張小良， 郭達文,2， 陳蛟龍， 林菲菲

(1 廣東省建筑設計研究院， 廣州 510010； 2 廣州大學工程抗震研究中心， 廣州 510405)

1 工程概況

珠西金融中心位于廣東省江門市新會區(qū)，屬珠江三角洲沖擊平原地貌區(qū)。該項目總建筑面積為48.17萬m2，包括2棟約99m高公寓、15棟約96m高住宅及1棟超高層建筑(1#綜合樓)，如圖1所示。其中1#綜合樓[1]，結構總高度為336m，地上70層，地下3層，集商業(yè)、辦公和酒店功能于一體，屋頂設直升機平臺，建筑面積為13.3萬m2，設有五個建筑避難層，建筑效果圖及剖面圖如圖2所示。

圖1 建筑場地鳥瞰圖

圖2 1#綜合樓建筑效果圖及剖面圖

本文主要介紹1#綜合樓結構設計中的關鍵技術，1#綜合樓結構計算模型如圖3所示。1#綜合樓屬超B級高度的超限高層[1]；結構設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級；場地類別為Ⅲ類，設計地震分組為第一組，抗震設防烈度為7度；地面粗糙度為B類，按50年重現(xiàn)期的基本風壓為0.65kN/m2，超高層核心筒墻體、框架柱及框架梁抗震等級均為特一級。本工程地下室結構內(nèi)部不設置任何變形縫，地上各部分單體之間設置防震縫。

圖3 結構計算模型

2 結構設計難點及解決思路

2.1 核心筒尺寸限制

由于建筑使用功能要求，對底部核心筒剪力墻厚度要求嚴格，若按照常規(guī)剪力墻設計，墻體厚度很難滿足業(yè)主要求。

本項目采用了一種新的鋼混凝土組合剪力墻作為核心筒結構體系[1-3]，即排鋼管鋼板剪力墻核心筒結構體系，剪力墻為相鄰鋼管間通過兩片平行的墻身鋼板連接組成，并在每個圓鋼管內(nèi)和由圓鋼管與墻身鋼板圍成的平面封閉腔體內(nèi)澆筑高強混凝土。鋼管混凝土柱作為內(nèi)嵌剪力墻，提高了墻體的承載力，通過計算分析，底部核心筒剪力墻截面厚度取為800mm，較好地滿足了業(yè)主的要求。

2.2 地基承載力偏低

該項目所在地屬沖擊平原地貌區(qū)，淤泥質(zhì)軟土，地基承載力較低，基底的持力層為微風化泥巖，在此地基上建超高層建筑難度較大。

采用排鋼管鋼板剪力墻核心筒結構體系控制主體結構自重，相比于普通鋼筋混凝土結構，核心筒墻厚減小約500mm，自重減輕了17.5%[1]。

基礎形式采用天然巖基上的樁筏基礎[4-5]，核心區(qū)采用了32根2 500mm的大直徑的旋挖灌注樁，塔樓外圍框柱區(qū)樁徑為2 500mm和1 600mm；除加厚區(qū)外，筏板厚度在塔樓核心區(qū)為3 700mm，在外圈框柱區(qū)為2 500mm。樁筏基礎通過調(diào)整樁長、樁徑方式，來控制核心筒與外圈框柱間的沉降差。

2.3 單向體型收進大

外框架柱為鋼管混凝土柱，為了滿足建筑外形要求，結構柱有一定傾斜，角柱和南北方向柱，下部樓層由內(nèi)往外輕微傾斜(傾角有1.51°，1.63°和2.07°)，上部樓層由外往內(nèi)輕微傾斜(傾角為1.25°)；東西方向柱，上部樓層由內(nèi)往外微傾斜(傾角為0.77°)。

特別地，在頂部樓層66～70層，南北方向柱由外往內(nèi)傾斜，傾角為18.08°，單向收進較大，見圖2。在該部位南北方向增設交叉斜撐、上部增設鋼桁架塔冠，對其進行加強。

2.4 沿海風壓大

該項目位于江門市新會區(qū)，緊鄰海邊，對超高層建筑的結構體系提出了更高的性能要求，必須重視風荷載對建筑物帶來的不利影響。風荷載為該結構的控制水平荷載，橫風效應對結構影響較大。風洞試驗措施及風荷載取值：本項目對邊界層進行風洞試驗的采集，試驗風速參考點選取在實際336m高度處，試驗風速B類時為11.03m/s；結果滿足相關規(guī)范要求，可直接用于外圍護構件的抗風計算。采取的主要措施為設置加強層，屋頂設置鋼桁架塔冠等。

3 結構體系

本工程采用鋼管柱框架-排鋼管鋼板混凝土剪力墻核心筒結構體系，1#綜合樓結構平面布置圖見圖4，核心筒的結構平面布置圖見圖5。

圖4 1#綜合樓結構平面布置圖

圖5 1#綜合樓核心筒結構平面布置圖

外鋼管柱通過鋼筋混凝土梁(部分梁加鋼骨)與墻身鋼管柱伸出的型鋼牛腿進行連接。樓蓋為鋼筋混凝土梁板式樓蓋。

重力荷載通過樓面水平構件傳遞給核心筒和外框柱，最終傳遞給基礎；水平荷載產(chǎn)生的剪力和傾覆力矩由外框架和核心筒共同承擔，其中剪力主要由核心筒承擔，傾覆力矩由外框架和核心筒共同承擔。

4 基礎設計

項目場地屬珠江三角洲沖積平原地貌區(qū)，地勢開闊平坦，場地原為魚塘、耕地。根據(jù)勘察報告，場地地質(zhì)特征描述詳見表1。

場地地質(zhì)特征 表1

場地地基上部分布的①素填土(松散)、②黏土(可塑)、③淤泥(流塑)、④黏土(可塑)、⑤淤泥質(zhì)土(流塑)均屬軟弱或較軟弱土層，強度低，壓縮性高；而下部分布的⑥礫砂(稍密～中密)、⑦粉砂質(zhì)泥巖層(強風化)、⑧粉砂質(zhì)泥巖層(中風化)、⑨粉砂質(zhì)泥巖層(微風化)，強度較高，壓縮性較低。結構底板主要位于④黏土層。

1.0恒載+1.0活載作用下，1#綜合樓外框柱柱底最大軸力為60 000kN左右，核心區(qū)鋼管柱下最大軸力為10 000kN左右。綜合地勘報告，經(jīng)多方案比較，1#綜合樓基礎采用大直徑旋挖灌注樁，核心區(qū)樁徑均為2 500mm，樁基底持力層為微風化泥巖，要求其天然單軸抗壓強度標準值frk≥14.3MPa，樁凈長約45～55mm，單樁豎向承載力特征值為62 000kN；塔樓其他區(qū)域樁徑為2 500mm和1 600mm。綜合樓核心筒基礎平面布置圖如圖6所示。整個超高層基礎中樁的布置方式為長短樁方式，核心筒范圍樁長比外框柱范圍樁長入巖深度略增加，來控制核心筒與外框柱相互間的沉降差。

圖6 1#綜合樓核心筒基礎平面布置圖

1#綜合樓以外裙房及地庫區(qū)域柱底最大軸力約5 000kN，與1#綜合樓柱底力相差較大，該部分采用短樁、小直徑的預應力管樁。

1#綜合樓以外裙房及地庫區(qū)域，筏板厚度為700mm。在1#綜合樓與相鄰裙房及地庫區(qū)域之間，采取了加強措施，相鄰兩跨間，筏板厚度采取變截面由1 200mm到700mm。同時，在該區(qū)域，筏板上設置了一條寬800mm的沉降后澆帶。

5 排鋼管鋼板混凝土剪力墻設計

排鋼管鋼板混凝土剪力墻包含兩種形式：一字形和L形剪力墻，如圖7所示，設有鋼管混凝土柱、連接鋼板、栓釘、綴板及混凝土等；鋼管混凝土柱沿墻體長度方向以一定間距排列，相鄰兩根鋼管之間通過兩塊平行的連接鋼板焊接在一起；栓釘均勻焊接在連接鋼板內(nèi)側；綴板兩側端焊接于兩平行連接鋼板的垂直方向；在鋼管混凝土柱內(nèi)和由鋼管混凝土柱與墻身鋼板圍成的封閉腔體內(nèi)澆筑混凝土。

圖7 排鋼管鋼板混凝土剪力墻大樣圖

特別地，在墻體的端部及角部等關鍵部位，加大鋼管混凝土柱壁厚，并在剪力墻角部附加連接鋼板，以增強墻體角部強度和剛度；連接鋼板壁厚不宜小于相鄰鋼管壁厚的最小值，兩平行連接鋼板間的垂直距離小于鋼管混凝土柱的直徑；綴板設置于兩平行墻身鋼板內(nèi)的垂直方向，綴板兩側端與墻身鋼板焊接在一起，綴板上設置有一定數(shù)量的洞口。

圖8～10給出了排鋼管鋼板混凝土剪力墻與鋼筋混凝土墻、鋼筋混凝土梁以及樓板的連接大樣圖，圖中L為栓釘長度；h為截面高度；hf為截面有效高度。該結構可較便捷地與常規(guī)構件進行有效連接，靈活組合。

圖8 剪力墻與鋼筋混凝土墻連接大樣圖

圖9 外圍鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接大樣圖

圖10 剪力墻與鋼筋混凝土樓板連接大樣圖

6 環(huán)形加強帶設計

1#綜合樓共設有5個建筑避難層(圖2)，分別位于10～12層，22～24層，34～36層，46～48層和58～60層，結構高度分別為47.950～53.950，97.450～103.450，146.950～152.950，196.450～202.450，245.950～251.950m。為了增強整體結構的剛度[6-7]，合理利用避難層設置結構加強層，加強層僅選用環(huán)帶桁架，即沿結構外圍框架柱間連續(xù)布置斜向支撐，形成水平環(huán)帶向支撐桁架。環(huán)帶桁架可通過樓板的變形協(xié)調(diào)核心筒，帶動外框架來承擔更多的傾覆力矩。

采用文獻[1]中計算模型1(增設屋頂桁架塔冠)，對加強層的位置以及數(shù)量進行分析，結果見表2。由計算結果可知，設置加強層，可提高結構的抗側剛度。從經(jīng)濟性角度考慮，本項目只考慮設置兩道加強層，在46層和58層設置兩道環(huán)形加強帶，效果較好，由于建筑外立面要求，最終設置在34層和58層。加強層環(huán)帶桁架的布置見圖11，節(jié)點構造見圖12、圖13(圖中h1為截面有效高度，tf為翼緣厚度)。

圖11 環(huán)帶桁架立面圖

圖12 環(huán)帶桁架節(jié)點側視圖

圖13 環(huán)帶桁架節(jié)點俯視圖

加強層計算結果 表2

7 關鍵節(jié)點設計

7.1 梁柱節(jié)點設計

本工程外圍鋼管混凝土柱與框架梁的連接，采用新型的卡扣連接方式，如圖9所示。鋼管混凝土柱在梁柱連接節(jié)點處，分別設置截面寬度為150mm的上、下鋼環(huán)板，工字鋼上下翼緣分別與上下鋼環(huán)板焊接連接，形成鋼牛腿；混凝土框架梁的梁面縱筋，通過螺母和墊片，固定于預先焊接在鋼牛腿上面的錨器上；混凝土框架梁的梁底縱筋，通過螺母和墊片，固定于預先焊接在工字鋼牛腿底面的錨器上。

該節(jié)點的靜載試驗照片如圖14所示。結果表明[8-9]，該節(jié)點能夠有效保證鋼筋的拉力通過錨器傳遞至鋼牛腿，再通過鋼環(huán)板，最終傳遞至鋼管柱；框架梁兩端剪力通過鋼牛腿可以有效地傳遞至鋼管柱，受力明確；該節(jié)點梁縱筋與牛腿的連接采用機械連接，不僅減小了現(xiàn)場的焊接工作量，保證了節(jié)點的施工質(zhì)量，而且與常規(guī)采用搭接方式連接的節(jié)點相比，該節(jié)點的牛腿長度可以縮短40%，大大節(jié)省了用鋼量，經(jīng)濟效益優(yōu)越。

圖14 試驗照片

如圖15所示，為避免底部混凝土破壞，在外鋼管混凝土柱中設置箍筋和縱筋，來增加混凝土材料延性。

圖15 梁柱連接節(jié)點大樣圖

7.2 分叉柱節(jié)點設計

由于頂部樓層南北方向的收進，在63層處新增了鋼管混凝土斜柱，傾角約為9°，在與原鋼管混凝土柱斜交處采用焊接，節(jié)點核心區(qū)設置有上、下水平內(nèi)外環(huán)板、鋼管內(nèi)外豎向加勁肋、工字鋼牛腿、斜柱下方設置了帶有豎向加勁肋的托板封底，并在對應位置的原鋼管柱內(nèi)設置了水平內(nèi)環(huán)板；整個斜交區(qū)長約3.8m，在節(jié)點區(qū)上部也新增一道水平加勁肋，作為構造加強措施，詳見圖16～18。

圖16 斜柱連接節(jié)點效果圖

圖17 斜柱連接節(jié)點橫斷面圖

圖18 斜柱連接節(jié)點豎向斷面圖

對該節(jié)點在大震作用下的受力進行有限元分析，鋼結構部分的等效應力結果見圖19，由圖可知水平外環(huán)板角位出現(xiàn)應力集中，整體結構的應力基本滿足大震設計要求。

圖19 鋼材的von Mises應力云圖/(N/mm2)

8 結論

(1)本工程核心筒采用了排鋼管鋼板剪力墻核心筒結構體系，通過墻體內(nèi)增設鋼管混凝土柱作為剪力墻，從而提高了墻體的承載力，使得底部核心筒剪力墻截面厚度為800mm，滿足超高層建筑功能要求。

(2)采用樁筏基礎，樁基設計是變剛度調(diào)平，通過改變樁長和樁徑來控制核心筒與外圈框柱間的沉降差；通過設置后澆帶來控制超高層與相鄰裙房間的沉降差。

(3)針對結構體型收進較大以及沿海風壓大等特點，設置了兩道環(huán)形加強帶，并采用在屋頂設置鋼桁架塔冠等措施控制風荷載的影響。

(4)給出了鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土梁連接節(jié)點做法，采取了卡扣的設計，經(jīng)試驗證明，該節(jié)點能夠有效保證鋼筋的拉力傳遞至鋼管柱；同時給出了鋼管混凝土分叉柱連接節(jié)點大樣。