力极限状态设计。对于压弯状态,13层核心筒内楼板基本处于双向受压状态且压应力值较小,远未达到混凝土抗压强度设计值;且楼板跨度较小,弯曲应力不明显,核心筒外相关方向压应力水平较低,有利于提高楼板的受弯承载力,因此楼板按照纯弯构件设计是偏于安全的[12];对于拉弯状态,楼板应按拉弯构件进行设计。

考虑竖向地震作用的多遇地震基本组合工况下,10、13层楼板的受力性能与非地震工况类似。除楼板局部应力集中部位外,普遍较非地震工况下的荷载效应基本组合略小,见图10、11。本工程楼板承载力极限状态设计由非地震工况下的荷载效应基本组合控制。

图10 多遇地震基本组合工况下10层楼板最大主应力云图/MPa

图11 多遇地震基本组合工况下13层楼板最大主应力云图/MPa

由图10、11可见,多遇地震基本组合工况下,楼板的面内最大拉应力未超过其混凝土抗拉强度标准值,能够保证正常使用极限状态的要求和楼板的面内刚度,为斜墙在竖向荷载下的正常工作提供条件[13]。

3.2 楼面梁

对于楼面梁的轴力分析,楼板依然采用弹性膜,偏安全地考虑核心筒外楼板损伤退出工作,忽略其面内刚度。

在竖向荷载作用下,10、13层核心筒外楼面梁轴力性能示意见图12。经计算分别给出非地震工况下竖向荷载的基本组合和多遇地震时考虑竖向地震的基本组合,10、13层楼面梁的轴力云图(拉力为正,压力为负)见图13～16。由图13～16可见,10层核心筒内梁主要受拉、核心筒外径向梁受压,柱间框架梁受拉且拉力大小较为接近;13层核心筒内梁主要受压、核心筒外径向梁主要受拉,柱间框架梁轴力很小或出现轴压力。由于东侧墙体向内的水平侧移较大,与其相连的框架梁轴拉力也更大。核心筒外次梁的轴力值很小。

图12 核心筒外楼面梁轴力性能示意图

图13 非震基本组合工况下10层楼面梁轴力云图/kN

图14 多遇地震基本组合工况下10层楼面梁轴力云图/kN

图15 非震基本组合工况下13层楼面梁轴力云图/kN

图16 多遇地震基本组合工况下13层楼面梁轴力云图/kN

为增加对斜墙的约束作用,在10、13层的核心筒内混凝土梁增设钢板,并保证其在拉弯和压弯作用下能够满足承载力极限状态和正常使用极限状态的要求[14],如图17所示。钢板仅用于抵抗轴向拉力,抗弯承载力由梁纵筋和混凝土共同提供。核心筒外围钢梁依据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[15]中第8.1.1和8.2.1条进行拉弯和压弯构件的强度和稳定验算。

图17 核心筒内梁增设钢板

3.3 核心筒外墙及连梁

核心筒外墙及连梁受力分析主要包括墙体和连梁面内水平向内力,分别给出南侧和东侧的计算结果,北侧计算结果与南侧基本对称,见图 18。分析竖向荷载标准组合以及考虑竖向地震的中震弹性组合作用下,不同方向墙体的水平内力,见图19～22。由图19～22可见,核心筒起始收进位置,墙体及连梁表现为水平向受拉,每米最大拉力约为1 910kN(竖向荷载标准组合);核心筒收进完成位置,墙体及连梁表现为水平向受压,每米最大压力约为3 950kN(竖向荷载标准组合)。折算墙体的拉应力约为2.2MPa,未超过墙体混凝土的抗拉强度标准值。设计中考虑在墙体及连梁内埋设钢板,用来承受全部的水平轴力,使其在中震弹性组合下的承载力满足要求。

图19 竖向荷载标准组合下南侧墙体水平内力/(kN/m)

图20 中震弹性组合下南侧墙体水平内力/(kN/m)

图21 竖向荷载标准组合下东侧墙体水平内力/(kN/m)

图22 中震弹性组合下东侧墙体水平内力/(kN/m)

图23 扶壁墙编号

图24 扶壁墙竖向应力及应变

图25 扶壁墙水平正应力

图26 扶壁墙内型钢设置

图27 楼层侧向刚度比

图28 核心筒墙体平均压应变

综上,设计时在核心筒外墙角部、墙肢端部以及与扶壁墙相交处内置型钢柱;在连梁标高处设置钢板“环箍”核心筒外墙,钢板与型钢柱连接后形成整体,进一步增强核心筒外围墙体自身的刚度。设置型钢柱亦有利于减小斜墙的轴压比,增大延性。

3.4 扶壁墙

结构布置中,已在每片斜墙内侧布置与其平面垂直或斜交的扶壁墙,布置图及编号如图 23所示。

以向内侧移较大斜墙处的扶壁墙Q7、Q8为例,分析其受力性能。在竖向荷载和考虑竖向地震的中震弹性组合下,扶壁墙的竖向应力及应变如图 24所示。由图可见,墙体处于偏心受压状态,压应力最大位置在斜墙收进起始层楼面处,两种工况组合下最大压应力值分别为21、26.4MPa,相应的压应变为0.00058、0.00072。最大压应力位于扶壁墙端部,未超过混凝土抗压强度设计值,混凝土处于弹性受压状态[16]。

在竖向荷载标准组合及中震弹性组合下,扶壁墙的水平正应力如图 25所示。由图可见,在斜墙收进起始层楼面处水平受拉,在斜墙收进结束层楼面处水平受压。竖向荷载标准组合下,扶壁墙最大拉应力为3.1MPa,已超过墙体混凝土抗拉强度标准值。为控制裂缝,墙体内增设钢筋及钢板抵抗水平拉力及控制墙体竖向裂缝宽度。

扶壁墙(Q1～Q11)的应力汇总见表4。由表可看出,墙体竖向受力状态良好,在考虑竖向地震的弹性设计组合下,最大压应力均未达到混凝土抗压强度设计值。设计时,在扶壁墙端部截面内埋设型钢柱进一步加强。墙体在斜墙收进起始层楼面附近仍受到较大的水平拉应力,在墙体中竖向间隔配置钢板,当含钢率达到2.5%时,上述墙体的受拉承载力和裂缝宽度均满足要求。扶壁墙型钢柱及水平钢板布置方案见图 26。

表4 扶壁墙受力计算结果

4 斜墙段结构整体设计指标分析

4.1 抗侧刚度

对框架-核心筒结构,楼层与其相邻上层的侧向刚度比γ2可按下式计算[17]。

式中:γ2为考虑层高修正的楼层侧向刚度比;Vi、Vi+1分别为第i层和第i+1层的地震剪力标准值;Δi、Δi+1分别为第i层、第i+1层在地震作用标准值下的层间位移;hi、hi+1分别为第i层、第i+1层的层高。

本层与相邻上层侧向刚度的比值不宜小于0.9;当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时,该比值不宜小于1.1;对结构底部嵌固层,该比值不宜小于1.5。

将以上刚度比值换算为1,并对各楼层刚度比按以上原则统计,见图 27。由图可见,各楼层侧向刚度比均满足要求,结构沿竖向抗侧刚度均匀变化,斜墙段抗侧刚度逐渐减小,未出现刚度突变。

4.2 竖向荷载下变形特征

核心筒收进部位在竖向荷载作用下的变形特征主要表现在竖向和水平变形方面。

(1)竖向变形

对7～17层核心筒墙体的竖向位移进行统计,获得核心筒的竖向平均位移,进而得到各层墙体的综合竖向压应变,如图 28所示。由图可见,随着核心筒的收进,楼层竖向应变明显增大,在收进完成后的第13～14层达到最大值,此后墙体应变值随楼层升高而减小。

由于斜墙倾角较小,且采取了相应的加强措施,核心筒的竖向刚度连续性较好,大于其上部楼层,未出现因斜墙而产生的竖向抗压刚度较小的软弱层。

通过对2007年国际博协对博物馆的定义分析，从定义中可以了解到博物馆的基本业务目的是“征集、保护、研究、传播、展出”，而博物馆经营的各种业务活动也都应以教育为基础，要将 “教育、研究、欣赏”等目的得以实现。这就要求博物馆内的各项工作需要积极主动的协调配合，使博物馆的教育专长得到充分发挥，使博物馆的教育潜能得到最大程度的挖掘，使博物馆的社会服务工作得到更好的开展，从而是博物馆的社会效益得到最大化的提高。

(2)水平变形

竖向荷载标准组合下,10、13层核心筒外墙主要墙肢节点位置的水平变形及方向(箭头所示)如图29所示。由图可见,10层核心筒向外侧变形,变形量较小,最大值不超过1.30mm。13层墙体变形较为复杂,右侧墙体向内变形,最大值为2.28mm,其他墙体均向左上角发生变形,最大值为1.46mm,产生这种现象是核心筒平面形状非双轴对称所致。

图29 竖向荷载标准组合作用下墙肢节点水平变形/mm

图30 核心筒底部加强区及斜墙段损伤情况

上述墙肢的水平变形值较小,约为层高的1/4 000,表明斜墙在水平方向处于较好的约束状态。

4.3 罕遇地震下斜墙抗震性能

采用SAUSAGE软件对结构进行罕遇地震作用下动力弹塑性分析。混凝土本构关系选用弹塑性损伤模型,该模型可较准确反映混凝土材料在各向拉压条件下的屈服准则、受拉软化行为、受压硬化及软化行为、刚度及强度退化等力学特征。SAUSAGE中的墙板使用的混凝土材料是二维塑性损伤本构模型[18]。对于圆形钢管混凝土柱,考虑到钢管对内部混凝土将起到套箍作用,混凝土材料的抗压强度将得到明显提高,因此钢管内混凝土材料模型参考常用的Mander理论[19-20]。

结构重要构件的单元类型为:钢筋混凝土梁、柱采用纤维梁单元模型;边缘构件、连梁纵筋采用杆单元模型;楼板和剪力墙采用三角形或四边形的分层壳单元模拟。钢筋混凝土柱、梁的性能评估指标见表5。