天音大厦超限高层结构设计_王洪卫.pdf

第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LS220100 第第一一作作者者:王洪卫,硕士,高级工程师,一级注册结构工程师,主要从事建筑结构设计工作,Email:65377151 。天音大厦超限高层结构设计王洪卫,胡 鸣,余庭鑫,唐增洪(深圳机械院建筑设计有限公司,深圳 518027)摘要:天音大厦项目 A 座和 C 座塔楼,因立面复杂、造型独特,存在大悬挑和多项结构不规则。根据建筑功能的需要,确定合理的结构形式,采用 SATWE、MIDAS Building 软件对结构在多遇地震和风荷载作用下进行计算分析,采用 SAUSAGE 软件对结构在罕遇地震作用下进行计算分析,得到了振型周期、层间位移角、楼板应力、楼盖舒适度、构件挠度、关键构件受力性能等重要的分析结果。结果表明:A 座采用悬挑空腹桁架和斜柱转换,C 座采用悬挑桁架的结构形式,传力路径明确,结构计算各项指标满足规范要求,结构设计合理、安全、可靠。关键词:超限高层建筑;框架-核心筒;混合结构;空腹桁架;钢支撑;大悬挑;性能化设计 中图分类号:TU318,TU973 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0087-10引用本文 王洪卫,胡鸣,余庭鑫,等.天音大厦超限高层结构设计J.建筑结构,2023,53(13):87-96.WANG Hongwei,HU Ming,YU Tingxin,et al.Structure design on out-of-code high-rise building of Tianyin J.Building Structure,2023,53(13):87-96.Structure design on out-of-code high-rise building of Tianyin WANG Hongwei,HU Ming,YU Tingxin,TANG Zenghong(Shenzhen Machinery Institute Architectural Design Co.,Ltd.,Shenzhen 518027,China)Abstract:Tower A and tower C of the Tianyin project,due to the complex faade and unique shape,there are large overhangs and a number of structural irregularities.According to the needs of building functions,a reasonable structural form was determined,SATWE and MIDAS Building software were used to calculate and analyze the structure under frequent earthquakes and wind loads;SAUSAGE software was used to calculate and analyze the structure under rare earthquakes,and important analysis results such as mode shape period,interlayer displacement angle,floor stress,floor cover comfort,component deflection,and stress performance of key components were obtained.The results show that tower A adopts the cantilever vierendeel truss and oblique column conversion,and tower C adopts the structural form of the cantilever truss,the force transmission path is clear,the structural calculation indicators meet the requirements of the specification,and the structural design is safe,reasonable and reliable.Keywords:out-of-code high-rise building;frame-core wall;hybrid structure;vierendeel truss;steel brace;large overhang;performance-based design 1工程概况 天音大厦位于广东省深圳市南山区深圳湾超级总部基地,白石路与深湾公园路交汇处西南角,由文化展览设施、商业中心、多高层办公楼及超高层主塔楼等 7 栋建筑组成,总建筑面积约 15 万 m2,设有 3 层全埋地下室,地下室不设缝,地面以上设 1 层裙房,裙房设置 1 条结构缝,设缝后,其中 A 座(32层,结构高度 146.9m)、C 座(含 C1 和 C2 座,10 层,结构高度 52.65m)、D 座(5 层,结构高度 22.8m)、E座(5 层,结构高度 22.8m)四栋楼组成多塔 1,B 座、F座和 G 座组成多塔 2。建筑概况见图 13。2结构设计参数 该工程结构设计使用年限为 50 年,结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级。塔楼抗震设图 1 总体布局图防类别为丙类,抗震设防烈度为 7 度,设计基本地震加速度值为 0.10g,地震分组为第一组,场地土类别类。场地风压取重现期为 50 年风压值,基本风压为 0.75kPa,地面粗糙度类别为 B 类。结构设计执行广东省高层建筑混凝土结构技术规程(DBJ建 筑 结 构2023 年 图 2 A 座效果图图 3 C 座效果图 15-922013)。3A 座结构体系与布置 根据本工程特点,A 座主塔楼采用钢管混凝土柱+钢梁框架-钢筋混凝土核心筒结构1。平面尺寸约 52.55m26.50m,高宽比约为 2.79(X 向)、5.54(Y 向),结构布置见图 4、5。A 座主塔楼的主要特点如下:1)平面周边均有悬挑,迎风面宽度大于竖向结构平面宽度,风荷载较大;2)各楼层悬挑构件悬挑长度较大,且不对称(悬挑信息详见图 4);3)10、11 层有 4 根斜柱,与竖向夹角为 14;4)部分楼层有 2 层通高穿层柱(柱高 9.00m)。A 座核心筒外墙厚度 600mm,内部墙体厚度300、200mm。在核心筒四角共设 4 根钢骨。矩形钢管混凝土柱截面为 1 200(1 2001 800),壁厚为25、30mm。核心筒内楼面采用现浇钢筋混凝土梁板结构,核心筒外采用钢梁,标准层边框梁截面为H750(400 450)18(30 36),内框梁截面为H750(500 600)1850,内次梁截面为 H7503001624,悬挑梁根部截面为 H(1 050 750)600 18 (30 40),悬挑梁端部截面为 H750(500600)1624,楼板采用钢筋桁架楼承板,总厚度为 130mm。钢框架梁与柱刚接,与核心筒剪力墙铰接(个别除外)。4C 座结构体系与布置 根据本工程特点,C 座塔楼采用钢梁-钢管混凝土框筒结构(局部为钢筋混凝土框架-剪力墙结构),结构布置见图 6。C 座塔楼的主要特点为 610 层楼面 X 向最大悬挑跨度为 17.45m,Y 向最大悬挑跨度为 21.90m,在 8、9、10 层及出屋面层 Y 向设置钢斜拉杆。C 座 2 层及以下钢筋混凝土核心筒厚度为200600mm。C1 座 3 层及以上为钢梁-钢管混凝土框筒结构,核心筒由矩形钢管混凝土柱组成。C2 座7 层及以上由 2 根矩形钢管混凝土柱与 C1 座相连。图 4 A 座结构平面布置图图 5 A 座结构剖面示意图图 6 C 座结构示意图矩形钢管混凝土柱截面为(1 2001 300)(1 2001 500)、6001 000。矩形钢管混凝土柱相关范围楼面采用钢梁。矩形钢管混凝土柱组成的框筒内钢框梁的截面为 H(900800)(500600)18(3040);框筒外 Y 向 21.90m 大跨度框架梁截面为(900 1 000)800 30 40,Y 向 大 悬 挑 梁 截 面 为H(1 2001 000)(700600)2440,X 向大悬挑88第 53 卷 第 13 期王洪卫,等.天音大厦超限高层结构设计梁截面为 H(1 2001 000)(700600)2440,次梁截面为 H7503001324,钢吊柱截面为 H6007003250,斜拉杆截面为 H6005003535。楼板采用钢筋桁架楼承板,总厚度为 130150mm。钢框架梁与矩形钢管混凝土柱均采用刚接。5基础设计 本工程地基基础设计等级为甲级,基础埋深为建筑高度的 1/10。基础采用旋挖灌注桩基础,以微风化花岗岩作为持力层,桩长约 2560m。6超限检查、性能目标及超限抗震构造措施6.1 超限检查 根据超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质201567 号)2,本工程 A 座塔楼存在扭转不规则、尺寸突变、穿层柱、斜柱等四项超限项,C 座塔楼存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、承载力突变等超限项。6.2 抗震性能目标 A 座、C 座塔楼,在各地震水准下结构构件的抗震性能目标3-5详见表 1、2。表 1 A 座结构构件抗震性能目标地震水准小震中震大震关键构件底部加强区及1011 层剪力墙弹性抗弯不屈服、抗剪弹性抗剪不屈服斜柱及与其相连钢梁、空腹桁架弹性抗弯不屈服、抗剪弹性不屈服普通竖向构件其余竖向构件(剪力墙、框架柱)弹性抗弯不屈服、抗剪弹性满足抗剪截面耗能构件钢框架梁弹性部分屈服可大部分屈服连梁弹性抗剪不屈服可大部分屈服表 2 C 座结构构件抗震性能目标地震水准小震中震大震关键构件钢管混凝土柱、钢板混凝土剪力墙弹性弹性不屈服C1 座 711 层悬挑桁架、大跨钢框架梁弹性弹性不屈服普通竖向构件C2 座钢筋混凝土墙柱弹性抗弯不屈服、抗剪弹性满足抗剪截面耗能构件钢框架梁弹性部分屈服可大部分屈服6.3 超限抗震构造措施 A 座塔楼根据超限内容及计算分析的结果,采取如下的抗震构造加强措施:1)核心筒剪力墙承担水平剪力较大,提高落地剪力墙分布筋的最小配筋率至 0.4%,墙体水平筋应按小震、中震弹性、大震不屈服计算包络设计;2)提高受拉剪力墙竖向钢筋最小配筋率至 0.6%,同时设置型钢,使其满足在小震、中震作用下的承载力要求;3)为控制空腹桁架竖向变形,施工时应对大悬挑梁起拱(L/1 000,其中L 为悬挑结构计算跨度);4)严格控制空腹桁架封边柱的施工次序,以满足设计要求;5)提高斜柱上下层楼板(10、12 层)板厚至 150mm,采用双层双向拉通配筋,斜柱附近 Y 向楼板配筋率不低于 0.5%;6)加强与斜柱上下层相连的钢梁截面,按拉弯、压弯构件复核钢梁承载力;7)在中斜柱与核心筒之间增设钢梁,使其能更好的传递水平力,钢梁延伸至核心筒内;8)斜柱上下层电梯厅楼板厚度为 150mm,双层双向配筋,配筋率不小于 0.3%;9)斜柱上下层楼板电梯厅处设置混凝土贴梁;10)912 层电梯井四周设置剪力墙,电梯门按墙开洞处理,剪力墙水平配筋率不小于 0.6%;11)穿层柱的计算长度系数取 1.25,适当提高跃层柱的配筋率、配箍率;12)适当加大与中部核心筒相连连梁的配箍率,加强连梁的延性。C 座塔楼根据超限内容及计算分析的结果,采取如下的抗震构造加强措施:1)在 711 层的大跨度楼板区域,适当增加板厚(150mm)及楼板配筋,采用双层双向拉通钢筋,配筋率不低于 0.25%;2)为减少悬挑桁架端点处的竖向变形,施工时在悬挑端点处按 1.0 恒载+0.5 活载计算起拱(起拱值50mm);3)复核大震下桩基拉力值,地下室底板通过布置抗浮锚杆抵抗水浮力;4)悬挑空腹桁架中桁架梁对应位置剪力墙内设置型钢,对应位置的核心筒角部方钢管柱加强;5)在 711 层大跨楼板钢梁间增加楼面水平支撑,以提高楼板共同作用的能力。7三水准分析7.1 小震分析 小震分析采用 SATWE 及 MIDAS Building 两套软件进行分析,在两个主轴方向输入地震作用,采用规范谱进行分析。考虑偶然偏心,连梁刚度折减系数为 0.7(地震作用)。按 50 年一遇风压值0.75kN/m2进行抗风承载力验算,风载体型系数为1.40,地面粗糙度为 B 类。周期折减系数 A 座取0.9、C 座取 0.8;结构阻尼比 A 座取 0.04、C 座取 0.03。A 座分析结果的主要指标见表 3。由表 3 可知,最大层间位移角为 1/677(风荷载起控制作用),小于规范限值 1/6506;结构楼层扭转位移比为1.29,小于1.40,结构的周期比为0.78,小于0.9,表明结构具有较好的抗扭性能。C 座分析结果的主要指标见表 4。由表 4 可知,C 座各项指标均符合规范的要求。98建 筑 结 构2023 年表 3 A 座结构主要计算指标计算程序SATWEMIDAS Building楼层自由度刚性楼盖刚性楼盖最小剪重比/%X 向1.451.40Y 向1.491.39结构自振周期/sT13.625 53.474 6T22.966 42.894 1Tt2.690 02.696 9周期比0.7420.776最大层间位移角(所在楼层)风荷载作用地震作用X 向1/2 379(9 层)1/2 406(13 层)Y 向1/677(27 层)1/701(31 层)X 向1/1 820(13 层)1/2 129(13 层)Y 向1/1 138(27 层)1/1 497(28 层)最大位移比(所在楼层)风荷载作用地震作用X 向Y 向X 向1.19(1 层)1.08(1 层)Y 向1.29(1 层)1.27(27 层)表 4 C 座结构主要计算指标计算程序SATWEMIDAS Building楼层自由度刚性楼盖刚性楼盖最小剪重比/%X 向2.371.83Y 向2.011.50结构自振周期/sT11.855 61.863 7T21.358 01.367 4Tt1.138 21.191 7周期比0.6130.639最大层间位移角(所在楼层)风荷载作用地震作用X 向1/2 283(6 层)1/1 884(6 层)Y 向1/1 189(6 层)1/1 167(6 层)X 向1/1 883(6 层)1/1 983(6 层)Y 向1/959(6 层)1/1 055(6 层)最大位移比(所在楼层)风荷载作用地震作用X 向Y 向X 向1.31(8 层)1.23(6 层)Y 向1.23(11 层)1.20(11 层)7.2 小震弹性时程分析 小震弹性时程分析采用 SATWE 软件,选取五条天然波和两条人工波。分析结果如表 5、6 所示。这七条波平均谱曲线和结构底部剪力均满足高规2的要求,且 CQC 法不能包络弹性时程分析法下最大层间位移角和地震剪力平均值,可按计算结果的放大系数回填 CQC 法计算。表 5 A 座小震弹性时程分析结果工况Vx1/kNVx1/Vx1-CQCVy1/kNVy1/Vy1-CQC天然波 116 436.41.0618 497.11.16天然波 214 726.80.9515 283.90.96天然波 313 636.70.8814 060.80.88天然波 418 590.41.2016 935.91.06天然波 516 111.41.0419 570.81.23人工波 115 915.51.0317 673.21.11人工波 215 471.21.0017 321.11.09平均值15 841.21.0217 034.71.07CQC 法15 478.715 907.6 注:1)Vx1、Vy1分别为 X、Y 向时程分析的 A 座基底剪力;2)Vx1-CQC、Vy1-CQC分别为 X、Y 向反应谱分析的 A 座基底剪力。表 6 C 座小震弹性时程分析结果工况Vx2/kNVx2/Vx2-CQCVy2/kNVy2/Vy2-CQC天然波 19 719.51.0110 349.41.14天然波 210 434.81.099 734.11.07天然波 38 906.40.9310 802.81.19天然波 49 768.51.027 446.90.82天然波 57 254.70.766 814.70.75人工波 110 242.41.0710 234.71.13人工波 210 300.51.0811 211.81.23平均值9 796.80.999 774.31.04CQC 法9 577.09 097.3 注:1)Vx2、Vy2分别为 X、Y 向时程分析的 C 座基底剪力;2)Vx2-CQC、Vy2-CQC分别为 X、Y 向反应谱分析的 C 座基底剪力。7.3 中震分析 中震分析采用 SATWE 软件,地震影响系数取0.23,连梁刚度折减系数为 0.5,周期折减系数取1.0,阻尼比为 0.047(C 座钢结构阻尼比为 0.02,混凝土阻尼比为 0.05),不考虑风荷载,不考虑与抗震等级相关的内力调整系数,其余输入参数同小震分析。分析结果表明,A 座、C 座各构件均符合性能目标的要求。在中震作用下,A 座核心筒部分剪力墙存在一定程度的拉力,最大轴拉比为 1.60650.3kN)。59建 筑 结 构2023 年图 20 C1 座底板下桩基编号表 20 桩顶组合轴力值/kN桩编号大震下未考虑水浮力共同作用时大震下考虑水浮力共同作用时仅有水浮力作用时Z1-1 950.7650.3-16 025.0Z2-4 707.5-1 565.5-10 010.0Z3-3 575.5-276.5-6 013.0Z4-4 881.0-1 696.0-10 936.0Z5-7 601.3-4 330.3-18 335.0Z6-6 989.7-4 010.7-19 389.0Z7-5 292.0-1 853.0-11 271.0Z8-5 695.8-2 430.8-12 087.0Z9-4 623.8-1 139.8-11 646.0Z10-4 518.4-2 341.4-18 264.0Z11-4 391.7-2 451.7-15 285.0 注:1)恒载分项系数按 1.0 考虑,取受拉最不利工况;2)受拉为正,受压为负。9.5 抗连续倒塌分析 不考虑地震作用及风荷载,仅在恒载及活载作用下进行抗连续倒塌分析。各层悬挑桁架中,斜拉杆的应力比为 0.140.40,桁架梁应力比为 0.260.57,悬挑桁架竖杆应力比为 0.130.60。均具有较大的应力富余。因实际构件失效带有一定的随机性,故失效构件的选择带有很强的主观性。分别单独拆除 8 层的XG2、8 层的 XG4、9 层的 XG3、10 层的 XG3,以及 7层的 GZ4、9 层的 GZ5。由表 21 计算结果可知,在任意拆除单个构件 表 21 单独构件拆除后剩余构件的应力比最大值拆除构件编号单独构件拆除后剩余构件的应力比最大值斜拉杆竖杆桁架梁拆除 8 层 XG20.440.630.57拆除 8 层 XG40.400.610.56拆除 9 层 XG30.460.640.57拆除 10 层 XG30.450.620.59拆除 7 层 GZ40.400.610.56拆除 9 层 GZ50.440.620.56 注:表中及本节后续中应力比均未考虑动力放大的影响。(桁架竖杆或斜拉杆)后,构件应力均小于 295N/mm2,满足规范要求,并仍有较大富余。故认为可满足抗连续倒塌要求。拆除构件位置示意见图 20。10结语 本工程属超限高层建筑,于 2020 年完成施工图设计,且在初步设计阶段已通过广东省超限高层建筑工程抗震设防审查委员会的审查。结构设计中,根据建筑特点,对结构的大悬挑区域进行合理的结构布置,A 座采用悬挑空腹桁架,C 座采用悬挑桁架,提高了悬挑构件的刚度,减小了竖向变形。通过三水准的结构分析和各项专项分析,并采取相应的抗震加强措施,既满足了抗震性能目标要求,又满足建筑功能及结构经济性的要求,取得了良好的经济技术效益。参考文献 1 刘阳冰,刘晶波,闫秋实.钢-混凝土组合框架-钢筋混凝土核心筒结构抗震性能分析C/防振减灾工程理论与实践新进展(纪念汶川地震一周年)第四届全国防震减灾工程学术研讨会会议论文集.福州,2009:272-278.2 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质201567 号A.北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015.3 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 32010S.北京:中国建筑工业出版社,2011.4 建筑抗震设计规范:GB 500112010S.2016 年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.5 于海博,陆道渊,赵明.超限高层抗震性能目标的确定实例J.建筑结构,2010,40(10):21-25.6 高层建筑混凝土结构技术规程:DBJ 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