深圳太子广场项目结构体系设计与应用

作者:练贤荣 梁爱婷 钟玉柏 张良平
单位:深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司
摘要:针对深圳太子广场项目框架柱大量不连续的特点,在框架-核心筒体系的基础上提出了一种新型的结构体系,即下部框架-核心筒、上部桁架托换核心筒体系。论述了该体系结构设计的选型过程以及关键技术,分析了转换悬挑桁架、环桁架等关键部位的受力特性,并且针对该体系的受力特点采取了有针对性的加强措施。经过理论分析和工程实践证明,合理设计下,此体系具有较好的抗震性能,可为超高层建筑结构体系选择提供一种新的方案。
关键词:深圳太子广场 环桁架 悬挑桁架 超高层建筑 高位转换
作者简介:练贤荣,学士,一级注册结构工程师,教授级高级工程师, Email:lianxr@huasen.com.cn。
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1 工程概况

   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]

2 结构方案比选

   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。

图1 建筑效果图

   图1 建筑效果图   

    

图2 各方案示意图

   图2 各方案示意图   

    

图3 桁架转换布置方案示意图

   图3 桁架转换布置方案示意图   

    

   主要构件截面尺寸及经济性对比 表1


指标
方案1 方案2 方案3

底部方柱截面边长/mm
1 200 1 200 1 200

核心筒外墙厚度/mm
1 000 1 000 600

核心筒内墙厚度/mm
350 350 350

混凝土总用量/m3
28 865 31 342 37 300

钢筋总用量/t
4 075 4 867 6 980

型钢总用量/t
6 641 6 587 800

材料总费用/万元
11 482 12 046 7 306

   注:材料总费用基于钢结构建安成本11 000元/t、混凝土成本600元/m3、钢筋6 000元/t考虑。

    

   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。

   主要计算指标 表2


主要计算指标
方案A 方案B 方案C

前3阶周期/s

T1
4.19 4.29 4.55

T2
3.68 3.77 3.98

T3
1.90 1.97 2.15

风荷载下
层间位移角

X
1/1 060 1/1 051 1/1 132

Y
1/775 1/840 1/902

扭转位移比(Y向)
1.39 1.41 1.35

剪重比

X
1.37% 1.35% 1.32%

Y
1.41% 1.37% 1.33%

单位面积质量/(t/m2)
1.64 1.61 1.80

    

   相关经济指标 表3


指标
方案A 方案B 方案C

工程量
统计

混凝土/m3
33 968 33 209 39 510

钢筋/t
6 886 6 602 8 294

钢材/t
4 206 4 238 1 961

结构总质量/t
125 532 123 853 137 914

材料价格合计/万元
10 796 10 615 9 504

    

   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)。

3 桁架分析

   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。

图4 方案B典型楼层平面布置图

   图4 方案B典型楼层平面布置图

    

图5 防连续倒塌节点

   图5 防连续倒塌节点   

    

图6 单品桁架立面示意图

   图6 单品桁架立面示意图 

    

图7 桁架层三维示意图

   图7 桁架层三维示意图   

    

图8 27~30层上部支托桁架竖向位移云图/m

   图8 27~30层上部支托桁架竖向位移云图/m 

    

   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]

图9 恒载+活载组合工况下楼板应力云图/MPa

   图9 恒载+活载组合工况下楼板应力云图/MPa  

    

   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。

   桁架层振动分析 表4


模态

下部桁架
上部桁架

频率/Hz
振动方向 频率/Hz 振动方向

1
4.05 竖向 4.03 竖向

2
4.40 竖向 4.24 竖向

3
4.59 竖向 4.36 竖向

4
5.00 竖向 4.41 竖向

5
5.20 竖向 4.56 竖向

    

4 结论

   (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。

    

参考文献[1] 深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司.太子广场项目高层建筑工程超限设计可行性论证报告[R].深圳,2014.
[2] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3] 建筑结构荷载规范:GB 50009—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.
[4] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点:建质[2015]67号[A].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部,2015.
[5] 广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则:粤建市[2016]20号[A].广州:广东省住房和城乡建设厅,2016.
[6] 张良平,钟玉柏,陈虎,等.建造于地铁站上的超高层塔楼结构设计[J].建筑结构,2013,43(9):33-41.
[7] 邓春燕,赵宏康,陈剑清.苏州公安应急指挥中心办公大楼斜柱转换设计[J].建筑结构,2017,47(20):44-47.
[8] 练贤荣,黄俊海,王卫忠.某工程的楼板应力分析[J].建筑结构,2011,41(S1):658-660.
[9] 徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[10] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.
Design and application of structural system of Shenzhen Prince Square Project
LIAN Xianrong LIANG Aiting ZHONG Yubai ZHANG Liangping
(Huasen Architecture & Engineering Design Consultants Ltd.)
Abstract: In view of the large number of discontinuities in the frame columns of Shenzhen Prince Square Project, a new type of structural system was proposed based on the frame-corewall system, that is, the lower frame-corewall and the upper truss underpinning the corewall system. The structural system selection process and key technologies of the structural design of the system were discussed, and the mechanical characteristics of key parts such as the converted cantilever truss and ring truss were analyzed, and targeted strengthening measures were taken for the mechanical characteristics of the system. After theoretical analysis and engineering practice, it is proved that under reasonable design, this system has good seismic performance and can provide a new scheme for the structural system selection of the super high-rise building.
Keywords: Shenzhen Prince Square; ring truss; cantilever truss; super high-rise building; high-elevation conversion
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