望京搜候中心結(jié)構(gòu)設(shè)計（建筑）
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望京搜候中心結(jié)構(gòu)設(shè)計（建筑）
江坤生， 張 克， 朱勇軍， 傅學(xué)怡
（悉地國際設(shè)計顧問（深圳）有限公司，北京100013）
[摘要] 望京搜候中心地處北京8度高烈度地震區(qū)，三座塔樓T1，T2，T3總高分別為119，128，197m，外形呈扁筒橢圓錐體，酷似“魚”形，外形斜率多變，其不規(guī)則、不對稱、豎向遞變的特點給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來諸多困難。通過ETABS，PERFORM-3D，SAP2000，PKPM系列軟件等多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多模型、多工況的細(xì)致分析計算，針對不同的問題采取不同的對策加以一一解決，主體結(jié)構(gòu)抗震性能及各項抗震指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，保證了結(jié)構(gòu)的安全性
和經(jīng)濟性，其具體實施方法及構(gòu)造加強措施可供類似工程參考。
[關(guān)鍵詞] 望京搜候中心；高層結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震性能；抗震設(shè)計；變曲率斜柱
中圖分類號：TU318，TU973 文章編號：1002-848X(2016) 09 -0001-06
1 工程概況
望京搜候( SOHO)中心項目位于北京市朝陽區(qū)望京B29地塊，由北京望京搜候房地產(chǎn)有限公司投資，項目總建筑面積521 265m2，外形呈扁筒橢圓錐體，塔樓平面形狀酷似“魚”形，沿豎向?qū)訉邮者M(jìn)。整體結(jié)構(gòu)從下至上逐層向內(nèi)收縮，漸變收縮為一點；整個建筑，仰視時猶如三座相互掩映的山峰，俯視時宛似游動嬉戲的錦鯉（圖1、圖2）。塔樓外部由閃爍的鋁板和玻璃覆蓋，其獨特的曲面造型、流暢的線條，使建筑在任何角度都呈現(xiàn)出動態(tài)、優(yōu)雅的美感，視覺上富有沖擊力，是機場進(jìn)京的首個標(biāo)志性建筑。
項目地上建筑面積392 265m2，包括三座塔樓，其中T1塔樓地上25層，主要樓層層高3.6m，主體結(jié)構(gòu)高95. 2m，建筑最高119m；T2塔樓地上26層，主要樓層層高3. 6m，主體結(jié)構(gòu)高98. 8m，建筑最高128m；T3塔樓地上45層，主要樓層層高3.8，4.2m，主體結(jié)構(gòu)高178. 97m，建筑最高197m。項目地下3層，局部地下4層，地下1層~地下4層的層高分別
為5.2，4.4，3.7，6. 0m，底板頂建筑標(biāo)高：地下3層為- 13. 300m，地下4層為- 19. 300m。主體結(jié)構(gòu)T1，T2采用鋼筋混凝土框架．剪力墻結(jié)構(gòu)，T3采用鋼管混凝土柱鋼框架梁一鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。
項目抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計基本地震加速度值0. 20g，設(shè)計地震分組第一組，場地土類別Ⅲ類，場地特征周期T g=0. 45s，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05( T1，T2)、0.04( T3)，規(guī)范水平地震影響系數(shù)最大值為0. 16g（小震）、0.45g（中震）、0.90g（大震），時程分析所用水平地震加速度峰值為70gal（小震）、400gal（大震）。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期50年，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，建筑抗震設(shè)防類別乙類（重點設(shè)防類），地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，框架抗震等級特一級，剪力墻抗震等級特一級。
T3為超B級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)，且核心筒在個別樓層存在較大收進(jìn)、下部樓層平面的質(zhì)心及剛心偏心率較大、外圍柱均為斜柱等，結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜，其抗震性能顯得尤其重要，設(shè)計中對不同構(gòu)件、不同部位分別設(shè)定不同的抗震性能目標(biāo)，采用多種軟件在多種工況下進(jìn)行詳細(xì)抗震分析，找出其薄弱部位并予以加強，混凝土剪力墻以及外圍鋼管混凝土框架的抗震性能達(dá)到反應(yīng)譜中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能，結(jié)構(gòu)整體抗震性能達(dá)到《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)中抗震性能3的水準(zhǔn)。
2 結(jié)構(gòu)體系與布置
根據(jù)建筑高度不同，T1，T2采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，T3采用鋼管混凝土柱鋼框架梁一鋼筋混凝土剪力墻．壓型鋼板組合樓蓋結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置圖詳見圖3，典型平面圖詳見圖4。結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面隨樓層升高逐漸減小，主要構(gòu)件尺寸詳見表1。梁板混凝土強度等級為C30，墻柱混凝土強度等級從底部C60逐漸變到頂部C40。
3 高地震烈度區(qū)外形斜率多變超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計
工程地處北京8度高烈度抗震區(qū)，三座塔樓T1，T2，T3總高分別為119，128，197m，外形呈扁筒橢圓錐體，酷似“魚”形，各個方向的收進(jìn)尺度不一致，其不規(guī)則、不對稱、豎向逐層內(nèi)收漸變、無標(biāo)準(zhǔn)層等特點給設(shè)計帶來諸多困難，沒有現(xiàn)成設(shè)計經(jīng)驗可供參考�？萍疾樾聢蟾姹砻鳎簭牟榈降膰鴥�(nèi)公開報道文獻(xiàn)分析來看，沒有能夠覆蓋本項目特征的文獻(xiàn)報道，本項目具有新穎性。
本工程結(jié)構(gòu)體形復(fù)雜，平面呈月牙狀，立面逐漸內(nèi)收，較大的長寬比使得結(jié)構(gòu)有較大的縱向剛度和較小的橫向剛度，不對稱的內(nèi)收使得結(jié)構(gòu)的剛心和重心層層變化，且剛心和重心的平面位置沿高度不斷偏向一側(cè)(尤其是質(zhì)心，縱向相差很大，T2達(dá)15m)，這容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在水平力的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，控制結(jié)構(gòu)的橫向剛度和扭轉(zhuǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，增大結(jié)構(gòu)兩端橫向剛度是解決問題的最佳途徑，但不對稱的內(nèi)收使“兩端”變得模糊，給調(diào)整結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比帶來巨大的難度，往往調(diào)好了左邊，右邊又超規(guī)范；調(diào)好了底部，頂部又超規(guī)范，設(shè)計時需精心協(xié)調(diào)，調(diào)整底部及頂部沿縱向左端、中間、右端的各個內(nèi)筒剪力墻的剛度（墻體長度、厚度、開洞大�。┓侥軐⒔Y(jié)構(gòu)剛度和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)調(diào)整到合適的范圍。
針對本項目的復(fù)雜性，分別采用了多種結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行了復(fù)核比較，以確保結(jié)構(gòu)計算的正確性和準(zhǔn)確性，具體為：采用了空間分析軟件SATWE，ETABS對單塔彈性樓蓋、剛性樓蓋進(jìn)行了重力、風(fēng)荷載、溫差效應(yīng)、反應(yīng)譜小震、小震彈性時程分析，用SAP2000對屋頂鋼結(jié)構(gòu)屋架單體模型及鋼屋架與下部混凝土結(jié)J的總裝模型進(jìn)行分析，用PERFORM-3D對T3進(jìn)行動力彈塑性分析。通過多種設(shè)計程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多模型、多工況的細(xì)致分析計算，找出結(jié)構(gòu)薄弱部位，并采取有效的抗震加強措施，保證了結(jié)構(gòu)的安全性，整體結(jié)構(gòu)各項抗震性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，其中，T3混凝土剪力墻以及外圍鋼管混凝土框架的抗震性能可以達(dá)
到反應(yīng)譜中震抗剪彈性、抗彎不屈服的性能，整體抗震性能達(dá)到《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)中抗震性能3的水準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)主要抗震性能指標(biāo)詳見表2、表3。
除了通過細(xì)致分析外，還主要采取了以下加強措施：框架、剪力墻按特一級要求進(jìn)行設(shè)計，從嚴(yán)控制墻柱軸壓比，適當(dāng)提高剪力墻水平和豎向分布筋，適當(dāng)提高柱縱筋和箍筋，尤其是“魚頭魚尾”的脊柱、頂部斜柱交匯處；控制中震下剪力墻的主拉應(yīng)力，當(dāng)主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，剪力墻暗柱中增配縱筋(T1，T2)或增設(shè)型鋼(T3)抗拉；控制連梁的剪壓比，對部分抗剪承載力不足的連梁按剪壓比控制箍筋，并加配交叉斜筋( T1，T2)或增設(shè)型鋼（T3重要連梁）抗剪；結(jié)合豎向收進(jìn)，錯開墻厚、柱截面、混凝土強度沿豎向的變化，以避免豎向剛度突變，對剪力墻收進(jìn)較多的部位，上下層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，并適當(dāng)加強配筋。
4 變斜率斜柱結(jié)構(gòu)設(shè)計
建筑獨特的流線型設(shè)計使得大量的柱斜率連續(xù)變化，這給T1，T2的鋼筋混凝土柱、T3的鋼管混凝土柱的施工帶來諸多不便，為此首先進(jìn)行歸并，將斜率相差不大的柱歸并為同一斜率柱，歸并的結(jié)果要滿足樓板應(yīng)力不至于過大，柱位到建筑邊的懸挑長度適當(dāng)。結(jié)構(gòu)中下部柱斜率變化較小，樓板附加拉力相對較小，可將4~9層歸并成一種；結(jié)構(gòu)上部、脊柱處柱斜率變化較大，樓板附加拉力較大，柱斜率按逐層變化設(shè)計。
斜柱斜率改變時，在豎向重力及水平地震力的作用下，斜柱、梁會產(chǎn)生較大的軸力（圖5）和彎矩，樓板會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，尤其是“魚頭魚尾”斜率較大處，設(shè)計時必須充分考慮其影響，并采取加強措施。計算分析時需采用能考慮梁軸力影響的計算軟件（本工程采用SAP2000軟件，模型中樓板采用殼元），樓板應(yīng)力計算時，樓板的剛度不退化，按100%計算；梁柱設(shè)計時，考慮混凝土的收縮及徐變效應(yīng)，將樓板的剛度退化到原來的30%，以確保安全。
T3“魚頭魚尾”處斜率大，橫向兩側(cè)斜柱與縱向脊柱斜柱相貫，節(jié)點復(fù)雜，設(shè)計中成功采用斜率多變鋼管混凝土柱相貫節(jié)點（圖6），保證其抗震性能及安全性。
5 屋頂多曲率變化的三角形管桁架拱結(jié)構(gòu)設(shè)計
屋頂建筑裝飾架外形奇異不規(guī)則，裝飾百葉呈階梯狀且厚薄不均，主桁架必須在建筑外形以內(nèi)，造成懸挑大，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)困難，沒有現(xiàn)成設(shè)計經(jīng)驗可供參考。設(shè)計中，主結(jié)構(gòu)采用雙向交叉三角形截面立體管桁架拱結(jié)構(gòu)（圖7、圖8），在主桁架外設(shè)置次結(jié)構(gòu)以承擔(dān)豎向裝飾百葉等的重力荷載和水平風(fēng)荷載，并根據(jù)不同情況采用三種形式：頂部采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，側(cè)面較厚處采用懸臂片桁架，側(cè)面較薄處采用懸臂工字鋼，很好地實現(xiàn)建筑需求，且安全可靠、經(jīng)濟合理。設(shè)計采用單體鋼結(jié)構(gòu)模型和總裝模型的包絡(luò)，阻尼比分別采用0. 03及0.05，0.03用于控制上部鋼結(jié)構(gòu)，0. 05用于控制下部混凝土結(jié)構(gòu)。單體鋼結(jié)構(gòu)模型通常采用理想鉸接或剛接模型，難以模擬連接界面下部混凝土對上部鋼結(jié)構(gòu)的有限剛度約束；需通過放大地震影響系數(shù)最大值來近似計算屋頂對鋼結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的放大作用，這種計算方法難以準(zhǔn)確反映真實情況；不能反映鋼、混凝土兩種材料特性差異的影響。而這些問題在總裝分析中都能得到較好的解決，總裝分析是必須的。
6 基礎(chǔ)及地下室設(shè)計
地下室建筑面積12.9萬m2，為地下3層局部地下4層，層高分別為5.2，4.4，3.7，6. Om，底板頂標(biāo)高為- 13. 60m（地下3層）、- 19. 600m（地下4層）。地下室采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，樓蓋采用略寬較扁的主梁大板體系，主要梁高控制在600mm左右，有人防或大跨處適當(dāng)加高，以求在相同使用凈高下降低地下室層高，減少開挖工程量，以降低工程造價。樓板厚150~300mm；純地下室部分筏板厚600mm；T1，T2主樓范圍內(nèi)筏板厚1 500mm，核心筒筏板厚1 800，2 200mm；T3主樓范圍筏板厚2000～2500mm，核心筒筏板厚2800~
3 200mm�；炷翉姸鹊燃墸褐鳂欠秶鷥�(nèi)墻、柱為C60，主樓范圍外人防墻、柱為C40，地下室外墻、梁、板為C30。
基礎(chǔ)底板標(biāo)高處土層為④細(xì)砂／粉砂層或⑤粉質(zhì)黏土層，地基承載力特征值f ak=200kPa，純地下室部分地基承載力能滿足設(shè)計要求，該部分采用下柱墩平板式筏板基礎(chǔ)。主樓范圍內(nèi)地基承載力不能滿足設(shè)計要求，T1，T2采用CFG樁水泥粉煤灰碎石樁進(jìn)行地基處理，處理后的復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值：f spa =500kPa（一般區(qū)域），f spa=580kPa（核心筒下荷載較大區(qū)域）。T3采用鉆孔灌注樁樁筏基礎(chǔ)，并采用后壓漿工藝，以提高樁端阻力及樁側(cè)摩阻力，減小樁基變形，提高樁承載能力。樁端持力層為⑨卵石圓礫層，樁端全斷面進(jìn)入該層深度不小于1.0倍樁徑，樁徑咖1 000，樁長L=28~ 32m，單樁豎向承載力特征值R a=8 000kN。根據(jù)上部荷載，盡量將樁集中布置在柱及剪力墻下，以減小筏板承臺的彎矩和剪力，上部結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合豎向力與筏板自重標(biāo)準(zhǔn)值之和約為2 852 349kN，需布樁357根，實際布樁403根。
三座塔樓地下室連成一體，長約290m，寬約195m，屬嚴(yán)重超長結(jié)構(gòu)，采用“放、防、抗、提”兼顧的設(shè)計原則實現(xiàn)超長結(jié)構(gòu)的無逢設(shè)計：進(jìn)行詳細(xì)的溫差應(yīng)力分析，并以此為依據(jù)配置適量的溫度應(yīng)力鋼筋；設(shè)置合理的施工后澆帶，后澆帶低溫合攏；采用低水化熱的普通硅酸鹽水泥和級配良好的碎石骨料配制混凝土，并適量摻入粉煤灰；采用高效減水劑，降低水泥用量，嚴(yán)格控制水灰比；采用合理的施工工藝，澆筑后抹光壓實，接近初凝時二次抹面收光，施工后加強養(yǎng)護(hù)。
本項目純地下室部分采用平板式筏板基礎(chǔ)，T1，T2采用CFG地基處理，T3采用樁筏基礎(chǔ)，由于三座塔樓地下室基礎(chǔ)連為一體，高差懸殊，荷載差異很大，除采用有限元分析程序進(jìn)行整個地下室的樁筏基礎(chǔ)分析計算外，在主樓周邊適當(dāng)部位設(shè)置沉降后澆帶，并在主體結(jié)構(gòu)完成且實測沉降穩(wěn)定后澆筑混凝土封閉。
7 結(jié)語
在高烈度區(qū)，自由靈動形態(tài)超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計會遇到諸多難點，針對不同的問題采取不同的對策逐一加以解決，通過精心協(xié)調(diào)調(diào)整底部、頂部縱向左、中、右各剪力墻的剛度，將結(jié)構(gòu)剛度和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)調(diào)整到了合適的范圍；通過多模型、多工況、多程序的計算分析，對薄弱部位采取了相應(yīng)有效的抗震加強措施，使主體結(jié)構(gòu)抗震性能及各項抗震指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求，保證了結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性；通過在不規(guī)則中尋找規(guī)律和機會，為項目的便利施工提供了保障。望京搜候中心T1，T2塔樓等6項工程獲2014年全國工程建設(shè)項目優(yōu)秀設(shè)計成果一等獎，成功打造了望京新地標(biāo)。
