325m高淮安雨潤中央新天地超高層結(jié)構(gòu)選型
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魏豐登， 陳浩
（上海聯(lián)創(chuàng)建筑設(shè)計有限公司，上海200093）
[摘要] 超高層建筑結(jié)構(gòu)常采用伸臂桁架或環(huán)帶桁架來提高其自身剛度。結(jié)合具體工程項目，通過對框架·核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)置伸臂桁架或環(huán)帶桁架加強層數(shù)量及位置的研究，分析伸臂桁架和環(huán)帶桁架提高框架一核心筒結(jié)構(gòu)剛度的效率。分析結(jié)果表明，伸臂桁架提高框架一核心筒結(jié)構(gòu)剛度的效率高于環(huán)帶桁架；當(dāng)僅設(shè)置環(huán)帶桁架加強層時，環(huán)帶桁架位于0.7倍結(jié)構(gòu)高度時最為有效，設(shè)置于結(jié)構(gòu)高區(qū)時提高結(jié)構(gòu)剛度的效率大于設(shè)置于結(jié)構(gòu)低區(qū)時，隨著環(huán)帶桁架加強層數(shù)量增加其對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻效率快速下降。根據(jù)分析結(jié)果，最終采用鋼管混凝土鋼框架一鋼筋混凝土核心筒一環(huán)帶桁架混合結(jié)構(gòu)體系。
[關(guān)鍵詞] 混合結(jié)構(gòu)；伸臂桁架；環(huán)帶桁架；加強層
1 工程概況
淮安雨潤中央新天地位于江蘇省淮安市，由1幢地標(biāo)塔樓、3幢超高層住宅塔樓和商業(yè)裙房組成（圖1）。地標(biāo)塔樓地上68層，結(jié)構(gòu)高度約299m，建筑高度325m，功能為辦公、公寓等，典型層高為4.5，3. 8m，其中9，23，36，49，63層為避難層和設(shè)備層；超高層住宅地上39~40層，結(jié)構(gòu)高度約140m；裙樓地上7~9層，屋面高度33. 500~47. 500m;地標(biāo)塔樓、超高層住宅及裙房均設(shè)4層地下室。裙房與主體塔樓地上通過防震縫分為獨立單體。項目總建筑面積約50萬m2。
本地標(biāo)塔樓的結(jié)構(gòu)安全等級為二級；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；建筑工程抗震設(shè)防分類為標(biāo)準乙類；抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計基本地震加速度為0. lOg，特征周期為0. 50s；多遇地震、設(shè)防烈度地震下阻尼比取0. 04；框架、核心筒剪力墻抗震等級均為特一級。
50年一遇基本風(fēng)壓為0. 40kN/m2，100年一遇基本風(fēng)壓為0. 45kN/m2；場地地面粗糙度類別為C類，風(fēng)荷載通過風(fēng)洞試驗得到，體型系數(shù)約為1. 38～1.41。
根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡稱高規(guī)），鋼筋混凝土核心筒一鋼框架混合結(jié)構(gòu)體系在7度區(qū)最大適用高度為190m，本地標(biāo)塔樓結(jié)構(gòu)超出高規(guī)限值109m，超出約57%，屬于超限高層建筑，需要進行超限高層抗震設(shè)防專項審查，本項目已一次性通過全國抗震超限高層抗震設(shè)防專項委員會的審查，委員會沒有提出修改建議。
2 結(jié)構(gòu)體系選型及分析
本地標(biāo)塔樓結(jié)構(gòu)平面呈等邊切角三角形，邊長約為42m，核心筒平面也為等邊切角三角形，邊長均為26. 2m，核心筒面積為522m2，占建筑面積24. 8%，核心筒高寬比為11.3，典型結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。根據(jù)中國高層建筑委員會對我國超高層結(jié)構(gòu)體系的統(tǒng)計結(jié)果，250m高以上超高層建筑67%采用混合結(jié)構(gòu)（統(tǒng)計至2009年底），如圖3所示。故本結(jié)構(gòu)最初選型為帶伸臂桁架加強層的混合結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)過大量的分析研究，結(jié)構(gòu)體系最終采用鋼管混凝土鋼框架一鋼筋混凝土核心筒一環(huán)帶桁架混合結(jié)構(gòu)體系，環(huán)帶桁架分別位于避難層49層和63層，核心筒外墻底部厚度為1100mm，取消伸臂桁架，使結(jié)構(gòu)對建筑功能的影響減至最小，其經(jīng)濟性也得到大幅度提高。
2.1設(shè)置伸臂桁架及環(huán)帶桁架的對比分析
對于300m高的超高層建筑，采用普通稀柱框架，核心筒已無法滿足高規(guī)對結(jié)構(gòu)剛度要求。本地標(biāo)塔樓結(jié)構(gòu)在不設(shè)置任何加強層時，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/455，不滿足高規(guī)限值1/500要求，在建筑平面確定的情況下，常通過增設(shè)加強層來提高結(jié)構(gòu)剛度，加強層可采用伸臂桁架+環(huán)帶桁架，也可僅設(shè)置環(huán)帶桁架。本文選用兩種加強層，并對其進行詳細對比分析：1）方案1，采用鋼管混凝土鋼框架，鋼筋混凝土核心筒一伸臂桁架．環(huán)帶桁架混合結(jié)構(gòu)體系。由高規(guī)可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)需要增設(shè)加強層來提高剛度時，應(yīng)合理設(shè)計加強層的數(shù)量、剛度及設(shè)置位置。當(dāng)布置1個加強層時，可設(shè)置在0.6倍房屋高度附近；當(dāng)設(shè)置2個加強層時，可分別設(shè)置在頂層和0.5倍房屋高度附近；當(dāng)布置多個加強層時，宜沿豎向從頂層向下均勻布置。本地標(biāo)塔樓結(jié)合建筑功能，利用避難層和設(shè)備層，設(shè)置兩道伸臂桁架，分別位于36，63層，配合伸臂桁架同時設(shè)置環(huán)帶桁架，核心筒外墻厚自下而上為1 400~500mm。2）方案2（所采用的結(jié)構(gòu)方案），采用鋼管混凝土鋼框架一鋼筋混凝土核心筒·環(huán)帶桁架混合結(jié)構(gòu)體系，即取消伸臂桁架僅設(shè)環(huán)帶桁架，環(huán)帶桁架分別位于避難層49層和63層，核心筒外墻厚自下而上為1100~ 400mm。
采用SATWE軟件對兩種方案的結(jié)構(gòu)進行分析，主要分析結(jié)果見表1。由表1可知，結(jié)構(gòu)方案1、方案2在地震作用、風(fēng)荷載作用下X，Y，向最大層間位移角均能滿足高規(guī)要求。因結(jié)構(gòu)為等邊三角形，兩個方向剛度較接近，故以下以X向指標(biāo)進行分析。
由表1和圖4可知，對于方案1，在設(shè)置伸臂桁架+環(huán)帶桁架后，風(fēng)荷載作用下，與不設(shè)置環(huán)帶桁架加強層結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角由1/455減小為1/648，結(jié)構(gòu)X向剛度提高了約42%；地震作用下結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角僅為1/541，顯然結(jié)構(gòu)剛度偏大。對于方案2，在取消伸臂桁架僅設(shè)置環(huán)帶桁架后，風(fēng)荷載作用下，與不設(shè)置環(huán)帶桁架加強層結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角由1/455減小為1/5 24，結(jié)構(gòu)X向剛度提高了約15%，結(jié)構(gòu)最大層間位移角滿足高規(guī)要求，結(jié)構(gòu)剛度基本適宜；取消兩道伸臂桁架，其節(jié)約鋼材600t，核心筒剪力墻減薄后，節(jié)省混凝土5 544m3，考慮核心筒配筋，共可節(jié)省工程造價約1 000萬，故本工程最終采用方案2作為實施方案。
方案1與方案2相比，風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角由1/5 24減小為1/648，結(jié)構(gòu)X向剛度提高了約23%，說明設(shè)置伸臂桁架對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻效率高于環(huán)帶桁架。
通過方案1、方案2對比可知，對于超高層建筑結(jié)構(gòu)，選擇適宜的結(jié)構(gòu)剛度至關(guān)重要。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度無法滿足變形要求時，通常采用增大結(jié)構(gòu)剛度方法，如加強核心筒剛度、增加體厚度、增設(shè)加強層等，但是由于結(jié)構(gòu)剛度的增加，結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)也相應(yīng)增大，反而可能造成結(jié)構(gòu)水平位移不降反升，甚至形成死循環(huán)。本文方案1的結(jié)構(gòu)剛度大于方案2，而方案2與方案1相比，地震作用下結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角反而由1/5 88增大為1/541，結(jié)構(gòu)最大層間位移角不降反升，提高了8%左右。適宜作法是增大結(jié)構(gòu)剛度的同時減小結(jié)構(gòu)的自重，結(jié)構(gòu)剛度應(yīng)首先滿足風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)水平變形要求，然后再調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度使結(jié)構(gòu)水平變形滿足地震作用下要求。
2.2設(shè)置環(huán)帶桁架對結(jié)構(gòu)剛度的影響
為了研究環(huán)帶桁架對結(jié)構(gòu)剛度的提高效率，結(jié)合建筑避難層和設(shè)備層，通過設(shè)置一道環(huán)帶桁架、兩道環(huán)帶桁架及多道環(huán)帶桁架來分別考察環(huán)帶桁架位置、數(shù)量對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻效率。
設(shè)置一道環(huán)帶桁架，環(huán)帶桁架分別位于結(jié)構(gòu)層12，26，39，52，66層（即避難層和設(shè)備層9，23，36，49，63層），維持其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件和參數(shù)不變，風(fēng)荷載作用下SATWE計算的結(jié)構(gòu)最大層間位移角變化如圖4所示。由圖4可見，總體上，環(huán)帶桁架設(shè)置的位置越高，對結(jié)構(gòu)層間位移角的減小越明顯，對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻越大；當(dāng)環(huán)桁架位于結(jié)構(gòu)層52層時，即約為結(jié)構(gòu)高度的0.7倍時，其效果最佳，此時結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/491，比不設(shè)置環(huán)帶桁架情況下結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/455減小了7.8%左右。
設(shè)置兩道環(huán)帶桁架，考察環(huán)帶桁架設(shè)置位置對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻效率。環(huán)帶桁架分別位于結(jié)構(gòu)層12 +26層、12 +39層、12 +52層、12 +66層，26 +39層、26 +52層、26 +66層，39 +52層、39 +66層，52+66層，維持其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件和參數(shù)不變，風(fēng)荷載作用下，SATWE計算的結(jié)構(gòu)最大層間位移角變化如圖5所示。圖5表明，總體上，環(huán)帶桁架設(shè)置的位置越高，對結(jié)構(gòu)層間位移角減小越有效，對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻越大；當(dāng)環(huán)桁架位于結(jié)構(gòu)層52 +66層時，效果最佳，此時結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/524，比不設(shè)置環(huán)帶桁架結(jié)構(gòu)最大層間位移角1/455減小了15%左右。這是因為對于框架·核心筒結(jié)構(gòu)，核心筒剪力墻變形為彎曲型，框架變形為剪切型，結(jié)構(gòu)低區(qū)核心筒剪力墻層間變形較小，框架層間變形較大，通過變形協(xié)調(diào)可知，核心筒有助于減小外部框架變形；結(jié)構(gòu)高區(qū)核心筒剪力墻層間變形較大，框架層間變形較小，外部框架有助于減小核心筒變形，而位于結(jié)構(gòu)高區(qū)的環(huán)帶桁架恰恰提高了外框架的剛度，故其設(shè)置位置愈高，對外框架剛度的貢獻效率愈高，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度提高。
設(shè)置多道環(huán)帶桁架，考察環(huán)帶桁架設(shè)置數(shù)量對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻效率。結(jié)構(gòu)分別設(shè)置1道、2道、3道、4道、5道環(huán)帶桁架，因環(huán)帶桁架的設(shè)置位置越高對結(jié)構(gòu)剛度貢獻越大，故當(dāng)環(huán)帶桁架數(shù)量較少時，優(yōu)先設(shè)置于結(jié)構(gòu)高區(qū)，環(huán)帶桁架設(shè)置位置如圖6所示，維持其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件和參數(shù)不變。風(fēng)荷載作用下SATWE計算的結(jié)構(gòu)最大層間位移角變化如圖7所示，不設(shè)置環(huán)帶桁架時的數(shù)據(jù)也繪于圖中。圖7表明，環(huán)帶桁架的設(shè)置數(shù)量并非越多越好，設(shè)置1道、2道時，提高結(jié)構(gòu)剛度的效率最為明顯，隨著環(huán)帶桁架數(shù)量的增加，提高結(jié)構(gòu)剛度的效率急劇降低，設(shè)置4道、5道環(huán)帶桁架時，結(jié)構(gòu)剛度幾乎沒有變化。環(huán)帶桁架數(shù)量對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻效率呈指數(shù)下降。
綜上所述，超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)置環(huán)帶桁架可以有效地提高結(jié)構(gòu)剛度，環(huán)帶桁架的設(shè)置數(shù)量和設(shè)置位置對提高結(jié)構(gòu)剛度的效率影響顯著，設(shè)置于結(jié)構(gòu)高區(qū)優(yōu)于低區(qū)，設(shè)置于0.7倍結(jié)構(gòu)高度處尤為明顯；環(huán)帶桁架的數(shù)量并非愈多愈好，隨著其數(shù)量的增加，對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻效率急劇下降，對于高度300m左右的超高層，一般設(shè)置2，3道為宜。本地標(biāo)塔樓最終結(jié)構(gòu)方案采用設(shè)置2道環(huán)帶桁架，分別設(shè)置于結(jié)構(gòu)層52，66層（即避難層49，63層），在地震作用、風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)剛度均滿足高規(guī)要求，結(jié)構(gòu)體系得到專家和業(yè)主好評。
2.3外框柱選型
在高層和超高層建筑結(jié)構(gòu)中外框架柱常采用鋼管混凝土( CFT)柱或型鋼混凝土(SRC)柱，與鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)相比，此兩種組合構(gòu)件可充分發(fā)揮不同材料的長處，提供更大的承載力和更好的延性，從而減小框柱截面，增大建筑的有效使用面積。鋼管混凝土柱和型鋼混凝土柱各有利弊，表2給出兩者的構(gòu)造、力學(xué)性能、施工工藝、防火以及節(jié)點處理等方面比較。綜合分析表明，柱截面尺寸和含鋼率相同時，鋼管混凝土柱比型鋼混凝土柱抗彎剛度提高49%，軸心抗壓強度提高25%，結(jié)合組合鋼梁樓屋蓋體系，結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點構(gòu)造簡單，且框柱無需鋼筋綁扎和支撐模板，施工方便，鋼管混凝土柱優(yōu)于型鋼混凝土柱，故本工程外框柱最終采用圓鋼管混凝土柱，柱截面自下而上為41 700×30~4800×20，柱含鋼率約為6.9%~9.6%。
3 工程實際主要設(shè)計和分析結(jié)果
3.1抗側(cè)力體系
地標(biāo)塔樓采用鋼管混凝土鋼框架一鋼筋混凝土核心筒，環(huán)帶桁架混合結(jié)構(gòu)體系，作為雙重抗側(cè)力體系，鋼筋混凝土核心筒構(gòu)成第一道防線，鋼框架+環(huán)帶桁架組成結(jié)構(gòu)第二道防線（圖8）。核心筒的外墻厚度由首層的1100mm逐漸減薄至頂部的400mm，內(nèi)墻厚度為500~300mm，混凝土強度等級自下而上為C60~C40，為增強核心筒的延性，底部加強區(qū)受力關(guān)鍵部位和非加強區(qū)三角形角部設(shè)置型鋼。
為改善框架柱的延性，提高其抗剪承載力，并減小截面尺寸，增加建筑有效的使用面積，設(shè)計中采用鋼管混凝土柱，鋼管的套箍指標(biāo)p控制在1.0左右（含鋼率約8%），其截面由底部咖1 700×30逐漸過渡到頂層咖800×20，內(nèi)填充混凝土強度等級為C60；框架梁采用H型鋼梁，環(huán)向框架梁與框架柱采用剛接，徑向框架梁與框架柱剛接，與核心筒鉸接。外環(huán)框架鋼梁截面主要為H900×300×20×24~800×300×20×24，樓面徑向鋼梁截面主要為H500×200×12×20。
設(shè)計中，利用避難層49，63層（結(jié)構(gòu)層52，66層）設(shè)置兩道環(huán)帶桁架，從而使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有效提高，環(huán)帶桁架可作為結(jié)構(gòu)第二道防線的有效補充。環(huán)帶桁架選擇合適的剛度，將上下樓層的剛度突變控制在合理的范圍以內(nèi)，確保其在中震、大震下的抗震性能。桁架的上下弦桿采用H型鋼，截面尺寸為H1200×600 x30×30，斜腹桿采用H型鋼，截面尺寸為H700×600×40×40。
3.2樓蓋體系
核心筒內(nèi)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋，核心筒內(nèi)因設(shè)置豎向交通存在較多的樓板缺失，樓板厚度采用150mm，混凝土強度等級為C30。核心筒外采用鋼筋桁架樓承板組合樓板，混凝土強度等級為C30，下部辦公樓層樓板跨度主要為3. 5m，樓板厚度為110mm；上部公寓樓層樓板跨度主要為2.9m，樓板厚度為100mm。加強層和其相鄰層樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，板厚為150mm，并采用雙層雙向配筋。
3.3主要分析結(jié)果
采用MIDAS和SATWE軟件對結(jié)構(gòu)進行整體分析，主要分析結(jié)果見表3，表3表明，兩種軟件的分析結(jié)果差別不大，地震、風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均符合高規(guī)限值要求，結(jié)構(gòu)剛度適宜。地震作用下樓層最大層間位移角小于風(fēng)荷載作用下的，說明本結(jié)構(gòu)為風(fēng)荷載控制。風(fēng)洞試驗表明，在1. 5%阻尼比情況下，10年回歸期公寓頂層峰值加速度為0. 086 8m/s2，小于高規(guī)限值0.15m／s2，舒適度滿足要求。
4 結(jié)論
(1)對于超高層框架·核心筒結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度無法滿足高規(guī)要求時，設(shè)置伸臂桁架和環(huán)帶桁架等加強層來提高結(jié)構(gòu)剛度是有效途徑，伸臂桁架提高結(jié)構(gòu)剛度效率高于環(huán)帶桁架，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度離目標(biāo)剛度差別不大時，可僅設(shè)置環(huán)帶桁架來提高結(jié)構(gòu)剛度，從而避免設(shè)置伸臂桁架導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度突變。
(2)環(huán)帶桁架設(shè)置數(shù)量和位置對提高結(jié)構(gòu)剛度的效率影響顯著，設(shè)置于結(jié)構(gòu)高區(qū)優(yōu)于低區(qū)。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)置1道環(huán)帶桁架時，可設(shè)置在0.7倍房屋高度處，此時提高結(jié)構(gòu)剛度效率最高；當(dāng)設(shè)置2道環(huán)帶桁架時，可分別設(shè)置在頂層和0.7倍房屋高度附近，效率較高。環(huán)帶桁架數(shù)量并非愈多愈好，隨著其數(shù)量的增加，提高結(jié)構(gòu)剛度效率愈來愈低，呈指數(shù)下降。
(3)當(dāng)超高層結(jié)構(gòu)樓屋蓋體系采用鋼結(jié)構(gòu)組合樓蓋時，框架·核心筒結(jié)構(gòu)外框柱宜采用鋼管混凝土柱，其承載效率高、節(jié)點構(gòu)造簡單、施工方便。
