蘇州兆潤財富中心結構設計

陳建興

(1.華東建筑設計研究總院,上海 200002; 2.上海超高層建筑設計工程技術研究中心,上海 200002)

1 概述

蘇州兆潤財富中心(圖1)位于蘇州工業園區湖西CBD,地上部分包括東、西兩座塔樓和裙房,地上部分建筑面積約158 000 m2,主要功能為高級辦公和商業。東塔和西塔地上分別為32層和45層,建筑高度分別為165 m和230 m,結構高度分別為139 m和199 m;裙房4層,屋面高度約21.5 m。

本項目結構設計使用年限50年,安全等級為二級。50年一遇基本風壓為0.45 kN/m2,抗震設防烈度6度,場地特征周期為0.45 s。根據地震安評報告,本項目地震作用未規范反應譜的2.125倍。結構設計中,小震計算采用安評報告的地震動參數,中震和大震作用計算取規范的地震動參數。

圖1 建筑實景圖Fig.1 Architectural perspective

2 結構體系和選型

2.1 抗震縫設置

蘇州兆潤財富中心地上部分東西向較長約142 m,東、西塔樓之間設有中庭,其北側為完全敞開空間,南側在3～5層為長條形樓板聯系東、西塔樓,因此東、西塔樓間的聯系非常薄弱且不均勻。為此設計人員在中庭西側設置防震縫(圖2),將地上結構分成東、西兩個獨立且規則的結構單體,防震縫寬度100 mm。

圖2 塔樓和防震縫設置Fig.2 Layout of seismic isolation joint

2.2 塔樓結構選型

結合建筑平面布置,塔樓抗側力結構采用框架-核心筒結構(圖3),由框架和核心筒組成雙重設防體系的抗側結構體系[1]來抵抗風荷載和地震作用引起的剪力和傾覆力矩。

圖3 塔樓結構體系示意Fig.3 Frame-core wall structural system in the towers

塔樓從上到下平面保持不變,結構平面布置見圖4。核心筒為現澆鋼筋混凝土結構,位于平面中央,容納塔樓豎向交通和設備用房,提供結構主要的抗側剛度。東塔核心筒平面呈長條形,外墻厚度從下到上由750 mm縮小到450 mm,內墻厚度從下到上由600 mm縮小到250 mm。西塔核心筒平面接近正方形,外墻厚度由900mm縮小至450 mm,內墻厚度由400 mm縮小至250 mm。核心筒混凝土強度從下到上逐漸從C60變化為C40。

圖4 塔樓結構平面布置圖Fig.4 Typical floor plan of towers

外框結構可選擇混合結構或鋼筋混凝土結構,混合結構由鋼管混凝土柱和鋼框架梁組成外框架,對應的樓蓋為鋼梁-壓型鋼板組合樓板。鋼筋混凝土框架對應的樓蓋結構為鋼筋混凝土梁板式樓蓋。

相對鋼筋混凝土結構,混合結構有以下優點:①混合結構延性更好,抗震性能更優;②結構總質量比鋼筋混凝土結構輕15%,地震力明顯小于鋼筋混凝土結構;③圓鋼管混凝土柱承載力高,而且柱內力更小(總質量小),柱的截面面積明顯小于鋼筋混凝土柱,單層柱的截面面積可節省18 m2,建筑空間利用率更高;④樓蓋結構高度比鋼筋混凝土結構少100 mm,同時鋼梁腹板可以開洞方便設備管線穿越,從而為建筑提供更優凈高;⑤圓鋼管混凝土柱和壓型鋼板組合樓板均可以免模施工,施工速度快,為綠色節能結構。雖然混合結構比鋼筋混凝土結構用鋼量高,材料費用比鋼筋混凝土結構高15%,綜合比選,塔樓采用混合結構。

東塔樓框架柱的鋼管從下到上由1 400 mm縮小為600 mm,西塔樓框架柱的鋼管從下到上由1 500 mm縮小為600 mm。框架梁高度700～900 mm。

外框架與核心筒之間的樓面梁采用鉸接,避免框架柱與核心筒之間豎向變形差引起的二次彎矩。

在塔樓的頂部有較高的塔冠,東塔和西塔的塔冠高分別為25 m和30 m。塔冠結構采用鋼框架支撐結構體系以減輕結構重量(圖5)。

圖5 塔冠框架支撐結構(單位:mm)Fig.5 Braced frame structure of the crown (Unit:mm)

3 結構特點和抗震性能目標

3.1 結構特點

由于建筑布局、造型以及功能布置的特殊要求,本項目結構有以下特點:①由于地塊較小,東、西塔樓比較接近,高度較高,風荷載作用存在塔樓相互干擾的問題;②為保證建筑功能聯系性,整個項目僅設置一道抗震縫,裙房與塔樓之間不再設縫,裙房所在樓層裙房凸出塔樓范圍邊長的35%,扭轉位移比較大達1.38等平面不規則;③東、西塔樓通過平面南北錯動獲得建筑需要的立面造型,而且塔樓平面東北角不能設柱,導致結構外框梁在東北角部不能封閉;④塔樓底部5層外框柱暴露在外面,形成5層高約30.8 m的跨層柱;⑤塔樓頂部結合立面變化設置不同高度的塔冠,塔冠突出結構大屋面25～30 m,塔冠結構設計需考慮鞭梢效應。

3.2 抗震性能目標

結構整體上屬于抗震超限的高層建筑,根據工程超限情況和結構特點,結構設計中選擇合理的抗側力結構體系,結構布置力求均勻規則,采用性能化設計方法,通過整體結構彈性分析、彈塑性分析結構以及特殊部位精細分析,結合分析結果,對特殊部位和關鍵部位進行加強,確保整體結構抗震性能。本工程的抗震性能目標如表1所示。

考慮塔樓下部5層為人數相對集中的商業功能,適當提高底部結構的抗震性能,將剪力墻底部加強區高度延伸至F7層樓面,同時提高底部加強區剪力墻和框架柱的抗震性能,使其滿足中震不屈服的要求。

表1結構抗震性能目標

Table 1 Seismic performance of structure

4 整體結構分析

整體結構分析采用通用有限元軟件ETABS,塔樓結構地下一層的剛度大于首層的兩倍,計算時塔樓嵌固在地下室頂板,樓板采用彈性膜單元模擬。

結構前3階振型如表2所示,結構扭轉周期比均小于0.85,說明扭轉與平動耦聯比例較低,滿足規范要求。

表2結構前3階振型

Table 2 Natural modes of structures

整體結構結構主要性能指標見表3。東塔兩個方向的剪重比均大于1.6%,西塔兩個方向的剪重比大于1.2%,滿足規范要求。東塔兩個方向的層間位移角均小于1/800,西塔兩個方向的層間位移角均小于1/615,滿足規范的要求。

東、西塔結構X向、Y向的剛重比均大于1.4,結構滿足整體穩定的要求。西塔兩個方向的剛重比小于2.7,結構內力和變形分析中需考慮P-Δ效應的影響。

表3整體結構性能指標

Table 3 Mechanical behaviors of structures

東、西塔樓本層與上一層的剛度比均大于0.7,本層與上三層平均剛度的比值均大于0.8,說明整體結構不存在軟弱層。

5 靜力彈塑性分析[3]

靜力彈塑性分析采用PKPM系列軟件PUSH進行分析。以西塔推覆曲線為例(圖6),結構在設防烈度地震作用下基本保持彈性。在罕遇地震作用下框架結構仍基本保持彈性,核心筒連梁出現塑性鉸,底部剪力墻開始拉裂,主要構件抗震性能目標滿足要求。當水平推覆力繼續增大,越來越多連梁開始進入屈服、底部更多剪力墻墻肢拉裂,框架梁開始屈服,整體結構剛度繼續不斷下降。罕遇地震下,西塔X向、Y向樓層的最大彈塑性層間位移角分別為1/418和1/342,均小于1/100的限值要求。罕遇地震下結構層間變形沿豎向變化均勻,說明結構剛度不存在突變,也不存在薄弱層。

圖6 基底剪力和頂部位移曲線Fig.6 Curves of base shear-displacement at top

6 設計關鍵問題及對策

6.1 相鄰塔樓風荷載干擾系數計算

本項目兩個塔樓的平面位置關系如圖7所示,兩個塔樓距離較近,在風荷載計算中考慮了相鄰高層建筑的干擾。設計中參考了上海市高層建筑鋼結構設計規程[4],對受擾建筑的順風向風荷載體型系數乘以干擾因子ηm來考慮施擾建筑的影響。表4為東、西塔樓兩個方向的風荷載干擾系數計算。考慮相鄰建筑物干擾后,風荷載體型系數最大可放大1.043倍。

6.2 外框不封閉的影響分析

由于建筑特殊體型和角柱缺失導致塔樓東北角凹角部位框架梁缺失,外框架無法封閉。以西塔樓為例,假設外框架在凹角處增加框架梁,形成封閉框架(圖8),通過對比分析,評價外框架是否封閉對整體結構剛度、扭轉變形以及框架承擔的地震作用等塔樓整體性能的影響。

圖7 東西塔樓平面尺寸和距離(單位:mm)Fig.7 Location of two towers (Unit:mm)

表4相鄰建筑風荷載干擾系數計算

Table 4 Interference factors of wind consider disturbance

圖8外框架封閉布置圖Fig.8 Layout of structure with closed outer frame

對比分析表明,外框架封閉后,結構平動周期減小約0.39%,結構扭轉周期減小約0.1%,結構最大扭轉位移比也基本接近,說明外框架是否封閉不影響結構整體動力特性。

由于塔樓外框架為稀柱框架,這類框架的抗側剛度和抗傾覆能力主要由平面內框架(腹板框架)提供,與之垂直的翼緣框架幾乎不提供剛度,因此框架是否封閉幾乎不影響外框架剛度。計算表明結構X向框架承擔的地震剪力和傾覆力矩沒有明顯變化;而Y向框架,增加角部框架梁相當于其東側腹板框架增加一跨,由3跨變成4跨,因此該方向框架剛度有較明顯的增大,承擔的地震作用也略有增加(圖9)。

圖9 框架承擔剪力及傾覆力矩比較Fig.9 Comparison of shear and overturning moment carried by frame between closed and unclosed frame

考慮到地震作用下水平力通過樓板傳遞給周圍的抗側力結構,塔樓東北角區域樓板水平無法直接傳遞到外框架上,該部位仍是水平力傳遞中較為薄弱的部位。為此設計中加強角部區域的樓面梁使框架與核心筒更好地協同工作。設計中對凹角區域內,柱與柱、柱與核心筒相關的鋼梁均采用剛接連接,從構造上提高外框的整體性。為保證樓層地震力能有效傳遞至周圍框架和核心筒,對凹角的部位的樓板進行加強,采用雙層雙向通長配筋,提高水平力下樓板的協調能力。

圖10 針對框架不封閉的加強措施Fig.10 Measures taken to strengthen unclosed frame

6.3 跨層柱分析

西塔底部F2-F6層南側的樓板邊線內退使框架柱外露,形成高達30.8 m的跨層柱。為加強樓板對南側框架柱的約束,提高外框架的二道防線作用,對跨層柱采取以下加強措施:①框架柱與核心筒之間的樓面鋼梁與框架柱剛接,樓面梁靠近框架柱的范圍內采用箱形截面,提高樓面梁對框架柱的面外約束剛度;②加強樓面內收邊梁,并與箱形樓面鋼梁剛接(圖11);③將F6層以下按薄弱層設計[5],地震作用放大1.25倍。采取上述加強措施后,底部六層外框架剛度明顯增加,其承擔的地震剪力與基底剪力的比值明顯增大(圖12)。

圖12 框架承擔地震剪力與基底總剪力比值變化Fig.12 Change of shear carried by frame after cross stories’ column strengthened

西塔跨層柱的約束模型和第一階屈曲模態見圖13。由于在樓層處樓面梁對跨層柱存在一定的約束,跨層柱第一階屈曲模態接近兩個半波,而理想鉸接柱為一個半波,說明的加強后樓面鋼梁和內收邊梁對跨層柱的平面內方向有明顯的約束,考慮約束后柱的屈曲荷載明顯增大。西塔南側跨層柱第一階屈曲模態屈曲荷載P為455 216 kN,兩端理想鉸接柱的歐拉臨界力Ncr為105 366 kN,柱的計算長度系數μ為0.48,考慮加強后的樓層實際約束,跨層柱的有效計算長度明顯減小,可以取14.7 m。

圖13 跨層柱約束模型及一階屈曲模態(單位:mm)Fig.13 Buckling mode of cross stories column (Unit:mm)

7 結 論

蘇州兆潤財富中心結構設計結合建筑功能和布置,選擇框架核心筒雙重抗側力結構體系,采用性能化設計方法,確定合理的抗震性能目標,通過整體結構彈性和彈塑性分析驗證整體結構性能。

由于建筑特殊體型和功能布置的要求,本項目兩個塔樓較高且較近,塔樓之間風荷載干擾明顯,塔樓東北角外框梁不閉合、塔樓底部存在較高的跨層柱等特點。針對塔樓特點,進行深入分析和對比,驗證塔樓結構性能,同時提出合理的加強措施,確保關鍵部位的結構性能。