深圳冠澤金融中心超高層辦公塔樓結構設計

張偉生，任恩輝，李 鵬，衛 文，金光艷，李 倫

(1 廣東省建筑設計研究院有限公司， 廣州500010； 2 廣東筠誠建筑科技有限公司， 云浮 527300)

1 項目概況

1.1 建筑概況及形體評價

深圳冠澤金融中心位于深圳前海深港現代服務業合作區，是由2棟公寓(公寓北塔、公寓南塔)、1棟酒店、2棟超高層辦公樓(辦公A塔、辦公B塔)組成的城市綜合體，建筑效果圖見圖1，本文主要介紹辦公A塔。辦公A塔地上建筑面積約為15萬m2，建筑屋面高281.2m，建筑層數61層，其首層～3層為通高大堂，層高為17.7m；4～13層為商業，層高4.5m；7，9，13層為下層商業上空，層高9m；13層以上樓層均為辦公，層高均為4.5m；11，22，33，44，53層為避難層，層高均為5m；設4層地下室，埋深為-22.70m。塔樓建筑平面尺寸51.8m×51.8m，隨高度逐步收進為50.5m×50.5m；其典型結構平面布置圖見圖2。目前，本項目主體結構已驗收。

圖1 項目建筑效果圖

圖2 典型結構平面布置圖

項目建筑形體評價為：1)平面規則。結構長寬比=1<6，高寬比=5.83<7，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(DBJ 15-92—2013)[1]第12.1.3條及3.4.3條要求。2)立面規則。造型上塔樓轉角向上收進以增強挺拔的建筑高度感，體型上削角處理能有效鈍化建筑角部，有效降低風荷載作用尤其是風荷載下的橫向風振效應。

1.2 結構設計等級

塔樓結構設計使用年限及耐久性使用年限均為50年，安全等級為二級，基礎設計等級為甲級。地面粗糙度類別為B類，抗震設防烈度為7度(0.10g)，重點設防類，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組[2-3]。

2 結構設計難點及對應措施

2.1 結構設計難點

(1)難點一：平面采用8個框柱的稀柱柱網，并集中設置于建筑物角部，邊框柱柱距由38.8m隨高度收至28.8m，角框柱柱距由8.2m隨高度擴大至14.4m，框柱柱距大，框架對抗側、抗扭剛度貢獻小，結構抗側、抗扭剛度弱。

(2)難點二：8個框柱選用五邊形異形柱，目前軟件對此類異形柱計算模擬有限，承載力缺乏設計依據。

(3)難點三：框梁跨度大，其線剛度較框柱線剛度小，框柱缺少有效約束，其計算長度需準確定義。

(4)難點四：為滿足建筑造型要求，8個框柱在4層上下存在錯位，需采用搭接轉換柱組進行過渡[4]，如圖3所示。

圖3 搭接轉換柱組節點

(5)難點五：1～3層核心筒外均無樓板，總高度為17.7m；建筑8，10，13，59層核心筒外均無樓板，結構層高為9m；存在側向剛度不規則、樓層承載力突變。

(6)難點六：核心筒尺寸低區(1～37層)X向28.1m，Y向23.1m；中區(38～45層)X向28.1m，Y向19.7m；高區(46～57層)X向28.1m，Y向16.4m；兩向收進差異性明顯。

2.2 結構設計對應措施

2.2.1 選用合理的結構體系

(1)抗側力體系

根據建筑物的功能、總高度、抗震設防烈度、建筑物類別、深圳地區風荷載、施工周期及外框抗側、抗扭剛度弱的情況，采用帶腰桁架的巨柱框架核心筒結構體系，見圖4，該體系介于框架-核心筒結構與巨型框架-核心筒結構體系之間，結構的主要抗側力由核心筒提供，利用建筑的避難層設置5道適宜剛度的腰桁架，既可加強外框巨柱間聯系，提高外框抗側、抗扭整體剛度，也可避免設置伸臂桁架帶來側向剛度突變大的弊端[5-6]。

圖4 結構抗側力體系

主樓的高寬比為5.83，核心筒高寬比為11.29。核心筒墻厚、異形型鋼混凝土巨柱截面尺寸、材質見表1；框梁采用鋼框梁，截面尺寸、材質見表2；腰桁架采用鋼桁架，截面尺寸、材質見表3；33層及以下設置重力柱ZLZ(見圖2，截面□500×350×35×35，材質Q420GJC)。

豎向構件尺寸、材質 表1

鋼框梁截面尺寸、材質 表2

鋼桁架構件截面、材質 表3

(2)樓蓋體系

標準層采用鋼梁+鋼筋桁架樓承板組合樓蓋，板厚110mm；加強層上下層樓板，需協調核心筒、外腰桁架巨柱框架間的水平剪力，根據應力水平設置鋼梁+鋼水平撐+鋼筋桁架樓承板組合樓蓋，鋼水平撐截面H520×250×22×22(Q345B)，板厚180mm，配筋14@100雙層雙向布置。

2.2.2 選用合理的計算手段

(1)針對結構設計難點二，采用文獻[7]中建議，選用截面分析軟件Xtract對異形巨柱按彎曲剛度等效為內嵌十字形型鋼的型鋼混凝土方柱建立模型，進行分析；在承載力設計時，項目采用文獻[7]建議：選用軟件Xtract進行抗彎承載力設計；采用修正《組合結構設計規范》(JGJ 138—2016)[8]公式(6.2.16-2)中h0，Asv，hw進行抗剪承載力設計。

(2)結構設計難點三，充分考慮柱長對承載力的影響。采用軟件SAP2000對異形巨柱分區段進行屈曲分析，根據歐拉公式Pcr=π2EI/(μL)2反算出異形巨柱計算長度系數，見表4。

異形巨柱計算長度系數 表4

(3)針對結構設計難點四，采用文獻[4]提出的搭接轉換柱組概念，采用軟件ABAQUS對節點進行詳細分析，并提出在4～5層設置適宜剛度腰桁架、與核心筒拉結的型鋼梁有利措施。

2.2.3 采取有效構造措施

針對結構設計難點五、難點六，采取如下構造加強措施：1)抗震等級均選用特一級，核心筒剪力墻、異形巨柱均按特一級構造措施進行構造加強；2)核心筒剪力墻設置約束邊緣構件，邊緣構件內設置型鋼柱以提高墻肢的抗彎、抗剪承載力與延性；3)加強層核心筒剪力墻設置約束型構造鋼梁，與剪力墻邊緣構件內型鋼柱形成墻內約束型鋼邊框，有效提高加強層核心筒墻肢的延性與整體性；4)異形巨柱箍筋全高加密，軸壓比較規范規定限值降低0.05。

3 結構性能評估

3.1 彈性分析結果

3.1.1 整體分析主要結果

選用YJK和ETBAS兩種軟件進行風荷載與地震作用反應譜彈性計算，兩者的計算結果吻合較好。從主要整體分析主要結果(表5)可知：除剪重比、加強層及上下層側剛比、承載力比外，其余參數均滿足規范限值要求，剪重比根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[3]第5.2.5條予以放大調整滿足；加強層及上下層側剛比、承載力比則通過三水準驗算復核性能目標C能否實現。

整體分析主要結果 表5

3.1.2 外框與核心筒間的剪力分配

從地震作用下外框、核心筒的剪力分配(圖5)可知：對于非加強層，地震剪力主要由核心筒承擔，外框剛度弱，占比小；在加強層及上下層附近剪力存在突變，剪力由帶腰桁架的外框與核心筒共同承擔。

圖5 地震作用下外框、核心筒剪力分配

基于此，結構設計時，除加強層外，核心筒均承擔100%的地震剪力，外框按剛度分配地震剪力的3倍進行放大調整。

3.1.3 風洞試驗與層間位移角、頂點加速度

(1)風洞試驗

風洞試驗結果參照廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司提供的《深圳前海T201-0077地塊項目風洞動態測壓試驗報告》、《深圳前海T201-0077地塊風致結構響應分析報告》、《深圳前海T201-0077地塊項目風洞風環境試驗報告》。報告中對于風洞風向角示意的描述見圖6，圖7中粗糙度根據遠場地面粗糙度分析結果，地面粗糙度試驗時0°～210°按《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[2]中規定的C類地面粗糙度，220°～300°采用A類地面粗糙度，310°～350°采用B類地面粗糙度。

圖6 風洞試驗風向角

圖7 地面粗糙度

(2)層間位移角、頂點加速度

在50年一遇的風洞試驗荷載作用下,辦公A塔X向最大層間位移角為1/683，Y向最大層間位移角為1/495，基本滿足小于規范限值1/500要求。在10年一遇的風荷載作用下，結構X向頂點加速度峰值為0.160m/s2，Y向頂點加速度峰值為0.202m/s2，滿足小于規范限值0.25m/s2要求。

3.1.4 構件彈性計算結果

在小震彈性、中震等效彈性計算作用下，考慮內置型鋼的承載力，構件均可滿足中、小震性能目標C的要求。

3.2 彈塑性時程分析結果

采用軟件ABAQUS對結構進行罕遇地震作用下的時程分析，從整體性能與構件性能兩個層面上評估其抗震性能[9-10]。時程分析波選用廣東省工程防震研究院提供的兩條擬合天然波(MLDα01B，MLDα01F波)，以及一條人工波(MHα01A波)。

3.2.1 整體性能評估

從整體分析主要結果(表6)可知：罕遇地震作用下，結構X向基底剪力為小震下的4.8～5.5倍，Y向基底剪力為小震下的4.9～5.4倍；最大彈塑性層間位移角X向為1/194，Y向為1/132，均滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(DBJ 15-92—2013)[1]C類性能目標限值1/125的要求，能夠實現“大震不倒”的性能目標。

整體分析主要結果 表6

3.2.2 構件性能結果

經比較，MHα01A波作用下Y向為地震主輸入方向時，構件損傷最為嚴重，下文僅列出Y向為地震主輸入方向下的計算結果。

(1)核心筒剪力墻受壓損傷、縱筋塑性損傷

從剪力墻受壓損傷，墻身、邊緣構件內縱筋塑性應變(圖8)可知：核心筒墻體混凝土受壓損傷主要發生在連梁、加強層、筒體收進的局部位置以及內筒Y向墻肢的局部位置，外筒墻肢總體受壓損傷比較小，基本實現了以連梁構件進行耗能、主體墻肢在大震下能夠持續承受豎向荷載的設計目標；內置型鋼以及邊緣構件內縱筋均未出現塑性變形，型鋼+鋼筋能抵抗大震下的拉力，第一道抗震防線基本可靠。

(2)巨柱型鋼、外框鋼梁及腰桁架塑性損傷

型鋼混凝土異形巨型柱受壓損傷主要出現在底層柱搭接轉換處、各加強層附近以及高區核心筒收進樓層，屬輕度損壞；從巨柱型鋼、外鋼框梁、腰桁架塑性應變(圖9)可知：巨柱內型鋼都未出現塑性變形；腰桁架的弦桿與腹桿均未出現塑性變形，能有效約束異形巨柱變形，發揮第二道抗震防線作用。

圖9 巨柱型鋼、外鋼框梁、腰桁架塑性應變

(3)加強層樓板受壓損傷

從以Y向為主方向的MHα01A波作用下加強層樓板受壓損傷云圖(圖10)可知：平面角部、核心筒內的樓板受壓損傷程度情況相對較輕，而核心筒與巨柱之間的樓板需傳遞剪力，受壓損傷較為明顯，但也屬于輕、中度損傷，表明設置水平桁架對樓蓋系統的剪力傳遞、樓板混凝土受壓損傷抑制均發揮了顯著作用。

圖10 加強層樓板受壓損傷云圖

4 結論

(1)帶適宜剛度腰桁架的巨柱框架-核心筒結構體系可實現8個框柱的稀柱網建筑形體；鋼梁+鋼水平撐+鋼筋桁架樓承板組合樓蓋能可靠傳遞加強層外框架與核心筒間的水平剪力。

(2)設置約束型構造鋼梁，與墻肢內型鋼柱形成墻內約束型鋼邊框，可有效提高加強層核心筒墻肢的延性與整體性。

(3)建議帶腰桁架的巨柱框架-核心筒結構體系的核心筒承擔100%地震剪力，以提高第一道防線抗震承載力。

致謝：工程設計過程中，得到了深圳千典設計顧問公司的大力支持與幫助，在此表示感謝！