1 工程概况

　　 深圳前海国际金融中心项目是由深圳市前海景兴物业管理有限公司在南山区前海桂湾片区开发的超高层办公楼,项目地块总用地面积约为51 416m²,规划总建筑面积约为477 000m²。本文介绍的塔楼为其中02地块的T1塔楼,其地面以上54层,屋面高度249.03m,屋面以上幕墙高度11.7m,项目建筑效果图见图1。项目设有4层地下室,地面以上主要为办公区,沿高度设置4个避难层,地下室主要为停车库及部分商业区,地下3,4层设有人防区。

　　 结构设计使用年限为50年,建筑安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为7度,基本地震加速度为0.10g,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组,场地特征周期T_g=0.35s,抗震设防分类标准为丙类。基本风压w₀=0.75kN/m²(50年一遇)及0.45kN/m²(10年一遇),地面粗糙度类别为A类 ^[1]。

　　 图1 建筑效果图   

　　  

2 结构方案选型

　　 本工程方案设计阶段,根据建筑方案对塔楼的结构选型进行了详细的对比分析。设计时考虑过钢结构、钢筋混凝土结构方案,考虑过巨柱、巨柱+小柱方案,以及普通楼盖和无梁空芯大板方案等,各方案的优缺点见表1。

　　 表中从建筑立面、建筑室内净高、结构效率、结构造价、施工进度、使用维护等方面进行了对比分析。业主及建筑方案单位一致认为不设置小柱的混凝土无梁楼板方案最能满足该项目的要求。现浇空芯楼盖在超高层中应用不多,2008年笔者团队曾在深圳市政协大厦15层以上的楼盖中按空芯楼盖设计并实际实施完成。多结构方案比较后选定的混凝土无梁楼板方案对结构设计提出了挑战,本文将对该项目的结构设计进行详细论述。

　　 结构方案对比 表1

结构方案		梁高/m	含钢量	优点	缺点
混 凝 土 结 构	巨柱+小柱(需加环桁架)	边框0.8 内部0.7	最低	有环桁架,结构抗侧效率较差,较为节省	巨柱中间及角部有小柱,避难层立面有斜杆
	巨柱+大跨梁	边框1.2 内部0.7	较高	无环桁架及小柱,视野开阔,室内空间使用灵活	边框梁较高,需结合建筑立面处理
	巨柱+大跨梁+无梁楼盖+伸臂桁架	边框1.2 板厚0.4	最高	视野开阔,室内空间使用灵活,厚板结构美观,节约层高	边框梁较高,需结合建筑立面处理,大板结构造价略高
钢 结 构	巨柱+小柱(需加环桁架)+伸臂	边框0.65 内部0.5	较低	结构重量轻,施工速度快,一般较混凝土结构快2～3天/层	钢构件需要防火防腐处理,造价高,如增加小柱会影响建筑视野
	巨柱+伸臂	边框0.85 内部0.5	中

 

　　  

3 基础设计

　　 本工程地下室底板板底的相对标高为-20.3m,大部分底板厚度0.9m,地下室底板位置大部分为黏土粗砂层,局部为中砂层,地下室底板距离中风化混合花岗岩层深度约为11.6～27.8m,距离微风化花岗岩层深度约为15.2～31.1m。根据岩土工程勘察报告,中、微风化花岗岩承载力高,力学性质稳定,是良好的天然基础持力层以及桩基础的桩端持力层。由于地下室埋深较深,且地下水水位较高,抗浮水位建议取建筑地坪±0.00标高以下1.50m,经计算裙楼部分和塔楼局部地下室底板下需进行抗浮处理,考虑采用抗拔桩进行抗浮。

　　 经综合分析,本工程采用核心筒下桩筏和巨柱下承台+防水板的基础形式,桩型采用大直径钻(冲)孔灌注桩。塔楼墙柱以微风化混合花岗岩为基础持力层,塔楼范围外墙柱的基础持力层为中风化混合花岗岩,基础及底板布置图见图2。

　　 图2 基础及底板布置图  

　　  

4 结构体系及布置

　　 本工程塔楼标准层平面长、宽均为46.8m,结构高宽比约5.5; 核心筒外围长约24.5m,宽约21m,高宽比11.8,沿高度连续贯通。建筑首层层高19.5m,标准层层高4.5m,避难层(设备层)层高5.1m。结构主要由混凝土核心筒、型钢混凝土巨柱、边框梁、空芯楼板及伸臂桁架等构成。

4.1 巨柱

　　 标准层平面布置图见图3,沿建筑四周每边布置有2根巨柱,共8根巨柱,型钢混凝土巨柱沿竖向呈内“八”字形倾斜,柱轴线距离由底层26.6m减小至顶层约22.6m,巨柱间不设小柱,边框梁跨度大。巨柱位于平面各角部,有利于提供抗侧刚度、抵抗倾覆力矩,同时为建筑使用提供了开阔的视野。

　　 图3 标准层布置示意图   

　　  

　　 图4 巨柱截面形式   

　　  

　　 由于各巨柱荷载差异不大,同一楼层的巨柱截面相同。巨柱截面沿高度按避难层分段变化,底部为正方形截面,上部楼层变为矩形截面。因建筑立面要求,柱截面尺寸变化时,柱外侧及另一方向的柱中线保持对齐,因此变截面处上下柱形心之间在一个方向有偏心,最大偏心距150mm,计算分析时按各层巨柱的实际位置建模,考虑上下层间巨柱偏心的影响。巨柱截面从底部2 300×2 300逐渐减小至顶部1 400×1 600,巨柱截面沿高度的变化见图4,混凝土强度等级为C60～C35,其内置型钢牌号为Q345GJB,Q345B。

　　 巨柱内设置型钢时综合考虑巨柱截面沿高度的变化、柱型钢含钢率、型钢中心与巨柱中心、巨柱与外框大跨型钢梁的连接、巨柱型钢与加强层桁架的连接等因素。外框梁的位置确定了柱内一侧型钢的定位不变,另一侧的型钢布置尽量使型钢的形心和混凝土柱的形心重合。出屋面后的屋架梁位变化,柱内型钢位置也做相应调整。巨柱内的型钢含钢率约为4%～7%。

　　 数量较多的型钢梁直接连接在巨柱内的型钢上,便于节点连接、制作和施工。环桁架、伸臂桁架等的力也直接传递到巨柱内型钢上。

　　 巨柱在各层有截面较大的边框梁相连,同时在22层、44层分别和环桁架及伸臂桁架相连。框架梁、环桁架斜杆、伸臂斜杆与型钢柱内的型钢相连,其力对巨柱形成偏心作用。

4.2 核心筒

　　 核心筒混凝土强度等级为C60～C35,其内置型钢牌号为Q345GJB,Q345B。混凝土核心筒位于平面中央,外筒沿高度连续贯通,外围墙厚由底部1 200mm逐渐减薄至顶部500mm; 核心筒内部墙厚400mm,470mm,沿高度方向厚度不变,在上部楼层取消部分墙体。根据建筑功能需要在剪力墙上布置门洞及设备洞口,电梯厅位置典型连梁高度980mm,空调机房位置设置双连梁,方便设备管道穿出核心筒而不影响建筑净高。底部部分墙肢内埋置型钢柱,既能分担混凝土轴力,减薄混凝土墙厚,又能提高墙体的抗弯及抗剪承载力。减薄墙厚可以增加建筑使用面积,提高建筑使用率。

4.3 伸臂桁架及环桁架

　　 为了协调核心筒与巨型框架的变形,使巨柱与核心筒一起抵抗水平地震与风荷载作用,提高结构的整体刚度; 同时由于巨柱间框架梁的跨高比达22,梁刚度较弱,需要通过周边环桁架与巨柱组成巨型框架,共同抵抗侧向荷载,增加结构抗侧刚度和抗扭刚度,同时可以为巨柱提供较强的水平约束。设计时沿高在22层、44层设置2道伸臂桁架及环桁架的结构加强层。

　　 由于结构平面基本对称,每道伸臂桁架的8组斜杆布置形式和截面尺寸相同。其中22层伸臂桁架上、下弦杆为楼层的型钢混凝土梁,截面为800×800,内置H型钢截面为H500×500×50×80;伸臂桁架“人字形"斜杆为H型钢,截面为H500×1 200×50×80。44层伸臂桁架上、下弦杆截面为600×800,内置型钢截面为H400×500×40×60;伸臂桁架的“人字形"斜杆为H型钢,截面为H400×800×40×60。伸臂上下弦内置型钢牌号为Q345B,斜杆钢材牌号为Q345GJB。伸臂桁架的上、下弦杆延伸到核心筒墙内,在相应避难层核心筒剪力墙内设置两道钢板,该钢板将核心筒两侧的伸臂桁架相连,形成完整的抗侧力结构体系。

　　 环桁架斜撑在东、南、西、北四个立面及角部均有布置,平面内形成封闭环带。由于结构平面及柱位基本对称,因此东、南、西、北四个面的斜撑布置形式及构件尺寸一致; 四个角部的斜撑布置形式及构件尺寸一致。四面均采用双“人字形”斜杆布置,斜杆为H型钢,截面为H500×400×25×35,上、下弦为楼层型钢混凝土梁,截面为600×1 200,内置工字型钢,截面为400×800×25×35。四个角部为“人字形”斜杆布置,斜杆为H型钢,截面为H500×500×25×50,上、下弦为楼层型钢混凝土梁,截面为800×800,内置工字型钢,截面为500×500×25×50。上下弦型钢内置型钢牌号为Q345B,斜杆钢材牌号为Q345GJB。

　　 桁架斜杆和弦杆的腹板宽度一致,翼缘厚度也相同,可以直接对接,传力直接,便于节点连接。

4.4 边框梁

　　 巨柱跨度约22.6～26.6m,为取得最好的建筑空间效果,巨柱间不设置重力小柱。巨柱间梁采用截面宽度为0.6m,高度为1.20,1.15m的型钢混凝土梁,混凝土强度等级同该层楼板。采用型钢混凝土梁可以增加结构刚度、提高承载力、减小结构高度,方便与混凝土楼盖和型钢混凝土巨柱连接,能很好地满足建筑使用功能和结构需要,同时方便施工,节约造价。角部悬挑部分跨度较小,采用混凝土梁以节约工程造价。

　　 结构构件的抗震性能目标 表2

构件类型			受力	小震	中震	大震
关 键 构 件	底部加强 区剪力墙		抗弯	弹性*	不屈服	部分抗弯屈服,弯曲塑性铰<LS
			抗剪	弹性*	弹性	不屈服
	巨柱		抗弯	弹性*	弹性	部分抗弯屈服,弯曲塑性铰<IO
			抗剪	弹性*	弹性	不屈服
	环桁架		抗弯	弹性*	弹性	部分抗弯屈服,弯曲塑性铰<IO
			抗剪	弹性*	弹性	不屈服
	伸臂		抗拉、抗压	弹性*	弹性	轻微屈服
			抗剪	弹性*	弹性	不屈服
	节点		不先于构件破坏
一 般 构 件	剪力墙非加强区		抗弯	弹性*	不屈服	允许抗弯屈服,弯曲塑性铰IO
			抗剪	弹性*	不屈服	不屈服
	连梁		抗弯	弹性*	部分抗弯屈服,弯曲塑性铰<IO	部分抗弯屈服,弯曲塑性铰<CP
			抗剪	弹性*	不屈服	不屈服
	框架梁		抗弯	弹性*	允许部分抗弯屈服,弯曲塑性铰<IO	部分抗弯屈服,弯曲塑性铰<CP
			抗剪	弹性*	不屈服	不屈服
	楼 板	加强层上下弦杆所在楼面	面内拉压	弹性*	弹性	局部屈服
			面内抗剪	弹性*	弹性	不屈服
		普通楼层(含暗梁)	面内抗弯	弹性*	不屈服	局部屈服
			面内抗剪	弹性*	弹性	不屈服
层间位移角				<1/500	—	<1/100

 

　　 注:根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[2](简称《高规》)的规定,中震弹性设计中的地震作用不需要考虑与抗震等级有关的增大系数; 而小震弹性设计中的地震作用需要考虑与抗震等级有关的增大系数,因此为了区分与中震下弹性的不同含义,小震下的结构弹性用“弹性*”表示。

　　  

4.5 楼盖

　　 标准层办公区域楼板采用无梁空芯楼板,既能提供较高的建筑使用空间,又能减轻结构自重。地上2层楼面、普通避难层顶面楼板、屋面及加强层上下弦杆所在楼面均采用梁板体系,增加结构整体性。同时加强层上下弦杆所在楼面楼板加厚,以抵抗楼面内产生的拉压力和剪力。

4.6 结构体系

　　 本工程塔楼的核心筒、巨柱对抗竖向荷载和抗侧均起着非常重要的作用; 环桁架和伸臂桁架及其相关楼盖结构协调核心筒和巨柱变形,增加整体刚度,提高巨柱的抗侧效率,对整体抗侧体系也起着十分重要的作用。

　　 对照规范及相关资料对不同结构的定义及受力特点,本工程结构体系为带加强层的巨柱框架-钢筋混凝土核心筒结构,其主要特点为:1)主要受力体系属于巨柱框架-核心筒结构受力体系; 2)核心筒位于平面中部,采用钢筋混凝土(底部局部设置型钢); 3)外框架采用巨柱框架,巨柱框架由八根巨柱及大跨度边框梁组成,均采用钢骨混凝土构件; 4)沿高度设置两道包含伸臂桁架和环桁架的加强层,协调巨柱、核心筒的变形,提高结构的抗侧能力。

5 结构超限情况及性能化设计目标

5.1 结构超限内容

　　 本结构有高度超限、平面不规则、竖向不规则、承载力突变、局部穿层柱等5项超限内容,需要进行工程结构抗震设防专项审查。

5.2 结构构件抗震性能目标

　　 根据规范要求,结构构件在小、中、大震下的性能目标见表2。

5.3 结构主要加强措施

(1)传力路径简单直接。

　　 竖向荷载通过梁、板直接传递给巨柱、核心筒,再传递至基础,传力路径简单。水平荷载由核心筒、巨柱框架承担,加强层协调核心筒及巨柱的变形,提高抗侧效率。

(2)建立多道抗震防线。

　　 由巨柱、核心筒、环桁架及伸臂桁架组成的结构体系通过楼板协同工作可提供多道抗震防线共同抵御地震作用。

(3)提高关键构件的安全储备。

　　 底部加强区核心筒、巨柱、伸臂桁架及环桁架均按特一级设计,增加构件体系安全储备。

(4)节点传力直接。

　　 采用等宽截面型钢,使构件之间的连接简单合理。

(5)采用空芯楼板。

　　 为减轻结构自重,减小地震作用,普通办公区采用无梁空芯楼板,板厚400mm。

(6)增强核心筒延性的措施。

　　 底部加强区剪力墙、加强层剪力墙和加强层相邻层剪力墙的抗震等级取特一级,提高墙体配筋率。部分核心筒剪力墙设置型钢,提高构件抗震承载力。部分连梁内设置型钢以保证强剪弱弯。在较厚墙体中布置多层钢筋,以使墙截面中剪应力均匀分布且减少混凝土的收缩裂缝。增加加强层楼层及其上下层剪力墙的配筋。

(7)增强巨柱延性的措施。

　　 降低巨柱剪压比限值,严格控制巨柱的剪力。降低巨柱轴压比限值,严格控制巨柱的轴力。底部加强区巨柱的抗震等级取特一级,提高巨柱的配筋率。对于剪跨比小于2的柱采用箍筋全高加密; 采用合理的构造措施,并按高规第3.10.2条的规定提高体积配箍率。增加环桁架楼层及其上下层的巨柱的配筋。

(8)针对伸臂桁架、环桁架的措施。

　　 按中震弹性,大震轴向轻微屈服、抗剪不屈服设计。

(9)针对楼盖的措施。

　　 对加强层上下层楼板采用梁板体系,板厚适当加厚,对楼板面内应力进行精细分析,并根据计算结果加强楼板配筋构造。对普通办公层的无梁空芯楼盖,根据芯模布置方式建立实体有限元模型,精细化分析楼板内力,严格控制竖向荷载作用下楼板的挠度及裂缝。楼板钢筋的锚固长度按抗震等级为一级时受拉钢筋的锚固长度进行控制,在受力较大的核心筒剪力墙及巨柱周边增加实心范围,减小空芯模尺寸,提高相应范围楼板的抗剪、抗冲切能力。同时在该范围内增加纵向钢筋配置,确保支座处截面的抗弯承载力满足要求。控制边框梁的竖向变形,增加其抗扭转能力,加强巨柱与核心筒角部间暗梁的配筋构造。

(10)针对节点的措施。

　　 尽量保证节点传力板件对中、传力直接、施工易操作。保证强节点、弱构件设计,采用有限元分析校核。

6 结构主要分析结果

6.1 主要分析内容及采用软件

　　 结构设计时进行了小、中、大震分析和若干专项分析,具体内容及分析软件见表3。

　　 主要分析内容和采用的软件 表3

分析内容	软件
小震分析	MIDAS/Gen,YJK, START
中震分析	MIDAS/Gen,YJK
大震弹塑性分析	PERFORM-3D
楼板应力分析	MIDAS/Gen,FEA
施工模拟分析	MIDAS/Gen
舒适度分析	MIDAS/Gen
节点分析	ANSYS
抗连续倒塌分析	MIDAS/Gen
稳定分析	MIDAS/Gen

 

　　  

6.2 主要计算结果

　　 表4列出采用三个软件计算得到的结构主要计算结果(篇幅有限,只列出部分结果)。

　　 主要计算结果 表4

计算程序			MIDAS/Gen	YJK	START
楼板刚度假定			刚性楼盖	刚性楼盖	弹性楼板
周期折减系数			0.85	0.85	0.85
总重量/万t			27.05	26.32	26.69
地面以上重量/万t			22.1	21.87	22.04
计算振型数			39	42	39
结构自振 周期/s		T1	6.53(X向平动)	6.47(X向平动)	6.93(X向平动)
		T2	6.00(Y向平动)	6.05(Y向平动)	6.64(Y向平动)
		T3	4.68(扭转)	4.80(扭转)	4.95(扭转)
周期比			T3/T1=0.72	T3/T1=0.74	T3/T1=0.71
振型质量 参与系数		X向	99.88%	91.59%	98.95%
		Y向	99.88%	93.11%	97.66%
首层地震力 /kN		X向	21 561 (调整系数1.229)	22 498 (调整系数1.263)	20 980 (调整系数1.229)
		Y向	24 041 (调整系数1.103)	25 219 (调整系数1.127)	22 495 (调整系数1.118)
首层地震 倾覆力矩 /(kN·m)		X向	—	3 450 906	3 490 652
		Y向	—	3 611 710	3 680 262
最大层 间位移 角(所 在楼层)	风荷 载	X向	1/561(36层)	1/538(36层)	1/556(36层)
		Y向	1/679(35层)	1/619(35层)	1/642(33层)
	地 震	X向	1/861(37层)	1/658(37层)	1/843(37层)
		Y向	1/1 051(35层)	1/887(35层)	1/976(37层)
地震偶然偏心 扭转位移比		X向	1.12	1.22	1.18
		Y向	1.17	1.39	1.16
稳定性 (刚重比)		X向	—	1.704	1.75
		Y向	—	2.07	2.62

 

　　  

6.3 结构楼层侧向刚度验算

　　 按高规对楼层抗侧刚度的定义进行的各楼层侧向刚度及侧向刚度比验算结果见图5。从结果可以看出,由于加强层的侧向刚度较大,所以在加强层的相邻下一层X与Y向存在抗侧刚度突变,但结构首层层高虽达19.5m,并不存在刚度突变。

　　 实际上当底层层高明显增大时,规范算法高估了该层层高增大后的楼层侧向刚度,利用文献 ^[3]推荐的算法,补充分析本工程的楼层侧向刚度,X向与Y向楼层侧向刚度比计算结果见图6。

　　 从图6可以看出,除了在加强层有刚度突变外,按该方法计算得出的底部楼层侧向刚度比较小,本工程设计考虑按薄弱层对该层进行地震剪力放大。

　　 图5 规范计算的楼层 抗侧刚度比验算结果   

　　  

　　 图6 按文献 ^[3]方法计算的 楼层抗侧刚度比验算结果   

　　  

　　 罕遇地震作用下结构整体及构件的抗震性能目标 表5

构件		控制项次	对应的性能水准	备注
底部加强部位	核心筒剪力墙	受剪	不屈服	《高规》第6.2.8,6.2.9,7.2.11条
		受弯	轻微屈服(塑性转角IO)	塑性转角范围0.003～0.006rad
	巨柱	受剪	不屈服	《混凝土规范》第6.3.12条
		受弯	轻微屈服(塑性转角IO)	塑性转角范围0.003～0.006rad
非底部加强部位	核心筒剪力墙	受剪	受剪截面控制	《高规》第6.2.6条
		受弯	部分屈服(塑性转角LS)	塑性转角范围0.006～0.009rad
	巨柱	受剪	受剪截面控制	《高规》第7.2.7条
		受弯	部分受弯屈服(塑性转角LS)	塑性转角范围0.005～0.010rad
	伸臂桁架	受拉	轻微屈服(塑性变形IO)	7ΔT
		受压	轻微屈服(塑性变形IO)	5Δc
耗能构件	连梁、框架梁	受剪	受剪截面控制	《高规》第6.2.6,7.2.22条
		受弯	部分受弯屈服(塑性转角CP)	塑性转角范围0.020～0.025rad
空芯楼盖体系	空芯楼板	受拉	钢筋不屈服	拉应力小于fyk
		受压	混凝土不屈服	压应力小于fck
		受剪	不屈服	满足抗剪承载力要求
	暗梁	受弯	轻度屈服(塑性转角IO)	塑性转角范围0.005～0.01rad
		受剪	不屈服	满足抗剪承载力要求

 

　　 注:1)《混凝土规范》指《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010) ^[7]; 2)Δ_T,Δ_c分别为伸臂杆件轴向抗拉、抗压极限承载力与杆件轴向刚度之比; 3)f_yk,f_ck分别为钢筋抗拉强度标准值、混凝土的抗压强度标准值。

　　  

6.4 大震分析主要结果

　　 根据结构抗震性能目标要求 ^[4,5],结构构件在大震下的性能目标细化见表5。

　　 对结构输入3组地震波,进行罕遇地震作用下非线性时程分析,结果如下。

6.4.1 结构整体抗震性能

　　 位移:结构楼层质心处的最大层间弹塑性位移角为:X向1/117(第31层); Y向1/154(第31层),均满足小于规范限值1/100的要求 ^[6]。

　　 楼层剪力和倾覆力矩:3组地震波作用下的楼层剪力和楼层倾覆力矩分布较为接近。

　　 整体耗能水平:在罕遇地震作用下结构非弹性耗能明显,非弹性耗能约占地震总输入能量的30%; 主要非弹性耗能构件为连梁和暗梁,连梁消耗约50%,框架梁消耗约40%,剪力墙消耗约3%,伸臂桁架消耗约7%,其他构件几乎不产生非弹性耗能,从能量角度说明该结构的宏观损坏程度高于“中度损坏”。

6.4.2 构件性能水准

　　 暗梁和框架梁:暗梁受弯处于“轻微损坏”OP水准,损坏轻微,满足预期性能水准; 2.61%的框架梁达到“轻度损坏”IO水准,仅有0.35%的框架梁达到了“中度损坏”LS水准。塑性变形较大的框架梁集中在核心筒内部。

　　 连梁:大部分连梁达到“轻度损坏”IO水准,部分连梁达到“中度损坏”LS水准,个别连梁达到了“比较严重损坏”CP水准。连梁受弯达到预期性能目标要求。

　　 巨柱:巨柱受弯达到“无损坏”状态。

　　 伸臂桁架和环带桁架:斜撑受压和受拉均处于“轻度损坏”IO水准。

　　 剪力墙:大部分剪力墙受弯处于“轻微损坏”OP水准,局部一片墙体达到了“轻度损坏”IO水准,高于预期目标“部分中度损坏”。

　　 楼板:普通楼层的受拉应力较小,加强层上部楼层较多楼板拉应力较大,楼板均满足预期受拉性能要求。

7 若干关键问题

7.1 空芯楼盖的合理模拟

　　 本工程楼板采用无梁楼板,为减轻楼板自重采用空芯楼板。项目建设过程中楼盖拆模后的情况见图7。图8为典型楼层的空芯板芯模布置示意图。

　　 图7 楼盖拆模后的效果图   

　　  

　　 图8 典型楼层空芯板芯模布置示意图   

　　  

　　 计算分析时如采用与实际空芯板断面构造完全一致的实体单元模型,其计算精度高,但建模复杂,计算量巨大,如整个塔楼的空芯楼盖均采用实体单元建模,现有计算软件无法实现。为了寻找合适可行的计算分析方法,在方案设计阶段采用真实空芯板和近似等效实心板两种模型,分析其受力特点和不同模型间的异同,以找到简化计算且满足设计精度的等效方法供实际设计使用。为此采用分析软件MIDAS/Gen和FEA,分别建立空芯板模型及等效实心板模型。

　　 在FEA空芯板的模型中,核心筒内楼板、核心筒墙体及连梁、边缘悬挑板采用板单元模拟,核心筒内梁构件采用杆单元模拟。楼层空芯板模型示意见图9。

　　 对比分析结果表明:

　　 (1)两个模型周期结果误差在10%以内。水平荷载作用下两模型的变形结果接近。水平荷载及竖向荷载作用下两个模型的墙柱内力结果接近。

　　 (2)竖向荷载作用下两个模型的板弯矩及剪力结果接近。水平荷载作用下空芯板模型的板弯矩值大较多,不能忽略。

　　 (3)整体分析及除空芯楼盖以外的其余构件进行设计时采用等效实心板模型能够满足工程设计的精度要求; 进行空芯楼板设计时需要采用空芯双层板模型。详细的空芯板模拟分析详见文献[8]。

　　 图9 典型楼层空芯板模型示意图   

　　  

7.2 加强层方案的选择

　　 为了合理确定加强层结构方案,在方案设计阶段对加强层设置与否以及加强层的道数、位置等进行了比较分析 ^[9]。分析结果表明:

　　 (1)设置加强层可以增加结构整体抗侧刚度,不设加强层时结构在风荷载作用下的最大层间位移角大于1/500,不满足规范要求 ^[10]。

　　 (2)与仅设置伸臂桁架相比,仅设置环桁架对结构抗侧刚度影响相对较小,但可以增大柱的轴力,且对结构整体抗扭刚度有较大提高。

　　 (3)设置伸臂桁架对协调核心筒和巨柱变形,增加巨柱的抗侧效率有很大帮助,可增大水平荷载作用下的柱轴力,减小核心筒轴力,但伸臂层剪力墙的剪力有较大突变,连梁内力略有减小。

　　 (4)本工程标准层普通办公区域采用无梁空芯楼板,典型楼板厚度为400mm,这与普通超高层结构中楼板相比较厚,其在结构整体抗侧体系中起到一定作用,设置加强层可大大减小楼板在抗侧能力中的贡献,更好地保证楼板在中、大震,甚至更高烈度地震作用下的性能,提高结构安全储备,有利于形成抗震多道防线。

7.3 节点设计

　　 节点是整体结构功能得以实现的基本保证,本工程关键节点主要为:伸臂桁架、环形桁架交于巨柱的节点; 双向伸臂桁架交于核心筒角部的节点。

　　 节点分析和设计的基本原则及目标是:1)在大震下节点连接型钢保持弹性,混凝土局部轻微损伤; 2)节点构造处理应满足传力合理、平顺的要求。

　　 选用ANSYS软件进行节点弹塑性分析。建模时混凝土部分采用8节点六面体单元Solid 65模拟,混凝土考虑钢筋弥散作用。型钢部分采用4节点壳单元Shell 43模拟,每个节点6个自由度,单元边长取200mm。

　　 按照实际尺寸建立节点区三维有限元模型,取大震作用下的最不利荷载值,结合圣维南原理简化边界条件。有限元分析结果可知,两个节点的钢板件基本处于弹性状态,节点应力水平低于杆件应力水平,且承载力还有富余。型钢混凝土构件中的混凝土不会压坏,抗剪满足要求,局部应力集中处需加强配筋。

8 结论

　　 (1)首次在250m超高层建筑中采用巨柱大跨的无梁空芯楼盖,扩展了空芯楼盖的应用范围。这对超高层建筑楼盖结构,以至结构方案选型提供了一种新的选项。

　　 (2)合理选用空芯楼板的计算模型,真实模拟楼板在竖向和水平荷载作用下的变形和受力状态,是设计无梁空芯楼盖结构的前提。水平荷载作用下,空芯楼盖局部有较大弯矩,应确保楼盖在水平作用下的承载力等能满足要求。

　　 (3)应注意无梁空芯楼盖的局部构造和钢筋锚固等,确保楼盖结构和整个结构的安全。