西北第一高楼——西安绿地中心位于西安市高新技术产业开发区西区,建成后将成为西北第一高楼和西安高新区标志性建筑。该项目由两幢对称的超高层双子塔楼、4层裙房及3层地下车库组成。 其中超高层塔楼高270m,采用钢管混凝土框架+伸臂桁架+型钢混凝土核心筒混合结构形式。2014年12月19日,西安绿地中心A座塔楼顺利完成结构封顶,下面具体介绍其结构设计情况。 1 工程概况 西安绿地中心A座超高层建筑用途为办公与商业,塔楼及其附属建筑建筑面积约为17万m2,地上共57层,建筑总高度为270m,1~4层为商业,层高5.1m;5~57为办公,层高4.2m。其中塔楼平面西南角从16层至幕墙顶部建筑立面存在大切角,导致角柱无法竖向贯通。地下室共3层,为设备机房及车库。基础埋深为19m。
其中超高层塔楼高270m,采用钢管混凝土框架+伸臂桁架+型钢混凝土核心筒混合结构形式。2014年12月19日,西安绿地中心A座塔楼顺利完成结构封顶,下面具体介绍其结构设计情况。
1 工程概况
西安绿地中心A座超高层建筑用途为办公与商业,塔楼及其附属建筑建筑面积约为17万m2,地上共57层,建筑总高度为270m,1~4层为商业,层高5.1m;5~57为办公,层高4.2m。其中塔楼平面西南角从16层至幕墙顶部建筑立面存在大切角,导致角柱无法竖向贯通。地下室共3层,为设备机房及车库。基础埋深为19m。
图1为工程建筑立面效果及剖面图,典型结构平面见图2。
图1 建筑效果图及剖面图
图2 典型结构平面
2 结构体系
塔楼采用钢管混凝土框架+伸臂桁架+型钢混凝土筒体的混合结构体系。其中内筒采用型钢混凝土核心筒,作为塔楼主要抗侧力构件,核心筒周边墙体厚度随楼层高度增大不断向内收进,核心筒外墙厚度自下而上变化范围为1 250~600mm,内部墙体厚度自下而上变化范围为800~400mm。核心筒平面尺寸为21m×21m,其高宽比达12.5。
外围框架采用由钢管混凝土柱与H型钢梁组成的钢管混凝土框架,柱间距达10.5m,形成了典型的稀柱框架。外框架圆钢管混凝土柱截面尺寸自下而上变化范围为1700~1 300mm。
结合塔楼建筑避难层的设置,在结构第29,44层X,Y向各设置两道水平伸臂桁架来增加结构的侧向刚度(图3)。伸臂桁架采用钢桁架,贯通核心筒与外框柱直接连接,其连接形式采用铰接。同时,为使各外框柱受力均匀,并减小加强层上下楼板翘曲及降低楼板平面内应力,在设置伸臂桁架的同时,在第15,29,44层避难层外围设置腰桁架(图4)。
图3核心筒及伸臂桁架 ——图4外框体系
核心筒与外框柱之间的楼面结构采用钢筋桁架楼承板,楼面梁采用钢梁,通过抗剪栓钉与楼板相连,使楼面形成组合楼盖系统。
3 设计中存在的问题
本工程处于高烈度不利场地,而且塔楼高度超限较多、外框架的柱距较大、竖向抗剪承载力突变、核心筒高宽比较大,属于复杂超限结构。设计中存在以下问题:
(1)由于塔楼建筑立面造型存在大切角,使得结构外框角柱在竖向不能贯通,需采取措施,既能保证结构竖向传力的连贯性,又不至于使结构出现刚度突变。
(2)结构外框架属于典型的稀柱框架,且底部几层层高较大,外框架二道防线作用较弱,需采取加强措施增强外框架抗震能力,确保结构整体安全。。
4 针对超限情况采取的技术措施
4.1 塔楼结构采用带加强层的混合结构
钢和混凝土混合结构有较好的抗震性能和延性。混合结构构件也有很高的强度,可使构件的自重较轻,截面尺寸也较小,且混合结构的刚度较大,对于控制结构的位移和舒适度均较为有利。
在第29,44层设置的伸臂桁架(图5)可以提高水平荷载作用下的外框架柱的轴力,从而增加外框架承担的倾覆力矩,同时减小内核心筒承担的倾覆力矩,它对结构形成的反弯作用可以有效地增大结构的抗侧刚度。
图5 第29,44层伸臂桁架
4.2 增强核心筒墙体的延性
针对核心筒墙体的延性要求,采取了如下技术措施:
1)严格控制核心筒墙体轴压比,并在核心筒墙体四角及洞口边墙体暗柱内设置型钢柱,在底部加强区楼层处设置型钢暗梁,提高墙体的延性,并控制在中震时核心筒墙体混凝土在偏拉作用下的拉应力,避免墙体混凝土过早发生开裂破坏;
2)提高墙体约束边缘构件设置范围,约束边缘构件延伸至轴压比≤0.25的高度,并根据专家审查意见,在核心筒四角全高设置约束边缘构件;
3)按照大震不屈服控制剪力墙的受剪截面,避免核心筒墙体在大震下发生剪切脆性破坏;
4)核心筒周边洞口连梁采用双连梁,提高连梁抗震承载能力,避免出现小跨高比的连梁易发生的剪切破坏。
4.3 增强外框架二道防线的抗震能力
在不影响建筑立面效果及使用功能的前提下,在塔楼底部四层及地下1层外框架四角设置BRB支撑(图6)。外框架BRB支撑的设置使得外框架作为二道防线的抗震能力大大提高,底部4层外框架所分担的地震剪力的比值提高到20%以上,满足高规的要求。
图6 外框架四角布置BRB支撑
同时,上部结构楼层外框架采用钢梁与外框架柱刚接,外框架所分担的地震剪力占底部总剪力的8%~14%,为保证二道防线具有一定的抗震能力,取外框架所分担的地震剪力不小于结构底部总地震剪力的20%及框架部分楼层地震剪力最大值(Vmax)1.5倍中的较大值进行调整。在1.5 Vmax的选择中忽略加强层及上下楼层剪力突变的影响,只选择普通楼层进行比较调整。
4.4 在建筑立面大切角处采用分叉柱
塔楼在16层以上建筑立面造型上有大切角,使得结构外框架角柱在竖向不能贯通。结构在大切角位置处采用分叉柱(图7),既满足建筑立面造型要求,同时又保障结构竖向构件传力的连续性。分叉柱处仍采用钢管混凝土柱。
图7 外框柱立面分叉
对分叉柱节点用ABAQUS软件进行建模分析,应力分析结果如图8所示。从图中结果可知,当节点达到极限状态发生屈服时,屈服点出现在杆件根部,分叉节点处并未屈服,可知该节点构造能够满足强节点的要求。
图8分叉柱节点屈服时的应力/Pa
针对超限情况除了采取以上几点技术措施,还对风荷载及地震作用取值进行计算分析、对结构关键构件采用性能化设计、采用两种软件进行结构整体弹性分析、采用弹性时程分析方法进行多遇地震下结构补充计算等。并通过不同设防烈度地震作用下的计算分析可知,结构的各项指标均比较理想,关键构件能够达到预期的抗震要求,整体设计满足设定的性能目标。