汇隆商务中心项目位于深圳北站东南侧, 东临民塘路, 南临玉龙路。地下3层, 地上由2栋塔楼 (2A#, 1#) 及裙房 (2B#, 2C#) 组成, 总建筑面积21.74万m²。其中2A#塔楼地上45层, 1～8层为商业, 8层以上为办公, 建筑面积10.4万m², 屋面结构高度为196.500m, 结构最大高宽比为4.25, 幕墙顶高度为205.5m。屋面上设有钢构架层, 用于布置擦窗机。1#塔楼地上21层, 屋面结构高度为98.7m, 幕墙顶高度为105.2m;地上裙房3层, 高度约18m。本工程通过设置变形缝将两个塔楼独立出来, 形成独立单元, 总平面布置见图1。

　　 本文对1#塔楼结构设计不作具体阐述, 主要介绍2A#塔楼的结构设计。2A#塔楼建筑平面尺寸为48.96m×46.20m, 建筑立面沿高度方向采用四段式设计, 每一段均有一个中庭, 分别位于建筑的不同立面上。除第一段中庭高度为36.1m外, 其余三段中庭高度均为52.5m。2A#塔楼建筑效果图和建筑剖面图分别如图2, 3所示。

　　 核心筒平面尺寸为19.8m×16.8m, 核心筒距外框架的距离为16.03m (X向) 和13.30m (Y向) , 核心筒最大高宽比为11.70。受中庭影响, 结构设计采用了带钢V字形斜撑 (简称V撑) 转换的钢筋混凝土框架-核心筒结构。

　　 2A#塔楼具有以下工程特点:1) 在建筑的四个立面上, 每侧均有一个靠外墙中庭, 高度较高, 施工难度较大;2) 中庭部位的幕墙高度较高、覆盖面积较大, 幕墙做法对结构受力有较大影响, 需按幕墙公司提供的反力对结构进行复核验算;3) 中庭处的外框架梁柱缺失, 外框架无法封闭, 其影响需进行专门分析;4) 核心筒至外框架的距离较大, 但建筑使用要求空间开阔, 应注意控制梁高;5) 虽然塔楼结构高度达到196.500m, 但结构最大高宽比为4.25, 核心筒最大高宽比为11.70, 结构整体尺度仍在合理、适宜的范围。

　　 根据工程地质勘察报告, 本工程场地类别为Ⅱ类。综合地质报告资料, 经多方案比较, 塔楼基础采用旋挖 (冲) 孔灌注桩, 桩径1 200～2 400mm, 无塔楼部分采用天然地基, 地下室底板抗浮采用抗拔锚杆。

　　 根据建筑方案的特点, 结构设计采用框架-核心筒结构, 四个区段典型楼层的结构平面图如图4 (a) ～ (d) 所示。四个中庭分别位于东立面3～10层、西立面11～22层、北立面23～34层、南立面35层～屋顶层, 如图5所示。其中东立面上部及西立面的转换结构承担上部23层 (95.4m高) 的建筑负荷, 东立面下部及北立面转换结构承担上部12层 (52.5m高) 的建筑负荷。中庭顶部楼层在非中庭区域采用钢筋混凝土梁板结构, 而中庭区域的施工支模难度较大, 该部分楼盖设计成钢结构, 楼板采用钢筋桁架楼承板 (图4 (e) ) , 方便其与周边楼板的钢筋搭接、楼盖整体工作, 并对该楼层补充施工荷载验算, 保证上部楼层施工时有足够的荷载空间。其余楼层楼盖仍采用钢筋混凝土梁板结构。中庭顶部的外框架采用V撑转换, 保证中庭的通透效果。事实上类似外框架不封闭的工程近些年也时常见到^[1,2]。

　　 为减小柱截面尺寸和便于V撑与柱连接, 底部楼层外框架柱及中上部与V撑相连的外框架柱采用型钢混凝土柱, 中上部不与V撑相连的外框柱采用钢筋混凝土柱。外框架梁主要为钢筋混凝土梁, 上下弦两侧相邻一跨的外框架梁采用型钢混凝土梁。为减小底部核心筒外周剪力墙厚度, 在1～9层外周剪力的边缘构件中内插型钢。主要结构构件截面如表1所示。外框架柱和剪力墙混凝土强度等级由底部C60逐渐降低至顶部C40, 梁板混凝土强度等级为C30。钢结构均采用Q345GJ钢材。

　　 考虑东立面中庭位置最低, 中庭顶部建筑尚有约150m高, 为减轻V撑转换的负担, 该侧沿建筑高度设两道V撑, 每道V撑分别承担52.5m和95.4m高的建筑负荷。第二道V撑恰好与西立面V撑在一个高度, 如图5所示。

　　 按照建筑方案, 每个中庭内均设有观光电梯 (图3) , 为简化力的传递, 观光梯井架采用开放式的全钢结构, 井架不设立柱, 其每层横梁支承于各自楼层结构上, 从中庭顶部楼层下吊机房层, 电梯运行的支撑力均传至机房层。

　　 中庭部位幕墙高度分别为36.1m和52.5m, 水平宽度分别为19.2m和19.5m。建筑师要求中庭尽可能通透, 因此幕墙结构形式选择为索幕墙, 水平索承担水平荷载, 竖向索承担幕墙的竖向荷载。索的水平变形按1/50跨度控制。索拉力以集中荷载的形式加到相应结构构件上进行计算。

　　 2A#塔楼的整体计算指标如表2所示, 详细计算参数选取及计算结果见文献[3]。

　　 从表2整体计算指标看, 结构满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[4] (简称高规) 1/615的限值要求, 结构刚度合理, 而且结构的扭转位移比为1.32, 说明外框架部分未封闭对结构的抗扭刚度影响不大。

　　 此外, 表1给出了主要构件的最大轴压比及应力比限值, 构件承载力满足规范要求。

　　 根据YJK软件的计算结果, 2A#塔楼混凝土用量按建筑面积核算为0.36m³/m², 钢筋用量为75.29kg/m², 型钢用量为19.7kg/m²。

　　 高规第9.2.3条规定, 框架-核心筒结构的周边柱间必须设置框架梁。其条文说明如下:由于框架-核心筒结构外周框架的柱距较大, 为了保证其整体性, 外周框架柱间必须要设置框架梁, 形成周边框架。笔者认为, 设置封闭外框架的作用有两个:一是增大外框架的刚度, 进而提高外框架部分承担剪力的比例;二是形成抗震能力较强的梁柱节点, 避免节点破坏。

　　 框架-核心筒结构可看成由外框架、核心筒及连接二者的楼面梁组成。2A#塔楼外框架不能封闭对竖向力的传递没有任何影响, 对该榀框架的抗侧刚度会有一定的削弱, 但不会削弱核心筒及连接外框架柱和核心筒的楼面梁的作用。同时, 在不能形成封闭外框架的开口部位顶部设置斜撑构件, 对提高该榀框架的抗侧刚度有很大好处;结合中庭跨度较大的特点, 最终设计采用了在开口部位顶部设置V撑转换。

　　 由于四周框架梁在四个立面上均有缺失, 且缺失量相近, 同时在每个开口部位的顶部均设有V撑转换, 补偿了框架平面内的刚度损失, 因此外框架四周不封闭对整个结构的扭转性能影响不大。

　　 图6分别给出了底部和顶部楼层外框架封闭与外框架不封闭情况下, 外框架在地震作用下的位移对比, 从位移图可以看出:1) 当中庭位于结构底部时, 地震作用下外框架封闭与不封闭的水平位移差异很小, 在1mm左右;中庭以上部位, 由于外框不封闭时有V撑存在, 外框架的整体刚度较大, 所以中庭以上外框架的位移反而比外框封闭时小。2) 当中庭位于结构顶部时, 由于不需要设置转换构件, 外框架封闭与不封闭对比, 地震作用下的水平位移差异在5mm以内, 即外框架梁的缺失使外框架的刚度有所损失, 外框架平面内的变形有所增大, 但均在可以接受范围内。分析也表明:当中庭在结构底部时, 外框架封闭与不封闭, 外框架承担的地震剪力相差在15%以内, 当中庭在结构顶部时, 相差在20%以内, 所以外框架不封闭对结构中力的分配有一定影响, 但影响程度并不大。

　　 中庭顶部需要对外框架柱进行转换, 转换方案有人字形斜撑 (简称人字撑) 和V撑两种形式, 斜撑布置方案及斜撑变形示意图如图7所示。计算分析表明, 二者在整体传力上差别不大。主要差别有以下几点:1) 竖向荷载作用下人字撑下弦拉力较大, 而V撑上弦压力较大;人字撑的撑杆为压杆, 需考虑稳定承载力, 而V撑的撑杆为拉杆, 不需考虑稳定问题, 构件工作效率高。2) 中庭幕墙为索幕墙, 索拉力作用在斜撑下弦, 如果采用人字撑, 转换柱不伸至下弦, 下弦跨度较大, 下弦将承受很大弯矩, 人字撑的下弦节点既受拉又受弯, 节点构造较为复杂。3) 采用V撑时, 斜撑周边构件的拉力远低于采用人字撑时的相应拉力, 考虑到混凝土抗压不抗拉的特性, 采用V撑会更有利。4) V撑方案更有利于通过设置临时钢索采用塔吊进行散拼吊装, 如图8所示;V撑方案也可以采用整体提升的办法完成施工, 完全避免高支模施工。通过上述对比分析, 2A#塔楼最终采用了V撑方案。

　　 图9为东立面上部V撑及其周边构件在恒载作用下的内力图。由图9可知, 竖向荷载主要由V撑、上弦及下弦三者共同承担, V撑和上弦轴力相对较大, 而下弦弯矩和剪力相对较大, 考虑到轴力荷载传递效率较高, 设计时适当加大V撑及上弦刚度, 从而提高结构转换效率。

　　 按照连续梁的思路, 转换斜撑做成连续跨其效果将好于单跨, 2A#塔楼斜撑是否也延续这样的思路来设计值得研究。为此, 对仅设置V撑和V撑两侧加斜撑两种方案进行了对比分析。恒载作用下两种方案斜撑及其周边构件的轴力如图10所示。图10表明, V撑两侧增加的斜撑内产生了较大的轴力 (压力) , 同时上弦的压力和下弦的拉力均较仅设置V撑方案有所增大。从受力上看两侧斜撑并没有改善转换构件的受力。

　　 图11给出了V撑两侧是否加斜撑对结构竖向位移的影响。从位移图可以看出, 恒载作用下结构中部位置竖向位移比最外侧框架柱大, 从而使得V撑两侧斜杆受压, 被转换框架柱的轴力通过V撑两侧斜杆向最外侧框架柱转移, 进而使得下弦拉力和上弦压力均增加。考虑到较多斜撑的存在会影响室内的通透性, 且斜撑越多越容易引起结构刚度突变, 故最终选择单跨斜撑转换方案, 即仅设置V撑方案。

　　 这里需要注意, 2A#塔楼设置的V撑与上下弦一起看似形成了桁架结构, 但从传力特性上讲, 并不是桁架结构, 上下弦及转换结构以上楼层对应位置的外框梁均承受较大弯矩与剪力, 被转换部位的竖向荷载由V撑、上下弦及转换结构以上楼层对应位置的外框梁共同承担, V撑的轴向刚度越大, 上下弦和上部各楼层外框梁所受的弯矩就越小, 反之弯矩越大。因此, 设计上可适当加大V撑截面, 降低楼层梁的弯矩, 且将楼层梁的底筋按整个中庭的跨度作为一跨来配筋。

　　 节点设计需考虑传力直接、构造简单、现场焊接质量易于保证、利于混凝土浇筑。钢结构的节点一般均在工厂加工, 有专业的大型设备配合, 焊接的工作环境稳定, 焊接质量容易得到保证, 鉴于此, 节点构造的关注点主要集中在现场焊接的质量控制上。

　　 现场焊接质量的影响因素:1) 焊接方式。仰焊焊接质量最差, 平焊焊接质量最好;2) 焊角高度。焊药的消耗量及焊接产生的热量随焊角高度的平方增长, 故钢板厚度越厚焊接越难;3) 连接方式。当传力方向在厚板的平面外时, 易引起厚板的层间撕裂, 对厚板Z向性能要求较高。

　　 综合考虑上述因素, 转换结构上弦采用型钢混凝土梁, 内置倒放的H型钢, V撑采用矩形钢管, 节点设计使矩形钢管的腹板贯通, 翼缘通过一块竖板转接在十字形钢柱的翼缘上, 如图12所示。这种构造能在柱的中间形成上下贯通的空腔, 便于混凝土浇筑和钢筋通过, 这是一种强化斜撑腹板作用的节点设计思路, 与采用H型钢作斜撑相比, 此节点斜撑翼缘的作用相对弱化, 但也因此才创造了节点核心区做空腔的条件。

　　 该节点处的钢筋混凝土梁及型钢混凝土梁均采用水平加腋, 使得多数钢筋能够绕过十字形钢柱翼缘直接锚入柱内, 方便钢筋绑扎, 见图13。该节点构造得到钢结构制作单位和土建施工单位的认可。

　　 2A#塔楼建筑立面采用了四段式设计, 每段都设有一个高度较高的中庭, 分别位于建筑的四个不同立面上, 给结构设计及施工带来了很大挑战。结构设计结合工程实际情况, 在立面的每个中庭的顶部设置V撑转换, 将V撑矩形钢管的腹板做强并贯穿十字形钢柱, 梁根部采取了水平加腋措施, 方便了钢筋锚固。将中庭顶部一层的局部楼盖设计成钢结构, 避免了施工采用高支模等措施。分析表明, 采用V撑转换形成的不封闭外框架结构能够满足抗震安全要求。