練賢榮， 梁愛婷， 鐘玉柏， 張良平

(深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司， 深圳 518054)

1 工程概況

深圳太子廣場項目位于深圳市前海蛇口自貿(mào)區(qū)海上世界太子路，含1棟41層超高層辦公樓(屋面高度196.71m)、4層裙房、3層地下室，總面積約15萬m2。其中塔樓由于建筑效果要求，東西兩側(cè)分別在1/3高度及2/3高度處不能連續(xù)，從而導致需要采用桁架托換，在立面上形成兩個凹口[1]，建筑效果圖如圖1所示。

工程結(jié)構設計使用年限50年，安全等級二級，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g[2]，設計地震分組第一組，建筑場地類別二類，50年一遇的基本風壓0.75kN/m[2-3]，結(jié)構粗糙度類別B類。結(jié)構存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、豎向構件不連續(xù)[4-5]。

2 結(jié)構方案比選

針對凹口對結(jié)構的影響及如何設置托換進行了三個方案的對比。1)方案1(懸挑桁架[6]+環(huán)桁架)：東側(cè)在13層處將外框柱斷開，并在16層避難層設置懸挑轉(zhuǎn)換桁架和環(huán)桁架，承托上部鋼柱；西側(cè)在26層處將外框柱斷開，并在29層避難層設置懸挑轉(zhuǎn)換桁架和環(huán)桁架，承托上部鋼柱，如圖2(a)所示。2)方案2(大鋼斜桿[7]+環(huán)桁架)：東側(cè)在13層處將外框柱斷開，西側(cè)在26層處將外框柱斷開，設置跨越多層的大鋼斜桿和鋼環(huán)桁架將荷載傳至核心筒，如圖2(b)所示。3)方案3(缺口處外框柱連通)：結(jié)構外框柱連通，如圖2(c)所示。

經(jīng)分析比較，各方案主要構件截面尺寸及相關經(jīng)濟指標見表1。從結(jié)構成本及受力角度考慮，方案3明顯優(yōu)于方案1和方案2，可以節(jié)省約5千萬。但業(yè)主為了實現(xiàn)建筑效果，最終在方案1和方案2中挑選了方案1。

針對桁架轉(zhuǎn)換布置及桁架上部結(jié)構形式(混凝土結(jié)構和鋼結(jié)構)進行對比。1)方案A：懸挑以上采用鋼結(jié)構，29層采用單邊轉(zhuǎn)換桁架即僅核心筒西側(cè)附近的框架柱不連續(xù)，需要通過桁架轉(zhuǎn)換，如圖3(a)所示。2)方案B：懸挑以上采用鋼結(jié)構，29層采用兩邊轉(zhuǎn)換桁架即所有的框架柱均不連續(xù)，需要通過桁架轉(zhuǎn)換，如圖3(b)所示。3)方案C：懸挑以上采用混凝土結(jié)構，29層采用兩邊轉(zhuǎn)換桁架，如圖3(b)所示。

圖1 建筑效果圖

圖2 各方案示意圖

圖3 桁架轉(zhuǎn)換布置方案示意圖

主要構件截面尺寸及經(jīng)濟性對比 表1

經(jīng)分析比較，結(jié)構主要計算指標及相關經(jīng)濟指標見表2，3。由表2，3可知：方案C要優(yōu)于方案A和方案B，但從結(jié)構受力合理性角度，方案C自重太大，為桁架層帶來的負重過大，將會產(chǎn)生很多不利影響，同時超限專家也不建議采用方案C。方案B相比方案A受力更均勻，符合力學平衡原理，經(jīng)濟指標也略優(yōu)于方案A。綜合上述，最終選擇方案B，其典型樓層平面布置圖如圖4所示。核心筒厚度由下至上從1 000mm漸變至400mm，底部轉(zhuǎn)換桁架以下框架柱為混凝土柱和型鋼混凝土柱，型鋼混凝土柱截面尺寸1 500×1 500～1 300×1 300，混凝土柱截面尺寸1 100×1 100，800×800；頂部轉(zhuǎn)換桁架和底部轉(zhuǎn)換桁架之間框架柱為型鋼混凝土柱及方鋼管柱，型鋼混凝土柱截面尺寸1 300×1 300～1 000×1 000，鋼管柱截面尺寸600×600，壁厚30mm；頂層轉(zhuǎn)換桁架以上框架柱全部為鋼管柱，截面尺寸600×600，壁厚20mm。

主要計算指標 表2

相關經(jīng)濟指標 表3

由于建筑屋面上有2層在東側(cè)退臺(圖2(a))，導致29層桁架左右兩側(cè)承擔的樓層荷載差2層，如果不經(jīng)處理，29層的桁架左右受力不均會導致核心筒長期承擔不平衡力矩。為此在東側(cè)29層桁架下2層采用下掛方式處理，其柱節(jié)點如圖5所示。設置橢圓形螺栓孔可以允許一定的變形，同時也防止東側(cè)的荷載直接傳遞到16層桁架。采用該方法還可以起到抗連續(xù)倒塌的作用，一旦某一層的桁架失效，另外一層的桁架能夠起到防止倒塌的效果。此節(jié)點螺栓正常情況下不受力，上下柱之間也不能傳力。但是在發(fā)生連續(xù)倒塌情況下，上下柱之間能夠傳遞軸力(上下柱可垂直對接)。

3 桁架分析

桁架屬于本項目關鍵構件，需要重點分析和采用相應的加強措施，采用伸臂桁架和環(huán)桁架組合，桁架水平構件全部延伸至核心筒，腹桿有條件的伸入剪力墻(個別由于影響建筑門洞采取節(jié)點特殊處理)。桁架上下弦桿以及斜撐采用箱形截面900×600×60×60，材料為Q390GJC，箱形截面弦桿腹板深入剪力墻核心筒內(nèi)，見圖6，結(jié)構受力三維示意見圖7。

圖4 方案B典型樓層平面布置圖

圖5 防連續(xù)倒塌節(jié)點

圖6 單品桁架立面示意圖

圖7 桁架層三維示意圖

圖8 27～30層上部支托桁架豎向位移云圖/m

經(jīng)整體受力分析(含各種施工模擬)可知，桁架最遠端的豎向變形最大值為49mm(圖8)。雖然變形量不大，但對樓板應力影響較大[8]。通過MIDAS/Gen有限元分析可知，16層樓板對應的桁架下弦桿位置的樓板應力已經(jīng)遠超過了混凝土抗拉強度標準值(圖9)，需要采用后澆樓板且在樓板內(nèi)設置斜撐等方式進行處理[9]。

圖9 恒載+活載組合工況下樓板應力云圖/MPa

采用MIDAS/Gen，分別將上下兩處支托桁架樓層作為單獨模型，分析其豎向自振頻率[10]，自振頻率均小于4Hz，滿足規(guī)范要求。結(jié)果見表4。

桁架節(jié)點是關鍵，本工程桁架節(jié)點比較復雜的部位在桁架與核心筒交接處，通過節(jié)點有限元分析可知，該部位也是應力最復雜之處，需要重點加強并采取有針對性的措施(加厚桁架層核心筒厚度，加強配筋，鋼桁架上下弦延伸至核心筒內(nèi)等)。桁架層的舒適度[9]也是重點需要分析之處，應對桁架采取適當起拱等方式。

桁架層振動分析 表4

4 結(jié)論

(1)下部框架-核心筒、上部桁架托換核心筒體系，受力合理，經(jīng)濟可行。

(2)懸挑桁架以上采用輕鋼結(jié)構，更有利于荷載的均勻分布。

(3)由于桁架層變形大，受力集中，桁架層相應的樓板必須進行加強處理。

(4)采用桁架預起拱可以有效地控制變形。

(5)工程目前已經(jīng)投入使用，從實際情況看，各方面能滿足各項使用要求。