珠西金融中心结构设计中的关键技术研究

张小良， 郭达文,2， 陈蛟龙， 林菲菲

(1 广东省建筑设计研究院， 广州 510010； 2 广州大学工程抗震研究中心， 广州 510405)

1 工程概况

珠西金融中心位于广东省江门市新会区，属珠江三角洲冲击平原地貌区。该项目总建筑面积为48.17万m2，包括2栋约99m高公寓、15栋约96m高住宅及1栋超高层建筑(1#综合楼)，如图1所示。其中1#综合楼[1]，结构总高度为336m，地上70层，地下3层，集商业、办公和酒店功能于一体，屋顶设直升机平台，建筑面积为13.3万m2，设有五个建筑避难层，建筑效果图及剖面图如图2所示。

图1 建筑场地鸟瞰图

图2 1#综合楼建筑效果图及剖面图

本文主要介绍1#综合楼结构设计中的关键技术，1#综合楼结构计算模型如图3所示。1#综合楼属超B级高度的超限高层[1]；结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，抗震设防烈度为7度；地面粗糙度为B类，按50年重现期的基本风压为0.65kN/m2，超高层核心筒墙体、框架柱及框架梁抗震等级均为特一级。本工程地下室结构内部不设置任何变形缝，地上各部分单体之间设置防震缝。

图3 结构计算模型

2 结构设计难点及解决思路

2.1 核心筒尺寸限制

由于建筑使用功能要求，对底部核心筒剪力墙厚度要求严格，若按照常规剪力墙设计，墙体厚度很难满足业主要求。

本项目采用了一种新的钢混凝土组合剪力墙作为核心筒结构体系[1-3]，即排钢管钢板剪力墙核心筒结构体系，剪力墙为相邻钢管间通过两片平行的墙身钢板连接组成，并在每个圆钢管内和由圆钢管与墙身钢板围成的平面封闭腔体内浇筑高强混凝土。钢管混凝土柱作为内嵌剪力墙，提高了墙体的承载力，通过计算分析，底部核心筒剪力墙截面厚度取为800mm，较好地满足了业主的要求。

2.2 地基承载力偏低

该项目所在地属冲击平原地貌区，淤泥质软土，地基承载力较低，基底的持力层为微风化泥岩，在此地基上建超高层建筑难度较大。

采用排钢管钢板剪力墙核心筒结构体系控制主体结构自重，相比于普通钢筋混凝土结构，核心筒墙厚减小约500mm，自重减轻了17.5%[1]。

基础形式采用天然岩基上的桩筏基础[4-5]，核心区采用了32根2 500mm的大直径的旋挖灌注桩，塔楼外围框柱区桩径为2 500mm和1 600mm；除加厚区外，筏板厚度在塔楼核心区为3 700mm，在外圈框柱区为2 500mm。桩筏基础通过调整桩长、桩径方式，来控制核心筒与外圈框柱间的沉降差。

2.3 单向体型收进大

外框架柱为钢管混凝土柱，为了满足建筑外形要求，结构柱有一定倾斜，角柱和南北方向柱，下部楼层由内往外轻微倾斜(倾角有1.51°，1.63°和2.07°)，上部楼层由外往内轻微倾斜(倾角为1.25°)；东西方向柱，上部楼层由内往外微倾斜(倾角为0.77°)。

特别地，在顶部楼层66～70层，南北方向柱由外往内倾斜，倾角为18.08°，单向收进较大，见图2。在该部位南北方向增设交叉斜撑、上部增设钢桁架塔冠，对其进行加强。

2.4 沿海风压大

该项目位于江门市新会区，紧邻海边，对超高层建筑的结构体系提出了更高的性能要求，必须重视风荷载对建筑物带来的不利影响。风荷载为该结构的控制水平荷载，横风效应对结构影响较大。风洞试验措施及风荷载取值：本项目对边界层进行风洞试验的采集，试验风速参考点选取在实际336m高度处，试验风速B类时为11.03m/s；结果满足相关规范要求，可直接用于外围护构件的抗风计算。采取的主要措施为设置加强层，屋顶设置钢桁架塔冠等。

3 结构体系

本工程采用钢管柱框架-排钢管钢板混凝土剪力墙核心筒结构体系，1#综合楼结构平面布置图见图4，核心筒的结构平面布置图见图5。

图4 1#综合楼结构平面布置图

图5 1#综合楼核心筒结构平面布置图

外钢管柱通过钢筋混凝土梁(部分梁加钢骨)与墙身钢管柱伸出的型钢牛腿进行连接。楼盖为钢筋混凝土梁板式楼盖。

重力荷载通过楼面水平构件传递给核心筒和外框柱，最终传递给基础；水平荷载产生的剪力和倾覆力矩由外框架和核心筒共同承担，其中剪力主要由核心筒承担，倾覆力矩由外框架和核心筒共同承担。

4 基础设计

项目场地属珠江三角洲冲积平原地貌区，地势开阔平坦，场地原为鱼塘、耕地。根据勘察报告，场地地质特征描述详见表1。

场地地质特征 表1

场地地基上部分布的①素填土(松散)、②黏土(可塑)、③淤泥(流塑)、④黏土(可塑)、⑤淤泥质土(流塑)均属软弱或较软弱土层，强度低，压缩性高；而下部分布的⑥砾砂(稍密～中密)、⑦粉砂质泥岩层(强风化)、⑧粉砂质泥岩层(中风化)、⑨粉砂质泥岩层(微风化)，强度较高，压缩性较低。结构底板主要位于④黏土层。

1.0恒载+1.0活载作用下，1#综合楼外框柱柱底最大轴力为60 000kN左右，核心区钢管柱下最大轴力为10 000kN左右。综合地勘报告，经多方案比较，1#综合楼基础采用大直径旋挖灌注桩，核心区桩径均为2 500mm，桩基底持力层为微风化泥岩，要求其天然单轴抗压强度标准值frk≥14.3MPa，桩净长约45～55mm，单桩竖向承载力特征值为62 000kN；塔楼其他区域桩径为2 500mm和1 600mm。综合楼核心筒基础平面布置图如图6所示。整个超高层基础中桩的布置方式为长短桩方式，核心筒范围桩长比外框柱范围桩长入岩深度略增加，来控制核心筒与外框柱相互间的沉降差。

图6 1#综合楼核心筒基础平面布置图

1#综合楼以外裙房及地库区域柱底最大轴力约5 000kN，与1#综合楼柱底力相差较大，该部分采用短桩、小直径的预应力管桩。

1#综合楼以外裙房及地库区域，筏板厚度为700mm。在1#综合楼与相邻裙房及地库区域之间，采取了加强措施，相邻两跨间，筏板厚度采取变截面由1 200mm到700mm。同时，在该区域，筏板上设置了一条宽800mm的沉降后浇带。

5 排钢管钢板混凝土剪力墙设计

排钢管钢板混凝土剪力墙包含两种形式：一字形和L形剪力墙，如图7所示，设有钢管混凝土柱、连接钢板、栓钉、缀板及混凝土等；钢管混凝土柱沿墙体长度方向以一定间距排列，相邻两根钢管之间通过两块平行的连接钢板焊接在一起；栓钉均匀焊接在连接钢板内侧；缀板两侧端焊接于两平行连接钢板的垂直方向；在钢管混凝土柱内和由钢管混凝土柱与墙身钢板围成的封闭腔体内浇筑混凝土。

图7 排钢管钢板混凝土剪力墙大样图

特别地，在墙体的端部及角部等关键部位，加大钢管混凝土柱壁厚，并在剪力墙角部附加连接钢板，以增强墙体角部强度和刚度；连接钢板壁厚不宜小于相邻钢管壁厚的最小值，两平行连接钢板间的垂直距离小于钢管混凝土柱的直径；缀板设置于两平行墙身钢板内的垂直方向，缀板两侧端与墙身钢板焊接在一起，缀板上设置有一定数量的洞口。

图8～10给出了排钢管钢板混凝土剪力墙与钢筋混凝土墙、钢筋混凝土梁以及楼板的连接大样图，图中L为栓钉长度；h为截面高度；hf为截面有效高度。该结构可较便捷地与常规构件进行有效连接，灵活组合。

图8 剪力墙与钢筋混凝土墙连接大样图

图9 外围钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接大样图

图10 剪力墙与钢筋混凝土楼板连接大样图

6 环形加强带设计

1#综合楼共设有5个建筑避难层(图2)，分别位于10～12层，22～24层，34～36层，46～48层和58～60层，结构高度分别为47.950～53.950，97.450～103.450，146.950～152.950，196.450～202.450，245.950～251.950m。为了增强整体结构的刚度[6-7]，合理利用避难层设置结构加强层，加强层仅选用环带桁架，即沿结构外围框架柱间连续布置斜向支撑，形成水平环带向支撑桁架。环带桁架可通过楼板的变形协调核心筒，带动外框架来承担更多的倾覆力矩。

采用文献[1]中计算模型1(增设屋顶桁架塔冠)，对加强层的位置以及数量进行分析，结果见表2。由计算结果可知，设置加强层，可提高结构的抗侧刚度。从经济性角度考虑，本项目只考虑设置两道加强层，在46层和58层设置两道环形加强带，效果较好，由于建筑外立面要求，最终设置在34层和58层。加强层环带桁架的布置见图11，节点构造见图12、图13(图中h1为截面有效高度，tf为翼缘厚度)。

图11 环带桁架立面图

图12 环带桁架节点侧视图

图13 环带桁架节点俯视图

加强层计算结果 表2

7 关键节点设计

7.1 梁柱节点设计

本工程外围钢管混凝土柱与框架梁的连接，采用新型的卡扣连接方式，如图9所示。钢管混凝土柱在梁柱连接节点处，分别设置截面宽度为150mm的上、下钢环板，工字钢上下翼缘分别与上下钢环板焊接连接，形成钢牛腿；混凝土框架梁的梁面纵筋，通过螺母和垫片，固定于预先焊接在钢牛腿上面的锚器上；混凝土框架梁的梁底纵筋，通过螺母和垫片，固定于预先焊接在工字钢牛腿底面的锚器上。

该节点的静载试验照片如图14所示。结果表明[8-9]，该节点能够有效保证钢筋的拉力通过锚器传递至钢牛腿，再通过钢环板，最终传递至钢管柱；框架梁两端剪力通过钢牛腿可以有效地传递至钢管柱，受力明确；该节点梁纵筋与牛腿的连接采用机械连接，不仅减小了现场的焊接工作量，保证了节点的施工质量，而且与常规采用搭接方式连接的节点相比，该节点的牛腿长度可以缩短40%，大大节省了用钢量，经济效益优越。

图14 试验照片

如图15所示，为避免底部混凝土破坏，在外钢管混凝土柱中设置箍筋和纵筋，来增加混凝土材料延性。

图15 梁柱连接节点大样图

7.2 分叉柱节点设计

由于顶部楼层南北方向的收进，在63层处新增了钢管混凝土斜柱，倾角约为9°，在与原钢管混凝土柱斜交处采用焊接，节点核心区设置有上、下水平内外环板、钢管内外竖向加劲肋、工字钢牛腿、斜柱下方设置了带有竖向加劲肋的托板封底，并在对应位置的原钢管柱内设置了水平内环板；整个斜交区长约3.8m，在节点区上部也新增一道水平加劲肋，作为构造加强措施，详见图16～18。

图16 斜柱连接节点效果图

图17 斜柱连接节点横断面图

图18 斜柱连接节点竖向断面图

对该节点在大震作用下的受力进行有限元分析，钢结构部分的等效应力结果见图19，由图可知水平外环板角位出现应力集中，整体结构的应力基本满足大震设计要求。

图19 钢材的von Mises应力云图/(N/mm2)

8 结论

(1)本工程核心筒采用了排钢管钢板剪力墙核心筒结构体系，通过墙体内增设钢管混凝土柱作为剪力墙，从而提高了墙体的承载力，使得底部核心筒剪力墙截面厚度为800mm，满足超高层建筑功能要求。

(2)采用桩筏基础，桩基设计是变刚度调平，通过改变桩长和桩径来控制核心筒与外圈框柱间的沉降差；通过设置后浇带来控制超高层与相邻裙房间的沉降差。

(3)针对结构体型收进较大以及沿海风压大等特点，设置了两道环形加强带，并采用在屋顶设置钢桁架塔冠等措施控制风荷载的影响。

(4)给出了钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁连接节点做法，采取了卡扣的设计，经试验证明，该节点能够有效保证钢筋的拉力传递至钢管柱；同时给出了钢管混凝土分叉柱连接节点大样。