深圳太子廣場項目結構體系設計與應用

練賢榮， 梁愛婷， 鐘玉柏， 張良平

(深圳華森建筑與工程設計顧問有限公司， 深圳 518054)

1 工程概況

深圳太子廣場項目位于深圳市前海蛇口自貿區海上世界太子路，含1棟41層超高層辦公樓(屋面高度196.71m)、4層裙房、3層地下室，總面積約15萬m2。其中塔樓由于建筑效果要求，東西兩側分別在1/3高度及2/3高度處不能連續，從而導致需要采用桁架托換，在立面上形成兩個凹口[1]，建筑效果圖如圖1所示。

工程結構設計使用年限50年，安全等級二級，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.10g[2]，設計地震分組第一組，建筑場地類別二類，50年一遇的基本風壓0.75kN/m[2-3]，結構粗糙度類別B類。結構存在扭轉不規則、樓板不連續、豎向構件不連續[4-5]。

2 結構方案比選

針對凹口對結構的影響及如何設置托換進行了三個方案的對比。1)方案1(懸挑桁架[6]+環桁架)：東側在13層處將外框柱斷開，并在16層避難層設置懸挑轉換桁架和環桁架，承托上部鋼柱；西側在26層處將外框柱斷開，并在29層避難層設置懸挑轉換桁架和環桁架，承托上部鋼柱，如圖2(a)所示。2)方案2(大鋼斜桿[7]+環桁架)：東側在13層處將外框柱斷開，西側在26層處將外框柱斷開，設置跨越多層的大鋼斜桿和鋼環桁架將荷載傳至核心筒，如圖2(b)所示。3)方案3(缺口處外框柱連通)：結構外框柱連通，如圖2(c)所示。

經分析比較，各方案主要構件截面尺寸及相關經濟指標見表1。從結構成本及受力角度考慮，方案3明顯優于方案1和方案2，可以節省約5千萬。但業主為了實現建筑效果，最終在方案1和方案2中挑選了方案1。

針對桁架轉換布置及桁架上部結構形式(混凝土結構和鋼結構)進行對比。1)方案A：懸挑以上采用鋼結構，29層采用單邊轉換桁架即僅核心筒西側附近的框架柱不連續，需要通過桁架轉換，如圖3(a)所示。2)方案B：懸挑以上采用鋼結構，29層采用兩邊轉換桁架即所有的框架柱均不連續，需要通過桁架轉換，如圖3(b)所示。3)方案C：懸挑以上采用混凝土結構，29層采用兩邊轉換桁架，如圖3(b)所示。

圖1 建筑效果圖

圖2 各方案示意圖

圖3 桁架轉換布置方案示意圖

主要構件截面尺寸及經濟性對比 表1

經分析比較，結構主要計算指標及相關經濟指標見表2，3。由表2，3可知：方案C要優于方案A和方案B，但從結構受力合理性角度，方案C自重太大，為桁架層帶來的負重過大，將會產生很多不利影響，同時超限專家也不建議采用方案C。方案B相比方案A受力更均勻，符合力學平衡原理，經濟指標也略優于方案A。綜合上述，最終選擇方案B，其典型樓層平面布置圖如圖4所示。核心筒厚度由下至上從1 000mm漸變至400mm，底部轉換桁架以下框架柱為混凝土柱和型鋼混凝土柱，型鋼混凝土柱截面尺寸1 500×1 500～1 300×1 300，混凝土柱截面尺寸1 100×1 100，800×800；頂部轉換桁架和底部轉換桁架之間框架柱為型鋼混凝土柱及方鋼管柱，型鋼混凝土柱截面尺寸1 300×1 300～1 000×1 000，鋼管柱截面尺寸600×600，壁厚30mm；頂層轉換桁架以上框架柱全部為鋼管柱，截面尺寸600×600，壁厚20mm。

主要計算指標 表2

相關經濟指標 表3

由于建筑屋面上有2層在東側退臺(圖2(a))，導致29層桁架左右兩側承擔的樓層荷載差2層，如果不經處理，29層的桁架左右受力不均會導致核心筒長期承擔不平衡力矩。為此在東側29層桁架下2層采用下掛方式處理，其柱節點如圖5所示。設置橢圓形螺栓孔可以允許一定的變形，同時也防止東側的荷載直接傳遞到16層桁架。采用該方法還可以起到抗連續倒塌的作用，一旦某一層的桁架失效，另外一層的桁架能夠起到防止倒塌的效果。此節點螺栓正常情況下不受力，上下柱之間也不能傳力。但是在發生連續倒塌情況下，上下柱之間能夠傳遞軸力(上下柱可垂直對接)。

3 桁架分析

桁架屬于本項目關鍵構件，需要重點分析和采用相應的加強措施，采用伸臂桁架和環桁架組合，桁架水平構件全部延伸至核心筒，腹桿有條件的伸入剪力墻(個別由于影響建筑門洞采取節點特殊處理)。桁架上下弦桿以及斜撐采用箱形截面900×600×60×60，材料為Q390GJC，箱形截面弦桿腹板深入剪力墻核心筒內，見圖6，結構受力三維示意見圖7。

圖4 方案B典型樓層平面布置圖

圖5 防連續倒塌節點

圖6 單品桁架立面示意圖

圖7 桁架層三維示意圖

圖8 27～30層上部支托桁架豎向位移云圖/m

經整體受力分析(含各種施工模擬)可知，桁架最遠端的豎向變形最大值為49mm(圖8)。雖然變形量不大，但對樓板應力影響較大[8]。通過MIDAS/Gen有限元分析可知，16層樓板對應的桁架下弦桿位置的樓板應力已經遠超過了混凝土抗拉強度標準值(圖9)，需要采用后澆樓板且在樓板內設置斜撐等方式進行處理[9]。

圖9 恒載+活載組合工況下樓板應力云圖/MPa

采用MIDAS/Gen，分別將上下兩處支托桁架樓層作為單獨模型，分析其豎向自振頻率[10]，自振頻率均小于4Hz，滿足規范要求。結果見表4。

桁架節點是關鍵，本工程桁架節點比較復雜的部位在桁架與核心筒交接處，通過節點有限元分析可知，該部位也是應力最復雜之處，需要重點加強并采取有針對性的措施(加厚桁架層核心筒厚度，加強配筋，鋼桁架上下弦延伸至核心筒內等)。桁架層的舒適度[9]也是重點需要分析之處，應對桁架采取適當起拱等方式。

桁架層振動分析 表4

4 結論

(1)下部框架-核心筒、上部桁架托換核心筒體系，受力合理，經濟可行。

(2)懸挑桁架以上采用輕鋼結構，更有利于荷載的均勻分布。

(3)由于桁架層變形大，受力集中，桁架層相應的樓板必須進行加強處理。

(4)采用桁架預起拱可以有效地控制變形。

(5)工程目前已經投入使用，從實際情況看，各方面能滿足各項使用要求。