广州荔湾某综合体项目超限结构设计

摘要： 广州荔湾某综合体项目包括一栋约249m高的塔楼和6层高品质商业裙房,是具有5项一般不规则、1项特别不规则超限项的超B级高度高层建筑结构,塔楼和裙房之间不设结构缝。塔楼为带凹口的矩形平面建筑,采用框架-双筒结构体系;裙房平面尺寸超过200m,屋面采用大型贝壳状钢结构造型,采用框柱支承悬臂桁架结构,最大悬挑长度30.5m。简述了塔楼和裙房的结构布置形式、基础方案和抗震性能目标,精选4个主要结构设计指标介绍其控制方法和建议,梳理结构存在的超限项并提出可行的抗震加强措施,重点介绍钢管混凝土柱转钢管混凝土叠合柱过渡节点的做法、塔楼凹凸不规则和裙房楼板不连续对结构受力的影响,提出有关分析假定和设计加强方法的建议。

广州荔湾某综合体项目位于广州市荔湾区白鹅潭商圈,东临珠江隧道,西侧与新隆沙一路相邻,南侧为新隆沙一横路,北邻珠江南岸长堤路,在东北角部有广州地铁22号线从基础下方约14.5m深处穿过,在中部首层位置有白鹅潭路自西向东贯穿。项目包括1栋约249m高的塔楼和与之相连的商业裙房、地下室,计算模型见图1。项目总建筑面积约35.2万m2,其中,塔楼建筑面积约7.8万m2,地上共有53层,标准层层高为4.5m(低区,9～17层)和4.0m(高区,19～51层),主屋面高度237.5m;裙房平面尺寸约198m×212m,共有6层,主屋面高度36.0m,首层层高6.0m,标准层层高5.6m,有2层地下室(塔楼和附近区域地下3层),主要用于停车和机电房。裙房北侧设有投影面积约1.05万m2的大跨钢结构屋盖,上下表面均包裹金属幕墙,使得整个建筑物熠熠生辉。

为方便使用期间的维护和降低漏水风险[1],塔楼和裙房之间不设永久结构缝。结构嵌固端设置在首层楼面处,对应相对标高±0.00m,绝对标高为+9.45m。依据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008)[2],塔楼7层及其以上主体结构部分属于标准设防类(丙类),1～6层的塔楼和全部的裙房结构为重点设防类(乙类)。所有结构构件的安全等级取为二级,结构重要性系数为1.0。工程所在地属Ⅱ类场地,设计地震分组为第一组,特征周期为0.35s,抗震设防烈度为7度(0.1g)[3],裙房抗震措施按8度采用(7层及以上的塔楼按7度);风荷载按风洞试验取值,对应50年重现期下的基本风压[4]为0.50kN/m2。

为使最多房间具有北侧江景的视野,塔楼选用了带凹口的矩形平面,与此相适应,结构上采用了框架-双筒抗侧体系,标准层结构平面布置见图2,以⑦轴为中线,塔楼左右两部分完全对称。标准层外轮廓尺寸均为60.7m×27.95m,按此计算结构在X向和Y向的高宽比分别为3.9和8.5;单个核心筒平面尺寸均为12.9m×14.5m,按此计算核心筒在X向和Y向的高宽比分别为18.4和16.4;中间凹口也呈矩形,平面尺寸为20.8m×15.3m。

核心筒为普通钢筋混凝土结构,仅需在底部加强部位和部分较短墙肢中设置型钢以控制墙肢轴压比,提高结构延性性能。大部分筒体外墙厚度为350～800mm,少数楼层较短墙肢的刚度和承载力需求较大,需加厚至1 000mm,内墙厚度以200mm为主,主要用于承受竖向荷载。外框柱共有18根,沿平面周边布置,为配合现场施工进度和节省钢材,共采用了3种截面类型:地下3层～地上8层为矩形钢管混凝土柱[5](采用该类型柱的主要原因是为满足装配式建筑评价[6]得分策略,当柱型钢加工至8层时业主放弃采用装配式建筑,转而选用叠合柱),9～26层转变为钢管混凝土叠合柱[7],27～53层为普通钢筋混凝土柱。柱最大截面尺寸为1 650mm×1 550mm,最大混凝土强度等级为C60。楼盖为现浇钢筋混凝土梁板结构,典型外框梁高800mm,楼面梁高400～700mm,多数楼板厚度为100mm,局部跨度较大时加厚至140mm或180mm,楼板混凝土强度等级为C35。

为提升建筑品质,将项目打造成荔湾区甚至广州市的闪亮名片,建筑师在裙房中布置了很多点睛之笔,例如裙房北侧屋面上方的贝壳屋盖和钻石天窗、西北角部横跨珠江的观光缆车端站、西南角部商业入口处的大悬挑钢桁架绿化平台、东南角部入口处的集束柱(3个三角形柱的集合)动感造型等。限于篇幅,本节仅介绍对项目影响最大的贝壳屋盖结构(图4)。该屋盖的形状可近似认为是长轴半径约174.3m、短轴半径约85.8m的椭球面的1/8,投影面积约为1.05万m2,可占到整个裙房屋面面积的1/3左右。屋盖南侧和西侧与主体结构相连,借鉴类似钢屋盖[9-10],采用6榀悬臂钢桁架作为主要受力结构来实现屋盖自南向北的悬挑造型。屋盖南侧结构厚度最大,可达11m,北侧边缘处最为轻薄,仅约1.7m。为减小屋盖悬挑长度,将下方支承“玻璃盒子”平台的柱(即平台支承柱)升起用于支承屋盖,使其形成了框柱支承悬臂桁架结构,最大悬挑长度30.5m。

屋盖钢构件以圆形钢管为主,可更好地适应曲面造型并利于施工,直径180～1 000mm,壁厚6～60mm,钢材强度等级Q355B。少数受力很大的杆件(与平台支承柱相连桁架的上下弦杆)采用矩形钢管,最大截面尺寸为□800×1 300×60×80,钢材强度等级Q460GJB。

根据详勘报告[11],项目场地地基不均匀,上部土层的性状、埋深和厚度在水平和垂直方向上变化较大,土层力学性质离散性大;下部岩层主要为泥质粉砂岩,埋藏深度不一,风化不均匀,分布有软弱夹层、硬夹层,持力层的均匀性较差。考虑到本项目地下室层数少,埋深浅(塔楼及附近区域约为17.25m,其他区域13.25m),宜选用浅基础作为主要基础形式,持力层为强风化和中风化泥质粉砂岩,对应的天然地基承载力分别为500kPa和2 000kPa。经方案比选,当持力层为强风化岩时宜采用“筏板基础+上反柱墩+锚杆”的形式,持力层对应为中风化岩石时选用“独立/条形/筏形基础+防水板+锚杆”的基础形式,其中,条形基础用于地下室外墙处,筏形基础用于塔楼核心筒范围内。为保证文保建筑的安全,减小竖向变形和不均匀沉降,设置1 000mm厚的基座(图1)将文保建筑物托起,在基座下部采用桩基础,基桩直径1 800mm,混凝土强度等级C35。为缩短施工工期,采用逆作法施工工艺[12]。

主体结构的分析和构件验算主要采用YJK V5.3.0,钢屋盖结构采用SAP2000 V25,采用ETABS V21校核主要结构设计指标,确保计算结果准确、可靠。分析模型中塔楼和裙房结构不分缝,塔冠和贝壳屋盖结构也按实际建模,全部结构层的楼板均设定为弹性膜。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[13](简称高规)和《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)[14](简称超限审查要点),汇总超限设计最终模型的计算结果,列出主要结构设计指标,见表1。为便于理解,选取其中4项进一步说明。

表1 主要结构设计指标

(1)虽然塔楼和裙房结构连在一起作为单一模型进行分析,但由于两者的高度和抗侧体系显著不同,其在外荷载作用下的结构响应必然存在差异,部分指标需分开提供方为合理,包括自振周期、最大层间位移角和最大楼层位移比。

为充分计入塔楼和裙房这两部分结构在地震作用下的受力,超限设计中考虑了不少于90个振型组合,且保证了振型质量参与系数不小于95%[15]。通过分析结果得知,结构前3阶振型主要是塔楼的整体振动,第4～6阶振型为裙房振型,后续是两者交替或同时振动。

(2)本工程塔楼侧向刚度的调整受到风荷载作用下结构最大层间位移角限值的控制,这对于沿海地区高度超过150～200m的建筑物是较为常见的。在结构概念和方案设计阶段,曾花费大量精力用于比选核心筒的平面形状和筒外墙柱的布置方式。先是提供了方形筒、中空外伸筒和缺角矩形筒(图5)等多种平面形状,后又详细比对了普通框架-核心筒、筒外少墙框架-核心筒、局部密柱框架-核心筒和避难层设外伸墙体的框架-核心筒结构,在通过风洞试验确定了设计用风荷载数据后,才最终选定当前体系——局部位置层层设置外伸梁的框架-双筒结构(外伸梁见图2洋红色线条,截面高度为1 200mm)。

塔楼和裙房最大楼层位移比仅有1.32,可很好地满足高规限值要求,分析原因主要有3点:1)塔楼位于裙房平面靠近中间位置,对裙房周围构件的约束作用弱,不致显著加大构件之间的水平变形差;2)虽然塔楼的核心筒墙体布置密集,抗侧刚度大于裙房,但由于塔楼高度适中,在地震作用下裙房屋顶以上楼层的水平地震力加大了1～6层塔楼构件的侧移值,使其与同层裙房构件的侧向位移基本相当或相差不大;3)沿裙房外围一圈加大框梁高度和柱的截面尺寸(图3中的蓝色梁柱),较大幅度提高了裙房抗扭刚度。

(3)高规控制外框剪力和倾覆力矩分担比的目的是不同的,计算剪力分担比主要用于评估外框的抗侧刚度,使其与核心筒的抗侧刚度间具有合适的比例[14],从而满足二道防线的抗震设计要求;结构底层的倾覆力矩分担比主要用于确定结构的使用高度和构造措施[13]。对于单栋塔楼,这两个指标的计算比较简单,但对于本工程这种塔楼轮廓范围外裙房面积大、跨数多的项目,需计入多少跨来参与计算是个难题。设计时针对计入不同裙房跨数的模型开展了对比分析,相关计算结果(为保证计算结果的可比性,给出核心筒承担的剪力和倾覆力矩)见表2。由表2可见,裙房跨数不断增加时,核心筒承担的剪力和倾覆力矩数值基本上也在不断加大,但承担的比例却一直在下降。分析原因,是由于核心筒的抗侧刚度远大于周边框架结构,随着裙房跨数的增加,框架结构不断将更多地震作用传递到核心筒,但又由于框架结构在地震作用下的受力增长速度更快,其分担的剪力和倾覆力矩也会增大。简而言之,裙房对塔楼外框剪力和倾覆力矩分担比的计算影响较大。反过来看,裙房层数和高度远小于塔楼的层数和高度,裙房在辅助塔楼抗侧时贡献很小。故而从保证塔楼设计安全的角度考虑,计算塔楼剪力和倾覆力矩分担比时不建议考虑裙房结构的影响,即宜按单栋塔楼模型做出计算。

表2 核心筒剪力和倾覆力矩分担比例

(4)关注核心筒墙肢拉应力的主要原因是留意到塔楼和核心筒在Y向的高宽比分别高达8.5和16.4,分别超过高规限值7和12较多,而核心筒又是塔楼抗侧结构体系的关键抗侧组件[16],通常情况下受力很大。设计时,结合塔楼抗侧需要对核心筒进行必要加强,从而使墙肢的最大拉应力仅为0.9ftk,适当增加纵筋配筋率即可使其满足承载力要求。此处所采用的加强措施主要是:核心筒北侧,外框柱和核心筒的距离较大,具有足够空间将外墙厚度加大至1 000mm,拉力不变的情况下减小了拉应力;核心筒南侧,房间进深小,凹口部位梁高(图2中的外伸梁)可适当加大,更大比例的倾覆力矩分配给外框结构后,核心筒的倾覆力矩减少了,拉应力数值随之减小。

按照高规和专家要求,本工程的抗震性能目标为C级,对应多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震下的性能水准分别是1、3、4,所有混凝土结构构件均按照高规第3.11.3条的规定进行验算并均能满足要求。为提高结构的抗震性能,设计时与抗震专家一起确定了该项目的关键构件,主要有:塔楼1～6层(底部加强部位)的剪力墙和框架柱、穿层柱、与斜柱相连的拉梁、角部较大跨度的悬臂结构及与之相连的内跨拉梁;裙房支承贝壳屋盖结构的框架柱、转换梁、西南入口悬臂桁架内跨拉梁和支承柱、裙房顶部两层临近塔楼的两跨梁板。对于贝壳屋盖、西南入口悬挑桁架和冰场屋面梁等钢结构构件,控制其在有小震、中震和大震参与的组合内力作用下的应力比分别不超过0.85、0.95和1.0。构件验算和大震弹塑性分析结果表明,所有结构构件均能满足设定的性能目标,限于篇幅不详细介绍。

表3 结构存在的不规则项和加强措施

注：贝壳屋盖钢结构的最大悬挑长度为30.5m<40m,不将其认定为大跨屋盖建筑。

如2.1节所述,塔楼所有18根外框柱在地下3层～地上8层均采用矩形钢管混凝土柱,在9～26层为叠合柱,两种类型柱的过渡节点设在8层(避难层)柱顶。由于每个过渡节点的做法基本相同,现仅以最大截面柱(在平面上位于⑥轴和轴线的交点处,简称柱A,见图2)为例对其详加介绍。过渡节点上、下柱段外围截面尺寸相同,均为1 650mm×1 550mm,上柱段内设直径1 100mm、壁厚45mm的圆形钢管,材质为Q355B,管内、管外均为C60混凝土;下柱段外围矩形钢管壁厚60mm,内填C60混凝土。参考相关研究成果[17]并为简化设计(偏安全),在过渡区段内假定叠合柱中的圆形钢管以承受竖向拉、压力为主,环向拉应力略去不计,如此,可将复杂的节点设计转变为解决内部圆形钢管和外部矩形钢管间的竖向传力问题。鉴于两种钢管较大的截面尺寸差异,十字焊接钢板被用作传力构件是最佳的解决方案,钢板内侧与预先开槽的圆形钢管连接,外端与矩形钢管焊接,节点大样见图6。设计时曾与超限专家和施工单位研讨是否需在十字钢板底部留设封板,考虑到该位置含钢率较高(本柱约为18.6%),封板下混凝土浇筑不易密实,对混凝土直接传力有明显的阻挡作用,故不建议设置。

叠合柱钢管和十字焊接钢板插入矩形钢管的深度相同,其值主要与竖向力的大小和焊缝强度有关,本身并不难计算,但需留意,宜在近似理论计算结果(叠合柱中钢管轴力/焊缝抗剪强度/焊缝有效面积)的基础上预留若干富余量以考虑钢管偏心和局部弯矩带来的不利影响。本工程柱A中,圆钢管的偏心距为25mm,插入下柱段2 000mm,比近似理论计算值1 450mm大约38%。十字钢板厚度的确定相对复杂,需计入钢管轴力、偏心距和柱端弯矩的影响,除力学计算外,通常还需要开展有限元分析加以验证。采用SAP2000软件对柱A的节点进行分析,模型如图7(a)所示,钢板均采用壳元模拟。模型包含了该柱在8层、9层柱段的钢管和十字焊接钢板(未建入钢筋和混凝土),柱底假定固接,在柱顶和柱中楼层标高处施加双向平动约束。钢管柱顶施加小震和中震组合工况下最大轴力和对应弯矩,对应柱A分别为32845kN和371kN·m。此时,十字焊接钢板的应力云图分布见图7(b),最大应力为208N/mm2 <290N/mm2(钢板屈服强度),满足要求;弧形过渡区顶点存在应力集中现象,应力值为275N/mm2,仍小于钢板的屈服强度。

▲ 图7   叠合柱过渡节点模型示意图

塔楼各层平面中部的凹口尺寸为20.8m×15.3m,面积约占楼盖平面面积的18.8%,较大削弱了楼盖的整体性;凹口Y向长度占整层楼板对应边长的55%,致使东西两个核心筒在2/3宽度范围内无法通过楼盖直接相连,严重削弱了双筒的共同受力性能。为确保塔楼的抗震性能,设计中采用了多项加强措施[18]:

(1)与专家沟通确认,结构计算(包括整体设计指标和构件内力)不应采用整体刚性板假定,全楼楼板均用弹性膜来模拟,真实反映结构构件的受力。

(2)适当加大北侧两榀X向框架(图2中轴和轴上的框架)的柱截面和梁高,少数受力较大位置增设型钢并提高了混凝土强度等级;核心筒之间楼板厚度和配筋按照弹性板假定模型的分析结果确定,局部位置楼板厚度需要加大至150mm,配筋率达到0.3%左右,应力分析结果如图8所示。

▲ 图8   中震下典型楼层楼板X向应力/(N/mm2)

综合考虑以上3点,裙房设计时采取了两项加强措施:1)适当加大洞口之间的连廊和端部附近区域(图3)的楼板厚度,由110mm增大至130mm,施工图设计时酌情加大配筋;2)2～4层塔楼附近两跨楼板厚度按小震下的应力分析结果酌情加大至130～150mm,配筋适当增加,5～6层(裙房顶部两层)临近塔楼的两跨梁板按关键构件进行设计。

除表3所列超限项外,裙房所具有的超长平面尺寸及其与塔楼不分缝的做法也是超限设计的重点和难点。但考虑到有关超长结构设计的文献较多,本文不做过多介绍,设计时参考了广州南沙某综合体项目的设计经验[1],在塔楼和裙房连接处设置沉降后浇带来减小甚至避免两者间的沉降差带来的不利影响;在裙房中设置若干温度后浇带以减小混凝土的干缩可能带来的破坏[19];针对整体结构开展超长结构温度应力分析并加强构件配筋,从计算上保证了超长结构的受力性能。

经过约16个月的结构方案和初步设计,本项目已于2024年4月顺利通过抗震专项审查,目前土建、机电、精装等都在紧张施工中。由于项目建筑面积大、使用功能多,为将其打造成荔湾区集购物、餐饮、休闲于一体的打卡胜地,业主聘请了国际或国内知名的建筑和内装顾问单位参与设计,超高标准的设计要求给结构设计提出了很大挑战。回顾整个结构超限设计过程和最终的审查成果,有以下几点内容可供同类项目设计参考:1)对于框架-双筒结构,双筒间连接体的受力分析是超限设计的重点,框架梁和楼板的受力均不可忽略,构件设计时,连体部分应采用弹性板假定。2)当塔楼和裙房之间不设永久结构缝,两者作为整体参与受力时,塔楼外框剪力和倾覆力矩分担比的计算不宜考虑裙房结构的贡献。3)矩形钢管混凝土柱转叠合柱时,过渡节点可采用十字焊接板,为保证混凝土的浇筑质量,十字板的底部不宜设置水平封板。4)数量较多的裙房中庭洞口不利于楼盖平面内力的传递,宜开展楼板应力分析,适当加大洞口之间楼板的厚度和配筋。