深圳湾瑞府项目位于深圳南山区的后海, 坐落于深圳湾的西面、深圳湾体育中心 (曾被用于举办深圳2011年第26届大运会开幕式) 的南面, 该项目紧邻华润总部办公楼“春笋”。主要建筑功能为六星级酒店及高端公寓, 图1为建筑效果图^[1]。

　　 瑞府塔楼建筑高度246.9m, 结构高度232.6 m, 地上62层, 地下4层。下部1~24层为酒店, 上部25~62层为公寓, 标准层层高3.6m。地上建筑面积约90 000m²。

　　 本工程设计基准期为50年, 结构安全等级为二级, 抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.10g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为Ⅲ类, 场地特征周期为0.45s, 阻尼比为0.05^[2]。采用深圳地区50年重现期基本风压为0.75 k Pa, 地面粗糙度类别为B类, 风荷载体型系数为1.4。

　　 塔楼结构平面尺寸为37.4m×37.4m, 结构高宽比约为6.5;核心筒外围尺寸为19.3m×19.3 m, 核心筒高宽比约12.8。本塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系, 由外框架和核心筒共同组成抗侧力体系。核心筒采用钢筋混凝土筒, 外框柱在下部楼层采用型钢混凝土柱, 上部楼层采用钢筋混凝土柱。核心筒于25层在Y向有收进, 收进后核心筒尺寸为19.1m×12.9m。图2为下部酒店及上部公寓的典型楼层结构平面布置图。

　　 由于在角部柱间未设置框架梁, 为了增加角部整体性将角部的混凝土楼板加厚至200mm, 并设置角部柱间的暗梁, 同时考虑将两端悬挑梁按一整段框架折梁构造。在立面上充分利用对建筑功能影响不大的机电/避难楼层, 对外框架的整体性做进一步的加强:增加避难层上层的外框梁截面高度, 并在这些楼层设置较强的角部柱间框架梁。

　　 本项目核心筒和外框柱间楼面框架梁采用现浇钢筋混凝土, 与核心筒和外框柱均采用刚接。楼面框架梁不仅承受重力荷载, 而且非常有效地参与了整体结构的抗侧工作。外框柱由每层楼面梁直接与核心筒相连, 通过每层楼面梁的抗弯刚度, 使整个结构的空间整体抗侧作用得到充分地发挥。竖向构件的截面尺寸如表1所示。

　　 标准层外框梁截面为500×800, 在机电楼层对外框梁进行加强, 截面为500×1 000。为保证净高要求, 核心筒和外框柱之间框架梁 (简称楼面主梁) 截面采用600×650。标准层楼板厚度为120mm, 核心筒收进楼层楼板厚度为150mm。

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》和《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[3] (简称高规) 规定, 项目的主要超限情况如表2所示。

　　 根据项目的特点和塔楼在各水准地震力作用下的受力机理, 综合考虑安全性和建筑使用要求及经济性, 提出以下性能目标。

　　 本塔楼外框柱主要通过楼面主梁发挥作用, 所以核心筒在抗侧作用中起非常重要的作用, 将底部加强区核心筒作为关键构件, 由于上部核心筒收进, 将收进区域的核心筒也定义为关键构件;由于楼面主梁两端刚接, 受力形态接近连梁, 所以将其定义为耗能构件, 为了保证楼面主梁出铰后塔楼在中震和大震下仍然具有一定的刚度, 对外框梁特别是角部悬挑梁进行了加强, 性能目标分别取为中震不屈服和中震弹性。对于重要的外框柱转换节点也提出了不先于构件破坏的性能目标要求。部分构件的性能目标如表3所示。

　　 深圳湾区域地面粗糙度类别为B级, 基本风压为0.75k Pa, 风荷载起主要控制作用, 风荷载下结构基底剪力为小震下的1.3倍。而且由于建筑顶部为高端公寓, 其对顶部风振加速度的要求十分严格。

　　 为了使结构的刚度和动力特性满足层间位移角和舒适度的要求。通过对各个构件在水平荷载下的受力特性及刚度贡献进行细致地分析, 特别是对结构进行逐步解构, 分析外框梁、外框角部悬挑梁、楼面主梁各自的刚度贡献及其互相组合时的刚度影响, 详细地了解这些构件在外框柱发挥抗侧能力时所起的作用。

　　 通过合理的平面布置, 并且利用5个机电楼层对外框梁的加强, 使外框柱和核心筒的整体抗侧能力得到了充分发挥, 最终层间位移角和风振加速均满足规范要求, 同时也保证了塔楼的立面效果和室内的使用品质。

　　 由图3可知, 层间位移角满足规范要求。图4为风洞试验单位RWDI提供的风振总峰值加速度在各个重现期下的曲线。结果表明, 在10年重现期时, 总峰值加速度小于规范的限值0.15m/s²。同时考虑公寓和酒店中有大量的隔墙, 在满足规范要求下, 可以提供更好的实际舒适度体验。

　　 塔楼的建筑功能为酒店和高端公寓, 对角部房间的外观效果及使用品质有较高要求。所以塔楼在角部两柱之间未设置框架梁, 通过两端的外框悬挑梁将角部柱进行连接。

　　 通过4个对比模型 (角部无梁模型, 角部梁截面分别为500×400, 500×600, 800×650的模型) 对本项目中角部梁的作用进行分析。结果如表4所示。

　　 由周期及最大层间位移角对比可以看出, 随着角部梁截面的增加, 结构刚度逐步增加, 但变化并不显著, 即使增大到800×650的截面尺寸, 最大层间位移角也只减小了4%左右。在目前的结构体系中, 角部梁对整体结构的抗侧贡献并不十分明显。

　　 在Y向规定水平力作用下, 外框架的倾覆力矩分担比为48%, 可见外框柱的抗侧效率较好。图5中的轴力也显示外框的剪力滞后效应较小, 外框柱的抗侧作用得到充分的发挥。其原因为每层的楼面主梁将外框柱和核心筒相连形成整体, 充分利用了外框柱的轴向刚度, 类似于每层有一组“分散伸臂桁架”的效果。而且在轴力图中也能明显看出, 角柱的轴力仍然是大于中柱, 通过两端悬挑梁的连接, 也发挥了外框架的整体作用。

　　 所以在本项目中采取角部无梁的方案, 塔楼的刚度可以满足要求, 同时能提供更好的角部视野和室内效果。

　　 基于建筑功能的需求及地下室车道的布置要求, 在地下室及底部公共楼层, 外框柱的截面为1 400×1 600, 而在酒店及公寓标准层, 为了室内效果的考虑, 采用细长的柱子, 截面为1 200×1 900, 如图6所示。结构设计上利用4层及4M层两个机电楼层, 实现柱截面的转换。

　　 图6 外框柱截面转换示意图

　　 采用实体单元对节点进行精细化建模, 为了避免边界条件的近似带来的计算误差, 采用MIDAS Gen软件将节点模型放入整体模型中进行计算, 准确地考虑周围构件对节点的影响。具体的有限元模型如图7所示。

　　 节点的有限元分析结果如图8所示。混凝土压应力水平约为20MPa, 小于C60混凝土的抗压强度设计值^[4]。在楼面梁部位以及5层与4M层交接部位存在一定程度的应力集中, 混凝土的压应力较高, 但该区域面积非常小。型钢钢骨及节点区加劲肋的应力水平小于118MPa, 均小于钢材的屈服应力。

　　 由有限元分析的结果可知, 柱截面转换节点满足设计要求。

　　 图8 节点有限元分析结果

　　 本项目上部建筑功能为高端公寓, 为了增加公寓的使用面积, 公寓楼层的核心筒在Y向两端各有3.1m的收进, 如图9所示。

　　 由于核心筒收进, 图10中的1, 2两点之间存在竖向变形, 根据剪力互等, 剪力墙内会产生较大的剪力。需利用过渡区附近楼层的Y向剪力墙来协调此变形差, 使Q6和Q4最终均匀承受竖向荷载。图10为西侧外墙立面。

　　 核心筒收进对结构刚度削弱较大, 层间位移角在此处有突变。同时由于刚度突变, 对抗震不利, 所以需对该处墙体进行加强, 措施如下:在25~28层核心筒的角部增加型钢, 并向下延伸到24层, 提高过渡区附近墙体的延性。对图10范围内的核心筒墙体按抗震等级特一级构造, 分布钢筋配筋率提高到0.4%。

　　 在结构的弹塑性分析中, 对核心筒收进处大震下的受力及变形进行了详细的分析, 结果如图11所示。

　　 图1 1 核心筒收进处大震下混凝土压应变包络

　　 同时也对该区域剪力墙进行了性能目标的验算, 结果表明剪力墙承载力均满足设计要求, 并达到所提出的关键构件性能目标的要求。

　　 为了验证结构在罕遇地震作用下的性能, 本项目采用LS-DYNA软件对结构进行罕遇地震下的非线性动力时程分析。

　　 在LS-DYNA非线性结构模型的构件进入弹塑性阶段之前, 为确保该模型动力特性与弹性的PKPM模型相一致, 采用了LS-DYNA求解特征值的功能得到了LS-DYNA模型小变形、小应变的周期和振型。在求解特征值的分析中, 构件的刚度值取其初始的弹性刚度。表5给出了LS-DYNA模型和PKPM模型前3阶振型的周期。可以看出, 两个模型的动力特性基本一致。

　　 塔楼在3条地震波 (人工波MHα01、天然波cce和天然波ive) 作用下的层间位移角曲线如图12所示。

　　 结果显示, 塔楼X向最大层间位移角为1/130, Y向最大层间位移角为1/106, 满足规范对层间位移角的要求。从层间位移角曲线可以看出, 在核心筒收进区域结构刚度有所削弱, 因此对该区域采取加强措施是必要的。

　　 从塔楼各主要构件在大震下的响应情况 (图12~16) 来看, 层间位移角满足规范要求, 部分外框梁出铰, 外框柱保持弹性, 符合强柱弱梁的设计理念。主要外框构件性能目标均能得到满足, 外框体系在大震下基本完好, 能起到抵抗侧向力和传递竖向力的作用;大部分楼面主梁和核心筒连梁进入塑性, 起到了耗能作用, 其中连接外框柱与核心筒角部的Y向梁上由于搭接了次梁, 承担的竖向荷载范围较大, 在弹塑性分析中也未产生超越IO的塑性铰, 其均能满足性能目标;核心筒剪力墙混凝土压应变均匀, 除底部加强区和中部过度区稍大外, 其他位置均较小, 核心筒在大震下仍然能起到承担竖向力和抵抗侧向力的作用。

　　 深圳湾瑞府项目属于复杂超高超限结构, 为此进行了详细的分析和设计工作, 本项目已于2015年4月通过了超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的审查, 目前塔楼结构已经封顶。主要设计要点总结如下:

　　 (1) 应建筑效果及使用品质的要求, 未设置角柱及角部梁, 充分利用每层外框柱和核心筒之间的框架梁, 使外框架和核心筒整体受力, 提高结构抗侧刚度。在海边强风荷载下, 不设置加强层, 层间位移角、舒适度满足规范要求, 实现了更高的建筑品质。

　　 (2) 由于地下室车道的限制, 外框柱在4层有截面转换, 节点构造满足设计要求。

　　 (3) 从酒店到公寓, 核心筒在Y向有收进, 收进区域结构刚度有所削弱, 墙体有应力集中现象;通过分析, 收进区域核心筒能满足设计要求, 大震下的计算结果也说明其能满足预定的性能目标要求。

　　 (4) 塔楼满足性能化设计目标, 在大震作用下, 结构弹塑性层间位移角和构件破坏程度均满足要求。

　　 (5) 本项目总体设计满足结构各项性能目标, 结构安全可靠。

　　 本项目施工图设计由广东省建筑设计研究院完成。