塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)用論文
摘要：文章通過對結(jié)構(gòu)體系的分析、對巨型轉(zhuǎn)換桁架的研究、對鋼板混凝土剪力墻的應(yīng)用和對懸臂桁架施工的控制，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與建筑的深度融合，在實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)效果的同時提高了結(jié)構(gòu)效率，降低了工程造價，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換桁架；鋼板混凝土；剪力墻；懸臂桁架
1工程背景及概況
珠海橫琴保利國際廣場前身為橫琴發(fā)展大廈，位于珠海市橫琴自貿(mào)區(qū)內(nèi)，原規(guī)劃及單體設(shè)計(jì)方案通過國際招標(biāo)產(chǎn)生，由日本株式會社佐藤綜合計(jì)畫中得。項(xiàng)目規(guī)劃為地塊一一棟19層主塔樓及地塊二兩棟副塔樓組成的群體建筑。其中，地塊一主塔樓標(biāo)準(zhǔn)層平面面寬100m，進(jìn)深100m（塔樓中心設(shè)置40m×40m的內(nèi)天井作通風(fēng)采光使用），塔樓高度100m形成一個完美的正立方體外形。塔樓首層為由南側(cè)廣場延伸形成的大臺階“基座”，中軸對稱，儀式感極強(qiáng)，二層整體內(nèi)縮形成標(biāo)準(zhǔn)層外挑灰空間。整個建筑形體簡潔，外立面采用節(jié)能遮陽的橫向金屬百葉，利用百葉后各層隨機(jī)設(shè)置的辦公室外空間及空中綠化平臺形成了立面上韻律感的“云符”，以此造就獨(dú)特的“橫琴島建筑外立面風(fēng)格”——琴歌（見圖1）。圖1效果圖為實(shí)現(xiàn)建筑師的設(shè)計(jì)構(gòu)想，達(dá)到“懸浮”的造型效果，原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：主塔樓向四周懸挑13m，布置四個落地核心筒，筒體之間跨度33.6m。結(jié)構(gòu)體系采用了帶高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力拉索及屈曲支撐減震的巨型轉(zhuǎn)換桁架-鋼框架筒-支撐結(jié)構(gòu)，屬于非常規(guī)結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜且效率低下，同時施工難度極大，運(yùn)營維護(hù)困難且費(fèi)用高昂。主體結(jié)構(gòu)建造成本概算為4169元/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)項(xiàng)目。2013年獲取該項(xiàng)目后，對設(shè)計(jì)方案的建筑內(nèi)外空間形態(tài)、使用功能和結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了深入研究，在保持建筑立面形態(tài)，不破壞“懸浮”效果及使用功能的前提下，結(jié)構(gòu)與建筑進(jìn)行了高度融合。在結(jié)構(gòu)體系選型和優(yōu)化過程中，運(yùn)用雙向漸進(jìn)優(yōu)化法，不斷尋找和刪除結(jié)構(gòu)中低效的材料，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵和最需要部位的材料使用，通過對8個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的比選，完成了結(jié)構(gòu)體系的全面優(yōu)化：①結(jié)構(gòu)主要體系由原來的鋼框架筒-支撐體系改為常規(guī)的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；②利用3層層高設(shè)置外挑13m、高9m的鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架；③核心筒從原“L”形布置改為矩形布置，核心筒之間設(shè)置部分中柱落地，最大跨度從雙向33.6m減少至單向19.3m；④取消高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力拉索及屈曲支撐減震，采用鋼板混凝土剪力墻抗震。圖2二層平面圖較好的經(jīng)濟(jì)效益。
2結(jié)構(gòu)體系
塔樓平面呈“回”字形布置（見圖2、圖3）。為實(shí)現(xiàn)建筑獨(dú)特的造型和豐富的功能要求，形成了大懸挑、大跨度、大開洞及穿層柱等結(jié)構(gòu)薄弱部位，存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、尺寸突變、豎向構(gòu)件不連續(xù)、承載力突變等不規(guī)則類型，屬于復(fù)雜超限高層建筑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨的最大挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)建筑的.“懸浮”效果，同時保證其經(jīng)過優(yōu)化，結(jié)構(gòu)傳力更直接合理，結(jié)構(gòu)效率顯著提高，施工及后期維護(hù)難度明顯降低。2，相比原方案工程造價降低超過2億元，實(shí)現(xiàn)建筑方案的同時取得具有良好的結(jié)構(gòu)性能。為此，結(jié)構(gòu)在第3層設(shè)置了巨型鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架，以支撐建筑四周不落地的44根外圍柱和無柱大堂及架空層不落地的18根中柱；2～4層的剪力墻內(nèi)設(shè)置20～25mm厚鋼板形成鋼板混凝土剪力墻；4層及以下框架柱采用型鋼混凝土柱（見圖4）。圖4南北向結(jié)構(gòu)體系示意圖圖5東西向懸挑轉(zhuǎn)換桁架示意圖圖6南北向懸挑轉(zhuǎn)換桁架示意圖注：紅色為受拉構(gòu)件，藍(lán)色為受壓構(gòu)件結(jié)構(gòu)中的建筑空間最大化。轉(zhuǎn)換桁架是最重要的關(guān)鍵受力構(gòu)件，按照中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)設(shè)計(jì)。綜合考慮桁架層無樓板和有樓板對桁架層水平構(gòu)件的不利影響進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，以及豎向地震作用，并把抗震等級提高至特一級，從構(gòu)件強(qiáng)度和延性兩方面確保結(jié)構(gòu)的安全。通過對桁架構(gòu)件設(shè)置的仔細(xì)研究，做到了低冗余度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)安全和建筑空間使用功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)框架部分的轉(zhuǎn)換（見圖5、圖6）。結(jié)構(gòu)按性能化設(shè)計(jì)，抗震性能目標(biāo)為C級，性能狀況如下：轉(zhuǎn)換桁架中震彈性、大震不屈服；底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻和框架柱中震下斜截面彈性、正截面不屈服，大震不屈服；其余剪力墻和框架柱中震下斜截面彈性、正截面不屈服，大震部分屈服，滿足最小抗剪截面條件；連梁和框架梁中震下部分屈服、滿足抗剪截面條件，大震下大部分屈服、滿足最小抗剪截面條件；樓板中震下局部開裂，開裂處應(yīng)力由樓板鋼筋承擔(dān)，大震下大部分屈服。主塔樓外挑達(dá)11.6～14.65m，在豎向荷載作用下懸臂部分變形較大。因此在變形最大的四層樓板的懸臂根部設(shè)置環(huán)形后澆帶，并在主體結(jié)構(gòu)封頂后才能澆筑混凝土，運(yùn)用先“放”后“抗”的方法，在后澆帶澆筑前釋放了大部分變形，從而降低因懸臂結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致樓板開裂的風(fēng)險。
3巨型轉(zhuǎn)換桁架
傳遞至轉(zhuǎn)換桁架的主塔樓外圍不落地框架柱軸力設(shè)計(jì)值最大約15000kN，大堂處不落地框架柱軸力設(shè)計(jì)值最大約21000kN。采用桁架轉(zhuǎn)換充分利用了構(gòu)件軸力傳遞上部荷載，極大地提高了材料利用效率，并有效實(shí)現(xiàn)了大跨度轉(zhuǎn)換在東西向懸挑轉(zhuǎn)換桁架中，通過方案比較加設(shè)1號斜腹桿，使桁架層上弦的拉力和下弦的壓力部分通過1號斜腹桿的拉力相互抵消，大大減少了桁架層2～8號構(gòu)件的剪力。同時也很大程度上減少了轉(zhuǎn)換桁架的側(cè)移，從而避免了4層核心筒之間的樓板承受較大的拉力和剪力，提高了結(jié)構(gòu)受力性能，同時減少樓板開裂的風(fēng)險。對于核心筒周邊區(qū)域的懸挑轉(zhuǎn)換，由核心筒伸出懸臂桁架直接支撐上部的框架柱。而對于塔樓角柱的轉(zhuǎn)換，則在塔樓角部設(shè)置支撐在核心筒懸臂桁架上的封邊桁架，把塔樓的角柱荷載傳遞給核心筒，完成主塔樓角部懸挑結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換（見圖7）。轉(zhuǎn)換桁架上弦軸力設(shè)計(jì)值最大約7100kN，下弦軸力設(shè)計(jì)值最大約5600kN，均采用箱型Q345B鋼梁，截面為1000×500×35×35；斜腹桿最大軸力設(shè)計(jì)值約30000kN，采用矩形鋼管支圖10現(xiàn)場照片圖11砂箱卸載示意圖圖7角部轉(zhuǎn)換桁架示意圖圖8桁架層三維示意圖（僅表達(dá)桁架和框架梁）撐和矩形鋼管混凝土支撐，最大截面為900×700×35×35。按照轉(zhuǎn)換層強(qiáng)斜腹桿的設(shè)計(jì)思路，對承受壓力較大的斜腹桿，在矩形鋼管內(nèi)灌自密實(shí)高強(qiáng)混凝土（見圖8）。
4鋼板混凝土剪力墻
由于主塔樓懸挑大、自重大、剛度大而剪力墻少，在重力荷載和地震作用下，1m厚4.3m長的C60鋼筋混凝土剪力墻需承受14000kN剪力設(shè)計(jì)值，不能滿足受剪截面要求。簡單采用加大剪力墻截面的方式會進(jìn)一步加大主塔樓的剛度，地震力相應(yīng)加大，對剪力墻承載力提出更高要求，形成不合理結(jié)構(gòu)體系。因此從結(jié)構(gòu)受力合理性和建筑空間利用率出發(fā)，在受剪力較大的2～4層剪力墻內(nèi)設(shè)置20～25mm厚鋼板形成鋼板混凝土剪力墻，充分利用鋼材的抗剪強(qiáng)度，最大剪力墻厚度只需要600mm，把結(jié)構(gòu)剛度和地震力調(diào)整在合理范圍內(nèi)。剪力墻端部的型鋼則和鋼桁架有效連接，保證了桁架受力的可靠性（見圖9）。
5懸臂桁架的施工實(shí)現(xiàn)
懸臂桁架從拼裝到合攏成結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力，是整個施工的關(guān)鍵和難點(diǎn)。為了確保結(jié)構(gòu)安全及施工過程的安全，在懸臂桁架端部采用點(diǎn)式格構(gòu)式胎架對結(jié)構(gòu)進(jìn)行支持（見圖10）。在胎架支撐上部主體結(jié)構(gòu)施工過程中，胎架與主體結(jié)構(gòu)形成一個臨時的整體的受力體系。胎架卸載是整個施工過程中的里程碑工序，結(jié)果是上部荷載由臨時胎架承受逐漸過渡為由懸臂桁架承受，標(biāo)志著主體結(jié)構(gòu)從臨時受力體系轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)的永久結(jié)構(gòu)受力體系，必須絕對受控。它是釋放胎架構(gòu)件內(nèi)力，主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向變形以及臨時支撐體系和主體結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力動態(tài)重分布的過程。為控制風(fēng)險，胎架卸載采用“位移和受力控制兼?zhèn)洌晕灰瓶刂茷橹鳌钡闹饕刂扑悸罚旒軐影惭b完成且主體結(jié)構(gòu)施工至6層后，利用砂箱排砂控制卸載的位移量，對整個主塔樓的懸臂桁架進(jìn)行同步整體卸載（見圖11）。設(shè)計(jì)對胎架卸載的全過程進(jìn)行了施工模擬，通過現(xiàn)場組織試卸載，把相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，確認(rèn)無誤后才進(jìn)行整個塔樓全面卸載，有效地控制了施工風(fēng)險。
6結(jié)束語
珠海橫琴保利國際廣場主塔樓在設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)與建筑進(jìn)行了深度融合，通過結(jié)構(gòu)算法為建筑找形，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身成為建筑表達(dá)的一部分，成就了建過程中支撐胎架和結(jié)構(gòu)體系中的受力十分復(fù)雜，需要保證受力體系內(nèi)力重分布時緩慢平穩(wěn)，否則容易出現(xiàn)安全事故或者主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形、裂縫而不滿足耐久性及使用功能的要求。筑之美，并通過不斷雙向漸進(jìn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，在實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)效果的同時提高了結(jié)構(gòu)效率，降低了工程造價，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
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