珠海横琴梧桐树大厦位于珠海市横琴岛,东侧与澳门特别行政区隔海相望,总用地面积为2.5万m²,总建筑面积17.9万m²,结构屋面高度188.5m。结构地上40层,典型层高5.4m和4.4m,建筑面积10万m²,主要功能为商业、办公楼、七星级酒店,其中10层和26层为避难层;地下共4层,地下4层～地下1层层高分别为3.85,3.85,5.1,6.0m,建筑面积5.8万m²,建筑主要功能为商业、酒店用房、车库、设备用房。

　　 本工程位于7度区,场地类别为Ⅳ类,设计地震分组为一组,抗震设防类别为标准设防类;50年基本风压为0.85kN/m²;底部加强区剪力墙抗震等级为特一级,其他区域为一级,外框架抗震等级为一级。型钢采用高强钢Q390GJ,柱和剪力墙混凝土强度等级从底部区域C60逐渐变化到顶部区域的C40。

　　 整体结构立面图及主要抗侧力体系的构成见图2,结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。为了满足规范^[1,2,3]的要求,塔楼中部由多个小筒和多片长剪力墙组成,以提高结构的抗侧力。

　　 本项目的建筑平面长宽比为3.0,高宽比为7.0。结构抗侧力体系由钢筋混凝土框架和剪力墙组成,其中剪力墙为第一道防线,框架为第二道防线,共同组成钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。钢筋混凝土框架柱均采用全高加密箍筋和复合井字箍、局部加芯柱的措施,底部楼层柱和剪力墙中设置型钢。

　　 结构典型立面及平面布置见图3,4。由于独特的建筑方案造型,使得本项目不但悬挑跨度大、悬挑层数多,形成高空四重不连续悬挑结构(最大悬挑距离13.2m),需要进行可靠的结构受力分析和施工可行性分析。

　　 根据建筑酒店功能少斜杆的设计要求,结构初步方案选型时,结合酒店4.5m标准开间,利用酒店开间梁柱围合形成空腹桁架的上弦杆、下弦杆及直腹杆,实现对建筑功能影响最小的多重空腹桁架悬挑结构方案。由于空腹桁架以弯曲变形为主,构件受力以弯矩和剪力为主、轴力为辅,可避免实腹桁架中斜杆对建筑功能的影响,同时空腹桁架的受力均匀、传力明确、构造简单、结构刚度利用充分,可实现理想的建筑设计效果。

　　 目前国内实际工程中应用的空腹桁架结构形式,根据使用材料的不同分为预应力混凝土空腹桁架、型钢混凝土空腹桁架和钢结构空腹桁架等。具体应用时需综合考虑建筑功能要求、上部结构状况、施工条件、承载状况等诸多因素。

　　 本项目在高空悬挑的结构区域,采用以下多种空腹桁架结构方案进行对比分析。

　　 本项目为超高层建筑,其高空悬挑区域除应选择合理可行的结构设计方案外,还应考虑施工的安全性和可操作性。对钢结构多层空腹桁架和带混凝土斜撑的多层空腹桁架进行方案对比分析。

　　 当采用多层空腹桁架方案时,必须同时考虑高空施工因素。计算可知,不同的施工顺序直接影响构件的设计内力,钢结构多层空腹桁架方案和带混凝土斜撑多层空腹桁架方案在一次加载和顺序施工加载时的构件内力差异很大,见图5～7。一次加载时构件受力均匀;而顺序施工加载时底部构件受力较大,上部构件受力较少,构件内力变化较大。主要原因是顺序施工加载时,底部桁架需要承受每一层施工的荷载,这些荷载均会引起下部空腹桁架产生附加弯矩,造成自重下底层桁架内力增大,顶部桁架内力减小,弯矩不均匀分布效应增大。

　　 鉴于多层空腹桁架的构件内力受施工顺序的影响较大,为避免全过程高空支模,考虑先施工空腹桁架杆件、形成空腹桁架后再浇筑楼面板的施工方案,因此多层空腹桁架必须采用钢结构空腹桁架,混凝土空腹桁架方案由于自重大,承载力低,开裂工作引起刚度下降,且无法满足一次加载的要求,因此不予考虑。

　　 带混凝土斜撑的多层空腹桁架方案,可避免施工引起的构件内力不均匀现象,同时采用常规的施工加载顺序,施工受力明确,无需全过程高空支模施工。该方案由斜撑承担主要悬挑荷载,空腹桁架仅作为结构安全储备、满足结构抗连续倒塌能力要求。结构可采用钢筋混凝土结构,局部埋置少量型钢控制拉杆内力,整体造价较低。

　　 表1～3为两个方案的构件计算截面及优缺点对比分析,图8为两个方案的结构计算模型。考虑到带混凝土斜撑的多层空腹桁架方案可采用常规施工顺序且无需全过程支模,符合超高层施工需求,并鉴于造价的因素,最终选择带混凝土斜撑的多层空腹桁架方案。

　　 为满足建筑功能要求,兼顾结构受力和施工要求,提出拉压斜撑、双压斜撑、单压斜撑三种对比方案。各方案的优缺点见图9,10和表4。

　　 由于带混凝土斜撑的多层空腹桁架方案采用了现浇混凝土,因此需考虑拟施工加载的影响,根据图9,10和表4分析可知,单压斜撑方案具有布置简单、受力明确、对建筑影响最小、施工简单安全等优势。

　　 悬挑区域最终结构布置方案见图11。本项目斜撑斜向跨越两个楼层、与梁柱刚接相交。受力分析表明,斜撑承受了主要的竖向荷载,空腹桁架只有在斜撑破坏后才能发挥作用。相对于一般的空腹桁架,由于斜撑的参与,悬挑体系的结构刚度、传力效率明显提升。

　　 悬挑区域斜撑以外的框架,由于施工的影响,需要待悬挑主体结构完成后按悬挂框架进行施工,以避免承担上部楼层的荷载。

　　 悬挑区域二和悬挑区域三(图11)的斜撑框架,施工时采取局部构件后施工的方式,尽可能减少竖向荷载累积,同时通过防连续倒塌和二道防线的补充验算,使得这两个区域的斜撑框架既能独立承担本区域荷载,又能相互协助。

　　 悬挑区域的底部落地框架柱、落地斜撑采用布置型钢的形式进行设计加强。

　　 由于悬挑斜撑和框架的抗侧刚度很小,以承受重力荷载为主,计算时需要考虑竖向地震作用。但由于本项目的特殊性,结构性能目标设定为C级。

　　 计算可知,由于珠海的风荷载较大,结构作用主要由风荷载控制,小震及中震不起控制作用。各受拉楼层的梁内设置型钢以承担全部拉力,控制梁受拉端跨钢筋应力和裂缝,以满足正常使用功能需求。

　　 图12为悬挑区域带斜撑方案在大震下的受压损伤图。可以看出,带斜撑空腹桁架方案在大震下仅局部区域出现轻微的塑性损伤,满足性能目标要求。

　　 根据施工方案进行实际施工计算模拟分析。为满足施工要求,避免全高支模,采用逐次向外建造的施工方案,具体楼层的施工模拟步骤见图13。首先逐层施工斜撑内的框架,按照常规的楼层施工顺序向上及向外侧进行施工,将已施工完成的结构作为后施工结构的支点。待施工到一定楼层时,便可同时向上施工上层框架、向下施工下层悬挂框架。

　　 实际施工时,混凝土支模方案见图14。在悬挑区域的下部楼层设置整层高的悬挑钢平台,通过拉索与主体结构相连,在平台上支模建造斜撑上部悬挑区域,待施工到一定楼层后,逐次拆模,最后建造斜撑下部悬挂框架。

　　 在图15中,为满足结构抗连续倒塌设计要求,在悬挑区域二和悬挑区域三中间设置后浇柱,柱中埋置型钢,当悬挑区域二斜杆失效后,柱可作为拉杆,通过悬挑区域三拉住悬挑区域二;当悬挑区域三失效后,柱可作为压杆,通过悬挑区域二支承悬挑区域三。

　　 (1)从结构概念设计及实际施工出发,对工程进行多个结构悬挑方案的分析对比,结果表明,钢结构空腹桁架及带混凝土斜撑方案均可行。

　　 (2)对悬挑区域进行多种带混凝土斜撑的多层空腹桁架方案对比,最终选用单压的结构方案,计算表明,该方案有良好的经济性,且施工简便易行。

　　 (3)对悬挑区域考虑性能设计和二道防线设计,以保证悬挑区域在地震作用和偶然荷载下建筑物的安全。