超高层建筑中结构设计的关键,是在满足建筑使用功能的前提下,使结构竖向构件和水平构件高效工作,满足项目的各项设计要求。超高层建筑中的筒体结构通常结合建筑功能必需的竖向交通区域和设备区域设置结构竖向受力构件,组成闭合的筒形平面,充分发挥结构筒体抗侧刚度大、竖向构件隐蔽性高的特点,实现良好设计效果。

　　 筒体结构多根据建筑竖向功能变化或立面造型变化由下而上演变出不同形式的平面。如目前世界最高建筑哈里法塔(建筑高度828m),采用带扶壁柱的混凝土核心筒作为主受力体系,随建筑立面结构分21次由外向内沿螺旋线依次收进。美国芝加哥的希尔斯大厦(建筑高度443m),采用九宫格束筒结构体系,体型分三次收进,其中前两次是角部筒体的对称收进,第三次是边缘筒体的不对称收进。国内项目如苏州中南中心(建筑高度729m),核心筒分三次均匀退台,形成“金字塔”式的竖向布置形式。综合来看,核心筒尺寸收进源于建筑平面尺寸的收缩,减小了高区的结构重量和受风面积,有利于提高超高层建筑的整体稳定性,从而实现结构高度、刚度和承载力的有机平衡。

　　 已建的众多超高层建筑中,核心筒竖向变化多采用均衡对称的收进方式。本文所述案例南宁华润大厦A座为少见的核心筒单侧偏心收进超高层建筑,深入解读由此引起的相关结构设计问题并提出设计解决对策,对今后类似项目具有一定借鉴意义。

　　 南宁华润大厦A座的建筑设计灵感来源于水晶体,整个建筑外立面呈现逐渐向上升至天际的晶体形态。项目位于南宁市,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,基本风压0.4kPa。塔楼上部结构90层,其中70层以下为办公,70层及以上为酒店及配套设施;结构高度418.5m,建筑高度445m。结构设计使用年限为50年,结构安全等级为一级,抗震设防类别为乙类。结构体系采用带加强层的钢筋混凝土核心筒-钢管混凝土框架混合结构,构成多道设计防线,提供结构必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度。竖向构件采用钢筋混凝土核心筒和钢管混凝土外框柱,26层以下核心筒内埋型钢柱,分别在43层和70层设置两道伸臂桁架加强层。结构模型核心筒示意、建筑效果如图1所示。办公及酒店标准层结构平面图如图2所示。

　　 本项目由于建筑底部办公、顶部酒店功能要求,建筑体型逐次向上收进,使得核心筒沿竖向3次单向偏心收进:第1次为办公4区48层以上核心筒南侧电梯墙收进;第2次为58～62层南侧剪力墙向北倾斜收进;第3次为74层酒店底部南侧剪力墙一次性向北收进10m。酒店南侧外框型钢混凝土柱是由下方核心筒南侧剪力墙向上延伸、在74层过渡搭接而成的。混凝土核心筒外围墙体厚度由下部1 500mm变化至上部的400mm,墙柱混凝土强度等级最高为C60。核心筒收进示意图见图3。

　　 根据地质详勘报告,场地岩土层主要有素填土、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩等。这些岩层在水平及垂直方向上的分布不均匀。场地内存在一条正断层,断层倾角约为60°～85°,为非全新活动性断层。断层上、下盘地层不连续,承载力及变形模量等指标在同一高程上有差异,属于不均匀地基。本项目塔楼采用桩基础方案,在断层上盘,采用中风化粉砂岩作为桩端持力层;在断层下盘,采用中风化砂岩作为桩端持力层。

　　 由于本项目核心筒采用单侧偏心收进的设计方案,由此带来如下几个突出问题:1)基础压力不均衡;2)体型收进部位刚度突变,应力集中;3)竖向荷载下结构产生水平变形,对建筑幕墙、电梯产生不利影响。解决上述问题对结构设计十分重要。

　　 本项目塔楼整体北重南轻,塔楼核心筒北侧剪力墙轴力大于南侧;尤其不利的是,在塔楼北侧核心筒与外框柱之间存在一条平行断裂带(图4、图5),使同一基础持力层的北侧基桩长度(约50m)明显长于南侧基桩长度(约25m),对本项目控制北侧和南侧的基础沉降差和塔楼上部的竖向变形、水平变形均产生不利影响。

　　 结合本项目塔楼结构的荷载分布特点及地质特点,设计中加强加密北侧荷载较重区域的桩基础(图5,6),加强底板的整体性,通过群桩效应降低局部基岩的附加应力,提高北侧桩基础设计富余度,降低桩身的压应力水平,同时控制南侧桩距和长度等,使其满足设计要求。本项目经多次基础方案专家论证,包括人工小直径桩、人工大直径桩和机械桩方案的研究讨论,最终确定采用人工挖孔扩底桩基础,桩径2～3m,底板厚度4～5m。采用盈建科设计软件的基础设计模块程序(YJK-F)对主塔楼基础进行变形计算,土层压缩模量采用地勘报告中给出的土层相应应力段物理性质数据2～3MPa,结合当地经验,设定沉降计算经验系数ψ,不考虑桩间土对沉降计算的影响,计算结果见图7。

　　 从计算结果可知,塔楼整体变形较为均匀。分析中考虑上部结构刚度的最大沉降量为54mm,均满足平均沉降量小于200mm的要求;考虑上部结构刚度的整体倾斜很小,倾斜方向上两端点沉降差与其距离的比值满足小于0.002的要求。

　　 从58层开始,建筑将取消的低区办公电梯空间移出核心筒之外,以提高建筑办公使用效率,故直接将核心筒南侧剪力墙向内收进3m,造成结构核心筒筒体南侧外墙上下错位、竖向刚度突变。为避免由此引起的结构加强措施对建筑及机电等其他专业的影响和由此增加造价等系列问题,在其他专业的配合下,最终选择在58～62层共计21m的高度范围采用斜率为1∶7的斜墙进行转换过渡,以实现南侧剪力墙向内倾斜3m、核心筒上下连续、传力连续直接的设计目标,斜墙示意见图8。斜墙设计主要遵循以下三个原则:1)斜墙水平分力可以由水平构件分担,并在罕遇地震作用下楼板开裂状况下仍然发挥作用;2)斜墙范围结构抗侧刚度均匀变化,楼层刚度比满足规范要求,不出现软弱层;3)斜墙位置剪力墙钢筋、钢骨过渡满足等强要求,施工简便可行。

　　 由于重力荷载作用下斜墙产生的水平分力是永久荷载,为了保证水平力的有效传递,设计时采取如下加强措施:

　　 (1) 斜墙的水平分力需要通过楼板等水平构件有效传递到南北向的剪力墙上,故重力荷载作用下相应水平构件均应保持弹性,设计时要保证楼板的拉应力需小于楼板的抗拉强度标准值。

　　 (2) 中震、大震作用下,考虑楼板的刚度退化,斜墙下端(58层)、上端(63层)分别设置水平桁架对核心筒形成套箍效应,同时作为传递斜墙水平力的第二道防线。

　　 (3) 在核心筒南侧斜墙经过的楼层范围与斜墙垂直连接的纵墙内预埋型钢柱和钢梁,以提高剪力墙的抗震延性。

　　 (4) 构件设计时,模拟大震下楼板开裂的极端工况,按不考虑楼板作用来设计水平桁架、斜墙内埋型钢柱和钢梁,以保证楼板开裂后水平力的有效传递。

　　 为释放楼板在重力荷载作用下斜墙的水平分力、让水平桁架承担斜墙的重力分力,施工中采取水平桁架区域(图9中虚线范围)楼板后浇的施工措施避免楼板过早开裂。因此,需要在不考虑桁架区域的楼板时验算施工工况、中震弹性下的水平桁架应力比,满足大震不屈服的性能目标要求。

　　 由于建筑从办公到酒店的功能变化,建筑外形亦随之改变,核心筒在73层酒店区域垂直向内收一半,下方核心筒南侧剪力墙演变为型钢混凝土柱,型钢混凝土柱在74层搭接过渡形成酒店区南侧外框柱,见图10,11。

　　 小震弹性计算分析显示,体型收进部位结构抗侧刚度和抗剪承载力均存在一定的突变。结构设计中对体型收进区及上下各两层范围内的剪力墙内埋型钢柱和型钢梁,性能目标确定为中震弹性、大震不屈服,按中震、大震性能分析的结果进行包络配筋,并根据大震弹塑性分析结果改进设计方案^[1]。

　　 超高层建筑中,体型收进属于较为常见的结构竖向不规则类型。历次地震震害表明,结构抗侧刚度沿竖向分布不均匀,会使某些楼层变形过分集中,甚至出现严重破坏^[2]。1995年阪神地震中就出现了不少案例,部分建筑因使用要求使剪力墙在中部楼层突然取消,导致这些竖向突变部位发生了严重震害^[3]。由于高位核心筒突然收进造成的剪力墙破坏,近年来已成为中低烈度区超高层建筑大震下主要破坏现象之一,这种破坏在很多项目上都有出现(图12)。

　　 本项目初始设计方案也出现类似的破坏形态,具体表现为73～78层体型收进区剪力墙损坏。在酒店收进区,结构南北向仅剩下两片主受力墙肢,刚度突变较大;在此区间,墙厚由800mm减为600mm再减为400mm(图13),墙厚急剧减薄,墙混凝土强度等级采用C50。多种不利因素汇集,最终使酒店收进区成为结构的主要薄弱部位,剪力墙出现严重的受压损坏,层间位移角曲线严重突变(图14)。

　　 为改善体型收进区域的剪力墙破坏情况,采取如下改进措施(图15):1)加强酒店区剪力墙的承载力,提高其混凝土强度等级为C60;2)减少墙厚变化引起的刚度突变,在600,400mm厚的南北向外墙间增设两层500mm厚的过渡区;3)在酒店区核心筒南北向外墙上用多连梁设置结构洞口(洞口宽度1.5m,每道连梁高度1m),在保证塔楼南北向刚度基本不变的条件下,设置连梁耗能构件,增加结构延性;4)延续底部南北向剪力墙到顶部,减小结构刚度突变。

　　 从图16可知,改进后的结构层间位移角大幅减小,酒店区剪力墙仅内墙墙肢洞口边缘出现局部损伤,南北向主受力外墙基本保持完好。由此可知,在不影响结构抗侧刚度的前提下,设置合理的连梁耗能构件,是保护主受力墙肢免受大震损坏的较为理想的结构设计手段。

　　 核心筒垂直收进位置,水平构件需要承担部分水平剪力并传递给下部竖向构件,设计时应采取特殊的抗震加强措施,收进部位的楼板、框架梁均按满足相应性能要求进行设计。

　　 超高层建筑结构中,重力荷载占很大比例,重力荷载下的施工模拟计算是正确反映高层建筑结构重力荷载效应的基本前提。通过施工模拟,竖向荷载随施工过程分层施加于已经建成的结构上,并考虑分层施工找平的影响。

　　 本项目塔楼由于南向收进的特殊体型,形成北重南轻的荷载分布特点,使得顶部酒店层荷载重心和下方楼层重心出现偏心,故当上部楼层施工时即产生无法避免的附加偏心弯矩和楼层水平位移,不但影响塔楼的整体稳定,同时竖向构件随时间的收缩和徐变也会进一步增加楼层顶点和楼层水平变形值,继而影响电梯设备和幕墙的施工和安装。尤其是超高层建筑,当结构的水平变形超过电梯的容许误差时,可能直接影响电梯的正常运行。基于上述考虑,本项目进行以下两方面的分析:

　　 (1)进行详细的施工过程分析,把握结构在自重作用下的受力状态,预测不同施工阶段结构水平变形的发展情况,指导项目进行全过程施工监测和预调。

　　 (2)进行结构在使用阶段的混凝土收缩、徐变的长期变形分析,给出结构在一定使用期限内的变形发展规律。根据分析结果,在电梯、幕墙设计时引入适当的变形容差,确保运营期间幕墙、电梯的正常使用。

　　 本项目采用MIDAS分析软件,按准确施工顺序进行模拟施工加载,考虑收缩、徐变的影响,对塔楼开始施工到投入运营20年进行模拟分析,典型施工阶段整体变形图见图17。

　　 竖向荷载引起的水平位移随时间变化见图18。重力荷载下结构弹性水平位移在77层达到最大,往上、往下部逐渐减小,这主要与施工时逐层找平和上部荷载偏心有关。施工过程中,核心筒每施工一层均以大地作为参照物进行纠偏,故最后施工的楼层水平偏移为0,变形最大点出现在体型收进位置。混凝土收缩和徐变会加剧结构的水平位移,5年后,徐变引起的水平位移增量约占总变形的47%。根据计算,在地震和风荷载下,77层的最大水平位移为244mm;5年后77层的因竖向荷载及混凝土收缩徐变累计发生水平位移为302mm,上述二者之和为546mm。由77层结构标高(344.5m)得出结构的质心平均层间位移角约为1/631,仍满足一般非结构构件的安装使用要求,电梯、幕墙设计按此计算结果对相关容差进行设计预留。经评估,结构变形对幕墙的影响很小;对电梯的影响主要体现在一些通高布置的高速电梯,随着时间的推移,需要对电梯轨道进行定期调整,井道尺寸应预留足够的调整空间。

　　 塔楼水平变形对结构整体计算的影响在设计中通过二阶效应予以考虑。对具体结构构件来说,竖向荷载引起的水平变形本质上是由竖向构件的不均匀轴向压缩引起的,对构件的抗震性能影响不大。混凝土核心筒在标准组合工况下处于全截面受压状态,因此不会因为水平变形而发生混凝土开裂。

　　 (1)由于建筑方案形成的核心筒单向偏心收进为超高层结构设计带来的诸多挑战,包括不利地质条件下的基础不均匀沉降、竖向构件多次单侧收进引起的刚度突变和结构水平变形等设计难题。

　　 (2)基础设计应根据实际地质条件,结合桩基础应力分布和沉降变化进行预纠偏,具体措施包括调整基础布置、加强底板整体性、桩应力调整等,以满足设计要求。

　　 (3)核心筒的竖向收进宜分段逐步过渡,避免刚度突变产生较大的鞭梢效应,避免引起结构在大震下可能发生的严重破坏。

　　 (4)超高层建筑的核心筒偏心收进,使竖向荷载下结构出现水平变形,随着后期混凝土收缩、徐变,水平变形将进一步放大;此水平变形对电梯、幕墙等专业造成不利影响,需要与相关专业设计师协调配合预留设计余量。