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苏州东方之门刚性连体超高层结构设计 苏州东方之门刚性连体超高层结构设计

  • 发布时间: 2022-12-05

本文转载自-建筑结构《苏州东方之门刚性连体超高层结构设计》,作者-严敏, 李立树, 芮明倬,汪大绥, 黄健,洪小永


[摘要] 苏州东方之门为双塔、连体和带加强层及转换层的非对称复杂高层建筑结构。分析了主体结构受力体系和特点,着重介绍了连接体结构的计算分析,提出了针对考虑楼板厚度、控制双塔沉降差异、防连续性倒塌、考虑施工模拟等因素影响的设计加强措施,如加强单塔刚度和强度、连体刚度形成前的施工顺序的合理建议等。

[关键词] 复杂高层; 连体结构; 连体设计

连体结构是复杂高层建筑中较为典型的类型,通常意义上的连体结构分为弱连接结构和强连接结构,强连接结构大多通过连接体将两栋或多栋塔楼进行刚性连接。已建成的连体结构中由两个非对称单塔进行刚性连接的超高层建筑并不多见,其连接体部分的设计和分析尤为重要。本文将结合作者的工程设计实践,介绍非对称刚性连体超高层建筑———苏州“东方之门”结构工程的设计体会。

1 项目概况

“东方之门”( 图1) 位于苏州工业园区CBD 轴线的东端,项目总基地面积约2. 4 万m2 ,总建筑面积约45 万m2 ,其中地上建筑面积33. 7 万m2。工程是由两栋超高层建筑组成的双塔连体建筑,分南、北塔楼和南、北裙房等主要结构单元,塔楼总高度为281. 1m,裙房总高度约50m,塔楼和裙房之间设防震缝。南北两栋塔楼地上分别为66 层和60 层,其建筑层高、平面布置和使用荷载都不相同,使两塔楼的结构刚度、结构重量也存在着明显差异。双塔在顶部230m 高空相连,顶部高度约52m 的连体部分为9 层商用住宅,最顶部是层高达16. 6m 的总统套房。

2 结构设计概况

2. 1 风荷载及地震作用取值

基本风压取值: 控制整体结构的抗侧力刚度时,按50 年重现期采用,基本风压为0. 50kN /m2 ; 控制结构强度时,按100 年重现期采用,基本风压为0. 55 kN /m2 ( 与地震作用组合) ,风压高度变化系数根据地面粗糙度类别B 类取值。抗震设防烈度6 度,场地土类别Ⅲ类,设计地震分组第一组,场地特征周期0. 45s。小震作用影响系数最大值按安评报告采用,50 年超越概率63% 的水平地震影响系数最大值αmax = 0. 062 ( 阻尼比为5% ) 。中震计算和大震复核时的地震参数采用《建筑抗震设计规范》( GB 50011—2001) 相应的地震动参数进行设计。

2. 2 基础及地下部分

“东方之门”工程地下5 层,整个基坑深度超过20m,在南北塔楼的地下室中间有地铁车站通过,地铁车站与本项目地下室结构分开。塔楼桩基础采用桩底后注浆工艺的钻孔灌注桩,基础采用大底板+均匀布置的群桩方式,桩距约3. 0m。

2. 3 上部结构受力体系

塔楼部分结构设计采用钢筋混凝土核心筒-组合结构柱、钢柱和钢梁的混合结构受力体系,结合建筑避难层,沿高度方向设置了4 个结构加强层,加强层处的混凝土核心筒四个角部与外围框架之间通过8 榀伸臂桁架相连,伸臂桁架贯通核心筒墙体。加强层的带状桁架沿外围框架柱设置,结构加强层的设置有效提高了整体结构的抗侧刚度( 图2) ,主要结构构件截面见表1。

图1

 

图2

 

塔楼下部区域的外围框架柱采用钢骨混凝土柱和钢管混凝土柱,第3 加强层以上区域采用钢柱。为体现建筑外形楼层逐层变化而形成连体双塔造型,拱形内侧框架柱采用了柱子多次斜向分叉的形式,斜向柱直伸到顶部连体部分的第4 加强层,使连体以上荷载能够更直接有效向下传递,减小了第4结构加强层转换桁架的跨度( 图3) 。

塔楼部分采用工字形钢梁和钢筋桁架楼承板,钢梁腹板与混凝土核心筒通过预埋件连接,计算采用铰接模型。为满足抗震要求,与框架柱刚性连接的工字形钢框架梁下翼缘处设置侧向隅撑。

2. 4 顶部连接体设计

为有效地增加顶部刚性连接体的竖向刚度、抗扭刚度和抗侧刚度,主体结构的连接体部分在第4

图3

 

加强层外边缘分别设置2 榀桁架,并与第4 加强层的其他双向桁架形成有效的结构体系,以确保连接体部分有效工作。

3 超限情况及对策

3. 1 超限情况

“东方之门”工程为双塔、连体和带加强层及转换层的复杂高层建筑结构,塔楼总高度为281. 1m,超过混合结构适用的房屋最大高度220m。双塔在230m 处连成一体,连体部分共9 层; 连体下南、北塔楼层刚度和整体刚度均有差异; 沿高度设置4 个加强层; 230m 的第4 加强层处竖向构件转换,可见因竖向刚度有突变而形成竖向不规则结构。

3. 2 设计对策

针对该高层结构体系的复杂性,设计采取以下主要措施开展工作:

( 1) 选用SATWE,ETABS 和ANSYS 三个不同力学模型的计算软件进行连体结构的整体分析计算,计算模型假定伸臂桁架加强层和连体桁架层楼板按弹性楼板,其余楼层按刚性楼板考虑。复核不同模型的计算结果,总体信息满足规范要求,计算结果接近[1]。

( 2) 进行多遇地震下弹性时程分析: 选用3 条天然波和1 条人工模拟的加速度时程曲线,4 条波的峰值加速度为28cm / s2 ,地震波的持续时间为30s。计算显示在150m 处振型反应谱法的反应值小于时程分析的结果,在施工图设计中予以考虑。

( 3) 控制墙柱轴压比以加强主要受力构件的承载力: 核心筒剪力墙的轴压比按一级抗震等级的要求不超过0. 5; 在受力较大的外圈剪力墙中设置型钢混凝土端柱和暗柱,型钢混凝土柱设置在核心筒的四个角部和与框架梁相接的剪力墙中,型钢混凝土的剪力墙可以提高其抗震性能( 抗弯、抗剪承载能力) 、增加延性; 剪力墙在重力荷载代表值作用下的轴压比满足规范要求; 钢骨混凝土框架柱的轴压比均控制在0. 65 以内,特一级框架柱轴压比控制在0. 6 以内。

( 4) 设置楼面水平支撑: 在柱分叉处的相邻楼层( 图4) 和顶部拱脚的楼层处设置水平支撑并延伸至核心筒,水平支撑承担一部分分叉斜柱在其相邻层产生的水平分力,增强分叉柱层和顶部拱脚层处楼板的水平刚度和强度,提高楼板整体性。

图4

 

( 5) 制定结构整体性能目标和结构薄弱( 关键)部位的性能目标[2]: 小震作用下为乙类设防标准,结构满足弹性设计要求; 中震作用下,结构全楼( 连梁除外) 承载力按中震弹性设计,并与重现期为100年的风荷载组合进行复核; 大震作用下,核心筒底部复核大震抗剪承载力,连体及其支撑部位按大震不屈服复核。

( 6) 采用有限元软件建立整体结构分析模型,分析结构在多遇和罕遇地震下的弹塑性时程反应,得到结构在地震作用下的变形、内力和破坏情况的变化过程。结果表明,小震情况下,结构构件未出现损坏; 大震情况下,结构最大层间位移角满足1 /100的限值要求,结构框架梁柱未出现破坏,筒体构件损坏顺序和分布较为合理,能在一定程度上耗散地震输入能量,结构可以满足小震不坏、大震不倒的设防要求[3]。

( 7) 其他抗震措施: 根据安评报告,地震作用50年超越概率63% 时地震影响系数最大值为0. 062,

图5

 

由于本工程属乙类建筑( 重点设防类) ,抗震设防标准按7 度设防要求的抗震措施进行。对特别重要受力构件采取提高抗震等级等措施予以加强。

4 连接体部分的设计及计算分析

4. 1 连接体部分的设计

“东方之门”两塔楼在约230m 高度处连成一体,连体以上共有9 层,总高约52m。刚性连接体设计和分析是本工程的重要环节,整体计算结果表明:第1 阶振型以沿横向( Y 向) 同向平动振型为主; 但由于双塔刚度不一致,第2 阶振型出现扭转分量,为两塔楼的Y 向反向平动; 第3 阶振型是沿纵向( X向) 的平动振型( 图5) ,因此连接体的设计不仅考虑其对单栋塔楼的协调、约束作用,还要考虑连接体本身由于双塔变形不协调而产生的扭转作用,需采取措施以提高连接体自身的整体刚度和承载能力。

连接体部分的结构布置采用沿第4 加强层处纵向( X 向) 设置了5 榀空间桁架,外围4 榀边桁架与该层带状桁架相连,由于连体以上的柱网布置与下部柱网不一致,沿X 向的5 榀桁架同时作为转换桁架用于承托连体以上结构重量( 图6 ,7 中桁架1) ;在横向( Y 向) 沿上层柱轴线位置处设置连接桁架,目的是为了提高连接体结构的抗扭承载力,增强整体抗侧刚度( 图6,7中桁架2) 。

连接体部分第4 加强层以上的框架在横向( Y向) 设置柱间支撑形成竖向桁架,增强连体结构中间部位的横向刚度( 图7 中桁架3) ; 连体结构的第4 加强层及相邻层、结构顶层楼板加厚,并在其平面内设置水平斜支撑以增强楼板水平刚度,提高连体结构抗扭能力,协调双塔的变位( 图6) 。

4. 2 连接体部分计算分析

在进行整体分析的同时,为考虑连体刚度形成后单塔变形( 沉降、压缩等) 等诸多因素对其产生的不利影响,对连接体部分进行了重点分析和研究。

4. 2.1 考虑楼板不同厚度的影响

加强层钢构件设计时,偏于安全,不考虑楼板参与内力分配,但为分析加强层楼板作用进行了以轴力为主考虑楼板不同厚度影响的比较。分析结果显示: 避难层楼板由于和钢桁架的共同变形将产生较大的应力( 包括拉应力) ,桁架上下弦杆的2 ~ 4 号

图8

 

4. 2. 2 考虑沉降对连接体的影响

工程南、北塔楼核心筒中心距约100m,两塔楼内边柱距离约60m,两塔楼的沉降差对在230m 高空相连的连接体桁架将产生较大的影响,部分构件的内力随着沉降差的增大而增大,尤其是连体桁架的上弦杆。因此控制建筑物绝对沉降和两栋塔楼的沉降差( 包括基础的沉降和结构竖向压缩变形) 是本工程的关键点,同时受沉降影响较大的杆件要求有适当的安全储备,不同沉降差的桁架构件应力比柱状图见图9。

图9

 

施工图设计中考虑到超长桩施工的不确定性以及沉降差对结构的敏感性等因素,设计采用桩底后注浆工艺的灌注桩,桩直径1 000mm,桩尖持力层是层13,,细粉砂层土,桩长约72m。经工程前试桩结果可知,单桩承载力设计值可提高至12 000kN。计算最大沉降值小于100mm,南、北塔楼核心筒计算沉降差小于5mm。

4.2.3 连接体部分防连续性倒塌控制分析

首先确定支撑连接体桁架的最敏感构件,并考虑该构件失效后在垂直荷载作用下其余构件的内力变化,验算相应结构的承载能力。按照直观判断,考虑了避难层桁架部分支座,即最中间两个斜柱失效时的不利状况( 图8 中7,8 号杆失效) ,桁架最大跨度由17m 变为43. 5m,在垂直荷载作用下,桁架的内力重分配,导致原来受力较小的杆件内力变大,经验算相应的桁架杆件仍能处于不屈服状态。表3 为在竖向荷载( 恒荷载+ 活荷载) 作用下,分别考虑有( 无) 楼板作用时杆件内力变化情况。

图10

 

4. 2. 4 考虑施工模拟对连接体刚度的影响

由于本工程为双塔连体的超高层建筑,且双塔顶部在230m 的高空相连,施工的加载顺序和在连体刚度形成以前两栋单塔的变形( 水平、竖向) 都将对顶部9 层连接体产生较大的影响,实际施工工况需与模拟计算工况相结合。考虑施工模拟影响的计算结果表明: 拱形斜柱和顶部连接体的施工将导致内侧框架柱( X 向) 承担的竖向荷载增加,核心筒和外框架之间的竖向变形差持续增长甚至加速增长,一旦上部连接体形成整体刚度,将会产生不利影响,因此在顶部连接体整体刚度形成前必须使由于竖向恒荷载引起的下部两个单塔的变形趋于稳定。

4.2. 5 加强下部单塔刚度和强度

由于上部连体刚度较大,而支承连接体的两单栋塔楼相对较弱,整体计算分析表明,会出现两塔楼相向振动的振型,需采取必要的措施加强下部单塔。本工程通过提高主要受力构件的抗震等级,塔楼从嵌固端至第2 加强层之上两层的竖向抗侧力构件、连接体、加强层及相邻层剪力墙和框架结构构件、支承连接体之间的全体框架柱提高至特一级设计。墙体约束边缘构件延伸到轴压比为0. 25 和第2 加强层以上两层的较高处。同时通过性能化抗震设计、多种程序计算比对、弹塑性时程分析验证等方法开展工作,并进行关键节点的缩尺模型试验,考察加强层柱与伸臂桁架连接节点在模拟地震的周期性荷载作用下的滞回曲线、变形能力、破坏模式、延性特征及其耗能能力,采取必要的构造措施对连体下部的两单栋塔楼予以加强。

5 结论

( 1) 双塔连体结构设计不同于单栋塔楼的设计,其连接体设计需重点关注提高自身的竖向刚度、抗侧刚度和抗扭刚度,协调双塔的内力和变形。

( 2) 在顶部连接体整体刚度形成前应使由于竖向恒荷载引起的下部单塔的变形趋于稳定,减少由于恒荷载作用对连接体构件产生的初始应力。

( 3) 应进行施工模拟分析,考虑上部连接体未合拢时的最不利状态,结构构件的内力组合应以施工过程完成后的静载内力为初始状态。

( 4) 工程施工中必须采取合理的顺序,减少主要抗侧力构件的初始应力。

( 5) 加强下部单塔刚度和强度,在设计中对受力较大的关键构件予以截面和材料性能的加强。

参考文献

[1] 严敏,张家华,芮明倬,等. 非对称门式双塔连体超高层结构计算分析[J]. 建筑结构,2008,38( 12) : 84-86.

[2] 徐培福,傅学怡,王翠坤,等. 复杂高层建筑结构设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,2005.

[3] 吴晓涵,刘东泽,芮明倬,等. 非对称刚性连体超高层结构弹塑性时程分析[J]. 建筑结构学报,2010,32( 6) : 1-9.


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