深圳太子广场项目位于深圳市前海蛇口自贸区海上世界太子路,含1栋41层超高层办公楼(屋面高度196.71m)、4层裙房、3层地下室,总面积约15万m²。其中塔楼由于建筑效果要求,东西两侧分别在1/3高度及2/3高度处不能连续,从而导致需要采用桁架托换,在立面上形成两个凹口 ^[1],建筑效果图如图1所示。

　　 工程结构设计使用年限50年,安全等级二级,抗震设防烈度7度,设计基本地震加速度0.10g ^[2],设计地震分组第一组,建筑场地类别二类,50年一遇的基本风压0.75kN/m ^[2,3],结构粗糙度类别B类。结构存在扭转不规则、楼板不连续、竖向构件不连续 ^[4,5]。

　　 针对凹口对结构的影响及如何设置托换进行了三个方案的对比。1)方案1(悬挑桁架 ^[6]+环桁架):东侧在13层处将外框柱断开,并在16层避难层设置悬挑转换桁架和环桁架,承托上部钢柱;西侧在26层处将外框柱断开,并在29层避难层设置悬挑转换桁架和环桁架,承托上部钢柱,如图2(a)所示。2)方案2(大钢斜杆 ^[7]+环桁架):东侧在13层处将外框柱断开,西侧在26层处将外框柱断开,设置跨越多层的大钢斜杆和钢环桁架将荷载传至核心筒,如图2(b)所示。3)方案3(缺口处外框柱连通):结构外框柱连通,如图2(c)所示。

　　 经分析比较,各方案主要构件截面尺寸及相关经济指标见表1。从结构成本及受力角度考虑,方案3明显优于方案1和方案2,可以节省约5千万。但业主为了实现建筑效果,最终在方案1和方案2中挑选了方案1。

　　 针对桁架转换布置及桁架上部结构形式(混凝土结构和钢结构)进行对比。1)方案A:悬挑以上采用钢结构,29层采用单边转换桁架即仅核心筒西侧附近的框架柱不连续,需要通过桁架转换,如图3(a)所示。2)方案B:悬挑以上采用钢结构,29层采用两边转换桁架即所有的框架柱均不连续,需要通过桁架转换,如图3(b)所示。3)方案C:悬挑以上采用混凝土结构,29层采用两边转换桁架,如图3(b)所示。

　　 经分析比较,结构主要计算指标及相关经济指标见表2,3。由表2,3可知:方案C要优于方案A和方案B,但从结构受力合理性角度,方案C自重太大,为桁架层带来的负重过大,将会产生很多不利影响,同时超限专家也不建议采用方案C。方案B相比方案A受力更均匀,符合力学平衡原理,经济指标也略优于方案A。综合上述,最终选择方案B,其典型楼层平面布置图如图4所示。核心筒厚度由下至上从1 000mm渐变至400mm,底部转换桁架以下框架柱为混凝土柱和型钢混凝土柱,型钢混凝土柱截面尺寸1 500×1 500～1 300×1 300,混凝土柱截面尺寸1 100×1 100,800×800;顶部转换桁架和底部转换桁架之间框架柱为型钢混凝土柱及方钢管柱,型钢混凝土柱截面尺寸1 300×1 300～1 000×1 000,钢管柱截面尺寸600×600,壁厚30mm;顶层转换桁架以上框架柱全部为钢管柱,截面尺寸600×600,壁厚20mm。

　　 由于建筑屋面上有2层在东侧退台(图2(a)),导致29层桁架左右两侧承担的楼层荷载差2层,如果不经处理,29层的桁架左右受力不均会导致核心筒长期承担不平衡力矩。为此在东侧29层桁架下2层采用下挂方式处理,其柱节点如图5所示。设置椭圆形螺栓孔可以允许一定的变形,同时也防止东侧的荷载直接传递到16层桁架。采用该方法还可以起到抗连续倒塌的作用,一旦某一层的桁架失效,另外一层的桁架能够起到防止倒塌的效果。此节点螺栓正常情况下不受力,上下柱之间也不能传力。但是在发生连续倒塌情况下,上下柱之间能够传递轴力(上下柱可垂直对接)。

　　 桁架属于本项目关键构件,需要重点分析和采用相应的加强措施,采用伸臂桁架和环桁架组合,桁架水平构件全部延伸至核心筒,腹杆有条件的伸入剪力墙(个别由于影响建筑门洞采取节点特殊处理)。桁架上下弦杆以及斜撑采用箱形截面900×600×60×60,材料为Q390GJC,箱形截面弦杆腹板深入剪力墙核心筒内,见图6,结构受力三维示意见图7。

　　 经整体受力分析(含各种施工模拟)可知,桁架最远端的竖向变形最大值为49mm(图8)。虽然变形量不大,但对楼板应力影响较大 ^[8]。通过MIDAS/Gen有限元分析可知,16层楼板对应的桁架下弦杆位置的楼板应力已经远超过了混凝土抗拉强度标准值(图9),需要采用后浇楼板且在楼板内设置斜撑等方式进行处理 ^[9]。

　　 采用MIDAS/Gen,分别将上下两处支托桁架楼层作为单独模型,分析其竖向自振频率 ^[10],自振频率均小于4Hz,满足规范要求。结果见表4。

　　 桁架节点是关键,本工程桁架节点比较复杂的部位在桁架与核心筒交接处,通过节点有限元分析可知,该部位也是应力最复杂之处,需要重点加强并采取有针对性的措施(加厚桁架层核心筒厚度,加强配筋,钢桁架上下弦延伸至核心筒内等)。桁架层的舒适度 ^[9]也是重点需要分析之处,应对桁架采取适当起拱等方式。

　　 (1)下部框架-核心筒、上部桁架托换核心筒体系,受力合理,经济可行。

　　 (2)悬挑桁架以上采用轻钢结构,更有利于荷载的均匀分布。

　　 (3)由于桁架层变形大,受力集中,桁架层相应的楼板必须进行加强处理。

　　 (4)采用桁架预起拱可以有效地控制变形。

　　 (5)工程目前已经投入使用,从实际情况看,各方面能满足各项使用要求。