塔楼结构设计与运用

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摘要：文章通过对结构体系的分析、对巨型转换桁架的研究、对钢板混凝土剪力墙的应用和对悬臂桁架施工的控制，实现了结构与建筑的深度融合，在实现建筑设计效果的同时提高了结构效率，降低了工程造价，取得较好的经济效益。

关键词：转换桁架；钢板混凝土；剪力墙；悬臂桁架

1工程背景及概况

珠海横琴保利国际广场前身为横琴发展大厦，位于珠海市横琴自贸区内，原规划及单体设计方案通过国际招标产生，由日本株式会社佐藤综合计画中得。项目规划为地块一一栋19层主塔楼及地块二两栋副塔楼组成的群体建筑。其中，地块一主塔楼标准层平面面宽100m，进深100m（塔楼中心设置40m×40m的内天井作通风采光使用），塔楼高度100m形成一个完美的正立方体外形。塔楼首层为由南侧广场延伸形成的大台阶“基座”，中轴对称，仪式感极强，二层整体内缩形成标准层外挑灰空间。整个建筑形体简洁，外立面采用节能遮阳的横向金属百叶，利用百叶后各层随机设置的办公室外空间及空中绿化平台形成了立面上韵律感的“云符”，以此造就独特的“横琴岛建筑外立面风格”——琴歌（见图1）。图1效果图为实现建筑师的设计构想，达到“悬浮”的造型效果，原结构设计方案为：主塔楼向四周悬挑13m，布置四个落地核心筒，筒体之间跨度33.6m。结构体系采用了带高强度预应力拉索及屈曲支撑减震的巨型转换桁架-钢框架筒-支撑结构，属于非常规结构体系。结构体系受力复杂且效率低下，同时施工难度极大，运营维护困难且费用高昂。主体结构建造成本概算为4169元/m2，远远高于常规项目。2013年获取该项目后，对设计方案的建筑内外空间形态、使用功能和结构选型进行了深入研究，在保持建筑立面形态，不破坏“悬浮”效果及使用功能的前提下，结构与建筑进行了高度融合。在结构体系选型和优化过程中，运用双向渐进优化法，不断寻找和删除结构中低效的材料，加强结构关键和最需要部位的材料使用，通过对8个结构设计方案的比选，完成了结构体系的全面优化：①结构主要体系由原来的钢框架筒-支撑体系改为常规的框架-剪力墙结构；②利用3层层高设置外挑13m、高9m的钢结构转换桁架；③核心筒从原“L”形布置改为矩形布置，核心筒之间设置部分中柱落地，最大跨度从双向33.6m减少至单向19.3m；④取消高强度预应力拉索及屈曲支撑减震，采用钢板混凝土剪力墙抗震。图2二层平面图较好的经济效益。

2结构体系

塔楼平面呈“回”字形布置（见图2、图3）。为实现建筑独特的造型和丰富的功能要求，形成了大悬挑、大跨度、大开洞及穿层柱等结构薄弱部位，存在扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、竖向构件不连续、承载力突变等不规则类型，属于复杂超限高层建筑。结构设计面临的最大挑战在于如何实现建筑的“悬浮”效果，同时保证其经过优化，结构传力更直接合理，结构效率显著提高，施工及后期维护难度明显降低。2，相比原方案工程造价降低超过2亿元，实现建筑方案的同时取得具有良好的结构性能。为此，结构在第3层设置了巨型钢结构转换桁架，以支撑建筑四周不落地的44根外围柱和无柱大堂及架空层不落地的18根中柱；2～4层的剪力墙内设置20～25mm厚钢板形成钢板混凝土剪力墙；4层及以下框架柱采用型钢混凝土柱（见图4）。图4南北向结构体系示意图图5东西向悬挑转换桁架示意图图6南北向悬挑转换桁架示意图注：红色为受拉构件，蓝色为受压构件结构中的建筑空间最大化。转换桁架是最重要的关键受力构件，按照中震弹性、大震不屈服的性能目标设计。综合考虑桁架层无楼板和有楼板对桁架层水平构件的不利影响进行包络设计，以及竖向地震作用，并把抗震等级提高至特一级，从构件强度和延性两方面确保结构的安全。通过对桁架构件设置的仔细研究，做到了低冗余度转换结构安全和建筑空间使用功能的协调统一，实现框架部分的转换（见图5、图6）。结构按性能化设计，抗震性能目标为C级，性能状况如下：转换桁架中震弹性、大震不屈服；底部加强区剪力墙和框架柱中震下斜截面弹性、正截面不屈服，大震不屈服；其余剪力墙和框架柱中震下斜截面弹性、正截面不屈服，大震部分屈服，满足最小抗剪截面条件；连梁和框架梁中震下部分屈服、满足抗剪截面条件，大震下大部分屈服、满足最小抗剪截面条件；楼板中震下局部开裂，开裂处应力由楼板钢筋承担，大震下大部分屈服。主塔楼外挑达11.6～14.65m，在竖向荷载作用下悬臂部分变形较大。因此在变形最大的四层楼板的悬臂根部设置环形后浇带，并在主体结构封顶后才能浇筑混凝土，运用先“放”后“抗”的方法，在后浇带浇筑前释放了大部分变形，从而降低因悬臂结构变形导致楼板开裂的风险。

3巨型转换桁架

传递至转换桁架的主塔楼外围不落地框架柱轴力设计值最大约15000kN，大堂处不落地框架柱轴力设计值最大约21000kN。采用桁架转换充分利用了构件轴力传递上部荷载，极大地提高了材料利用效率，并有效实现了大跨度转换在东西向悬挑转换桁架中，通过方案比较加设1号斜腹杆，使桁架层上弦的拉力和下弦的压力部分通过1号斜腹杆的拉力相互抵消，大大减少了桁架层2～8号构件的剪力。同时也很大程度上减少了转换桁架的侧移，从而避免了4层核心筒之间的楼板承受较大的拉力和剪力，提高了结构受力性能，同时减少楼板开裂的风险。对于核心筒周边区域的悬挑转换，由核心筒伸出悬臂桁架直接支撑上部的框架柱。而对于塔楼角柱的转换，则在塔楼角部设置支撑在核心筒悬臂桁架上的封边桁架，把塔楼的角柱荷载传递给核心筒，完成主塔楼角部悬挑结构的转换（见图7）。转换桁架上弦轴力设计值最大约7100kN，下弦轴力设计值最大约5600kN，均采用箱型Q345B钢梁，截面为1000×500×35×35；斜腹杆最大轴力设计值约30000kN，采用矩形钢管支图10现场照片图11砂箱卸载示意图图7角部转换桁架示意图图8桁架层三维示意图（仅表达桁架和框架梁）撑和矩形钢管混凝土支撑，最大截面为900×700×35×35。按照转换层强斜腹杆的设计思路，对承受压力较大的斜腹杆，在矩形钢管内灌自密实高强混凝土（见图8）。

4钢板混凝土剪力墙

由于主塔楼悬挑大、自重大、刚度大而剪力墙少，在重力荷载和地震作用下，1m厚4.3m长的C60钢筋混凝土剪力墙需承受14000kN剪力设计值，不能满足受剪截面要求。简单采用加大剪力墙截面的方式会进一步加大主塔楼的刚度，地震力相应加大，对剪力墙承载力提出更高要求，形成不合理结构体系。因此从结构受力合理性和建筑空间利用率出发，在受剪力较大的2～4层剪力墙内设置20～25mm厚钢板形成钢板混凝土剪力墙，充分利用钢材的抗剪强度，最大剪力墙厚度只需要600mm，把结构刚度和地震力调整在合理范围内。剪力墙端部的型钢则和钢桁架有效连接，保证了桁架受力的可靠性（见图9）。

5悬臂桁架的施工实现

悬臂桁架从拼装到合拢成结构，最终实现结构设计受力，是整个施工的关键和难点。为了确保结构安全及施工过程的安全，在悬臂桁架端部采用点式格构式胎架对结构进行支持（见图10）。在胎架支撑上部主体结构施工过程中，胎架与主体结构形成一个临时的整体的受力体系。胎架卸载是整个施工过程中的里程碑工序，结果是上部荷载由临时胎架承受逐渐过渡为由悬臂桁架承受，标志着主体结构从临时受力体系转变为设计的永久结构受力体系，必须绝对受控。它是释放胎架构件内力，主体结构产生竖向变形以及临时支撑体系和主体结构中的内力动态重分布的过程。为控制风险，胎架卸载采用“位移和受力控制兼备，以位移控制为主”的主要控制思路，待桁架层安装完成且主体结构施工至6层后，利用砂箱排砂控制卸载的位移量，对整个主塔楼的悬臂桁架进行同步整体卸载（见图11）。设计对胎架卸载的全过程进行了施工模拟，通过现场组织试卸载，把相应的应力、应变和位移等监测数据和计算结果进行对比，确认无误后才进行整个塔楼全面卸载，有效地控制了施工风险。

6结束语

珠海横琴保利国际广场主塔楼在设计过程中结构与建筑进行了深度融合，通过结构算法为建筑找形，使结构构件本身成为建筑表达的一部分，成就了建过程中支撑胎架和结构体系中的受力十分复杂，需要保证受力体系内力重分布时缓慢平稳，否则容易出现安全事故或者主体结构产生过大的变形、裂缝而不满足耐久性及使用功能的要求。筑之美，并通过不断双向渐进优化结构体系，在实现建筑设计效果的同时提高了结构效率，降低了工程造价，取得较好的经济效益。

作者:周嘉行 单位:广东保利房地产开发有限公司