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異形建筑結構設計(上)

  華潤深圳灣綜合發展項目位于深圳南山區的后海,坐落于深圳灣的西面與深圳灣體育中心的南面。該藝型建筑項目占地約38,000平方米,總建筑面積約為465,000米。其中華潤總部大樓高度為393米,建成后將成為整個項目發展區內高的建筑。
  華潤深圳灣總部大樓(圖1)采用密柱外框筒+勁性鋼筋混凝土核心筒結構體系,有效滿足了該超高層結構的設計要求。
華潤深圳灣總部大樓藝型建筑
  通過斜交網格在高區和低區加強形成密柱外筒,形成可靠的二道防線;提出了新型外框偏心節點,摸清了偏心節點受力性能和對整體結構的影響,實現了建筑的無柱空間要求;高區核心筒采用新穎的斜墻收進方案,即滿足了建筑的使用功能,也保證了結構傳力的安全有效性,避免了剛度的突變。
  比較分析了伸臂阻尼器數量對舒適度的影響,確定了經濟有效的一道伸臂阻尼器形式。此外進行了其它深入細致的計算分析,有力地保證了工程的安全性、合理性。
  基礎設計
  總部大樓采用采用混凝土強度等級為C40的人工挖孔樁及筏板作為基礎,以中風化花崗巖為持力層。
  對于8根外圍柱,采用單柱單樁的形式,每個柱下采用樁身直徑.3米,擴底3.6米,單樁承載力特征值R=50000kN;核心筒下均勻布置16根大直徑人工挖孔樁,樁長約15~40米,其中在筒體四個角部處布置樁身直徑4.5米,擴底直徑7.4米的樁,單樁豎向承載力特征值Ra=194000kN,共計4根,其余在墻下均勻布樁,樁身直徑4.1米,擴底6.8米,單樁豎向承載力特征值Ra=150000kN,共計12根。筏板承臺厚3.5米。塔樓樁基平面示意如圖2所示。
塔樓樁基平面示意圖
 
  塔樓結構構成
       整體結構采用密柱外框筒+勁性鋼筋混凝土核心筒體系[1],如圖3所示,標準層結構平面如圖4所示。
標準層平面圖
  3.1內筒
  內筒為型鋼-鋼筋混凝土筒體,墻體洞邊及角部埋設型鋼柱[2]。核心筒外墻由地下層4到頂層厚度為1500~400mm。內墻墻厚400~300mm。連梁高800mm,寬同墻厚,局部樓層受力較大連梁內設窄翼型鋼梁。
  墻體混凝土強度等級為C60,型鋼強度等級Q345B。內筒典型布置如圖5~圖10所示。
圖5 地下室及 L1 層內筒平面布置圖
圖6 L2~L3 層內筒平面布置圖
圖7 L4~L48 層內筒典型平面布置圖
圖8 L2-L5 層核心筒局部 3D 圖
  L2及L3層的核心筒角部局部加厚兩個樓層以搭接上部的切角墻,如圖8所示,在傳力和構造上較好實現核心筒的轉換過度,避免核心筒變換產生水平分力影響筒外樓板。
圖9 L51 層以上內筒典型平面布置圖
圖10 L48-L51 層核心筒局部 3D 圖
 
  L48到L51層的核心筒由于尺寸縮小較多,外墻采用雙層斜墻收進的方式實現,如圖10所示。
  3.2密柱外框結構
  密柱外框架的立面和構件尺寸如圖11所示。
圖11 密柱外框立面示意
圖12 典型外框柱示意
  密柱的外框架從地下室往上,分別由地下室的8根大尺寸型鋼混凝土柱過渡到地上低區的斜交網格結構,再往上為辦公區主體的密柱框架,從56層開始,密柱開始再次轉變為高區的斜交網格,外框柱的尺寸較小,在高低區兩端采用斜交網格加強,使外框具有很好的整體性和抗側剛度。
  外框柱由地下室的1400x1400mm的型鋼混凝土柱,轉變為梯形鋼管柱,截面尺寸由低區750~830x755x60mm逐漸減小至300~400x480x35mm,材料采用高建鋼Q345GJ及Q390GJ。
  特別需要說明的是,由于業主以及建筑師對室內使用空間的要求,要求室內做到無柱的效果,結構的外環梁與外框柱節點采用全偏心的節點連接形式,即:外環梁與外框鋼柱連接時,外環梁位于鋼柱的內側,其三維模型示意及現場實景如圖13~14所示:
圖13 典型偏心梁柱節點三維示意
 
圖14 外框偏心梁柱現場圖
 
  3.3樓蓋
  采用鋼筋桁架樓板組合樓蓋體系,由型鋼梁、混凝土樓板構成,型鋼梁以核心筒為中心,呈放射狀布置,兩端鉸接,梁頂面設有剪力鍵,如圖15~16所示。標準層樓板厚120mm,設備層樓板厚150mm。
圖15 低區樓面梁布置
圖16 中高區樓面梁布置
 
 
  3.4塔冠
  塔冠坐落于主結構115層,從331.5米開始至393米,高度達61.5米,塔冠結構由下至上分為三個部分,基座結構采用雙層網格網結構,外層為斜交鋼網格,內層為施加預應力的拉桿,并沿豎向高度方向均勻設置內環桁架以增加結構的整體面外穩定性能;在378.8米以上中部擦窗機平臺空間結構,由于空間較小,采用單層網格結構,后續與幕墻結構相結合設計;頂底錐帽采用單層網格結構,塔冠立面圖如圖17所示:
圖17 塔冠結構立面圖
 
 
  荷載作用
  4.1重力荷載
  結構自重包括樓板、梁、柱、墻重量,按各自容重由程序計算。辦公區考慮吊頂、架空地板、管線等做法恒荷載取1.5kN/㎡,活荷載考慮隔墻及高端辦公需要取4.0kN/㎡,外墻考慮幕墻,附加恒載取1.5kN/㎡。其他部分根據建筑做法和使用功能取相應荷載。
  4.2風荷載
  由于各風洞實驗室使用不同的試驗儀器及分析方法,為確??偛克墙Y構設計安全可靠、經濟合理、及保證風洞試驗結果的合理性及安全性,對華潤總部,采用兩個不同的風洞試驗室進行一次對比試驗,確保風洞試驗能真實反映實際情況。
  在加拿大RWDI風洞試驗室進行了測壓、測力風洞試驗研究,華南理工大學作為第三方的獨立風洞試驗單位。結果表明,兩家獨立風洞試驗單位的分析結果較為吻合,風洞試驗成果可靠。設計采用RWDI風洞試驗結果,如表1所示:
  RWDI 風洞試驗結果表明在 10 年重現期 1.5%阻尼比情況下的建筑頂部風振加速度為 24milli-g(考慮 臺風)和 9.1milli-g(不考慮臺風);華南理工大學的風洞試驗表明頂部大風振加速度為 19 milli-g, 兩者均可以滿足規范的風振舒適度要求。業主考慮進一下提高大樓的舒適度,設計擬加阻尼器來控制和減 小塔樓的風振加速度。
  4.3 地震作用
  本工程所處地區場地類別Ⅲ類,設計地震分組第一組,小震、中震和大震采用規范的設計參數進行設計。多遇地震水平峰值加速度為 35gal,罕遇地震水平峰值加速度為 220gal。X,Y,Z 三向地震作用效應 組合系數為 1:0.85:0.65。
  反應譜參數如表 2 所示,其中各地震作用水準下考慮了填充墻剛度影響周期折減。
  4.4 荷載效應組合
  考慮恒荷載、活荷載、風荷載(包括橫風向風振)、地震作用(包括三向地震及單向偶然偏心)等各 種效應組合,共計 129 種。
  其中:
  1)小震反應譜抗震組合時考慮承載力抗震調整系數γRE;
  2)核心筒底 部加強區內力調整;
  3)承載力計算中考慮外框架小震作用效應放大系數;
  4)橫風向風振采用三向同時輸 入,均方根法效應組合;
  5)中震彈性:考慮荷載分項系數,材料取設計強度,考慮承載力抗震調整系數γRE;
  6)中震不屈服:荷載分項系數為 1,材料取標準強度,承載力抗震調整系數為γRE = 1。
 
 
 
 
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