某各层弱相关悬挂结构设计*

温四清, 向 虎, 邱 剑, 程 畅, 龙 浩, 任 路

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

1 工程概况

本项目位于湖北省武汉市,为综合性办公建筑,主要功能为政务综合服务及办公,同时内部附属一处社区卫生服务中心及大数据中心。总建筑面积约14.13万m2,地下4层,地上16层,屋面结构标高为70.750m,屋面以上为桁架层,桁架顶标高为78.650m。主体结构采用框架-剪力墙结构,1～4层中部设架空通道将建筑分为两个独立的部分,5～9层、9～16层各设置一个连接体将结构连为一体,9～16层局部挑空(挑空区范围见第3节),为实现9～16层挑空且通透的建筑效果,采用钢拉杆将挑空区悬挂于屋顶转换桁架上。本项目西侧为一住宅小区,为使该住宅小区的日照满足要求,建筑呈现出东南高西北低逐级退台的台阶状造型,每隔3～4层收进一次,临近住宅小区一侧最低。项目效果图见图1。

图1 项目效果图

本项目主体结构设计使用年限50年,结构安全等级一级,结构重要性系数1.1,耐火等级一级。建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),抗震设防烈度6度,设计基本地震加速度0.05g,按6度进行地震作用(水平地震及竖向地震)计算,按7度采取抗震措施。场地类别Ⅱ类,特征周期0.35s。基本风压0.35kN/m2(50年重现期),地面粗糙度类别为B类,体型系数1.4,承载力设计时考虑1.1的放大系数。项目所在地月平均最低气温-5℃,月平均最高气温37℃,地下室顶板及地上其他非外露构件温差取±25℃,底板面温差取0,地下室中间各层按埋深插值确定温差;屋面桁架上弦、腹杆等为外露构件,按平屋面浅色涂装考虑太阳辐射的影响[1],其计算温差取36℃、-25℃。

2 地下室及基础设计

本项目设4层地下室,地下室底板面结构标高-18.800m,底板厚度900mm。地基基础设计等级为甲级,桩基础设计等级为甲级。基础采用泥浆护壁钻孔灌注桩,采用桩端、桩侧后压浆,桩径800mm,以中风化粉砂质泥岩为桩端持力层。抗浮水位取室外建筑完成面标高,水浮力较大,且建筑呈阶梯状,纯地下室及上部楼层数较少的区域建筑自重较小,采用抗拔桩作为抗浮构件。综上,本项目工程桩采用两种桩型,工程桩信息见表1,其中Ra为单桩承载力特征值。

表1 工程桩信息

基坑支护体系采用直径1.3m支护桩+二层内支撑+支护桩外采用CSM工法双轮铣深层搅拌水泥土连续墙(局部采用素混凝土咬合桩),支护桩中心距1.7m,第一、二层内支撑顶面标高分别为-11.300、-4.050m。肥槽宽度1.0m,为保证肥槽回填质量,回填材料采用C15素混凝土,回填混凝土达到设计强度后可起到换撑构件的作用。内支撑平面布置图见图2,二区、四区及对撑区上部结构层数最多(粗虚线为塔楼层数最多的区域),一区、三区上部结构层数较少,为了缩短项目施工工期,优先施工二区、四区及对撑区内的主体结构,二区、四区及对撑区换撑拆撑也需要先于一区、三区进行。二区、四区及对撑区局部拆撑导致右侧水土压力没有外力平衡,需要该区域的主体结构来抵抗,且拆撑时主体结构混凝土强度只达到设计强度的80%,为了保证主体结构的安全,采用局部模型对结构进行拆撑后的施工阶段验算,构件配筋进行包络设计。验算时对局部模型作如下调整:1)局部模型仅包含混凝土强度达到设计强度80%的区域;2)按照惯性矩等效的原则将直径1.3m的支护桩等效为0.9m厚的钢筋混凝土外墙,水土压力均作用在等效的外墙上;3)按照拆撑时结构构件达到的实际强度调整验算模型中构件的混凝土强度等级;4)计算水压力的水头按照基坑外围布置的降水观测井上一年度的最大观测数据确定(肥槽回填完成之前应确保降水后水头不超过上一年度的最高水头)。计算结果表明:局部拆撑后,在水土压力作用下靠近地下室外墙区域的楼层结构变形最大(约3.35mm),临近地下室外墙的地下4层框架柱配筋变大;支护桩配筋满足等效钢筋混凝土外墙的计算要求。

图2 内支撑平面布置图

3 结构体系和结构布置

本项目地上16层,屋面结构高度为70.750m,为A级高度高层建筑,为保证建筑立面效果及建筑功能,尤其为了避免角部外挑造型造成头重脚轻体型,不设置结构缝,充分利用裙房重量平衡悬挑造型的倾覆力矩。地上结构投影长度约117.5m,宽度约85.3m,1层层高为6.0m(局部6.6m),2、3层层高为4.8m(局部4.5m),4、5层层高为4.5m,其余各层层高均为4.2m,基本柱网尺寸为8.4m×8.4m,最大柱网8.4m×25.2m,采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构。屋顶设桁架层,桁架下弦顶标高为70.630m,桁架上弦顶标高为78.650m。

图3 2层结构平面布置图

图4 6层结构平面布置图

图5 9层结构平面布置图

图6 10层结构平面布置图

图8 整体计算模型

3.1 挑空区及连体结构方案

对于下部吊挂楼层直接连接在上部楼层的多高层悬挂结构(如广东省博物馆新馆[2]、gad企业总部大楼[3]等),各悬挂楼层受力及变形相互影响较大,上部悬挂楼层的竖向构件及节点受力很大,构造困难,需要关注的关键节点过多,某一个节点失效就可能会发生安全事故。如1981年7月17日美国堪萨斯城凯悦酒店连廊发生坍塌[4],共造成114人死亡、216人受伤。坍塌的主要原因为:连廊为上下两层,上层通过吊杆吊挂于屋面桁架上,下层的吊杆在上层钢梁上固定,但未对连接节点处进行验算加强,最终导致节点处破坏,连廊坍塌。

为了实现挑空区通透的建筑效果,避免关键节点过多,减小设计及施工难度,本项目采用各层弱相关的悬挂结构[5]:在屋顶设置转换桁架,悬挂楼层各层重量均通过独立的拉杆悬挂于屋顶转换桁架上,屋顶转换桁架的受力与各楼层重量均相关,但悬挂各层不直接相连,其受力及变形相互影响较弱。

相对于采用钢柱作为吊柱的方案,各层弱相关悬挂结构的优势有:1)各悬挂层通过拉杆直接与屋顶转换桁架相连,下部悬挂楼层不与其上的其他悬挂楼层相连,各层竖向挠度及内力相互影响小,可显著减小由于逐层施工在相邻层造成的次应力。拉杆可采用抗拉强度更高的钢材,钢材用量少,建筑效果美观。2)拉杆采用插耳式锚头,构造简单、安全可靠。3)通过合理的施工方案,可使楼层梁内力分布达到最优,优化钢梁截面。4)悬挂层可在地面拼装,不需搭设高大脚手架,措施费大大节省,施工风险显著降低。高空焊接量大大减少,施工质量更容易保证。5)楼层吊点受力较小,构造简单,安全性容易保证,重点关注屋顶桁架吊挂节点的安全性即可保证结构的安全。

拉杆可以选用强度较高的合金钢拉杆或者钢绞线。本项目中拉杆作为竖向受力构件,其耐火极限需要满足柱的耐火极限要求(即不低于3h)。考虑到钢绞线U形锚头通常为冷铸锚具,锚具填料的熔点相对钢材较低,火灾时锚头可能因锚具填料熔化而成为薄弱环节,而钢拉杆与U形锚头通过螺纹连接,锚头和杆体在高温下的工作受力性能一致,可以避免薄弱环节的出现,故本项目拉杆均采用650级合金钢钢拉杆。

在挑空区各轴线交点处设置吊挂点,由于各层平面布置稍有差异,各层的吊点数量不完全相同,9～16层吊点数量由下至上分别为10、8、10、8、12、10、12、10个,各楼层每个吊点采用独立钢拉杆吊挂于屋顶转换桁架上,不与其上部的楼层相连。屋顶转换桁架上单个吊点含8根或4根独立钢拉杆,钢拉杆直径为60、70mm。单个吊点的钢拉杆布置示意图见图9。

图9 钢拉杆示意

图10 空腹桁架三维模型

3.2 屋顶转换桁架结构布置

屋顶桁架采用钢结构,通过方案比选[6]确定屋顶桁架的布置,上弦、下弦及腹杆截面均采用焊接箱形截面,屋顶转换桁架三维模型见图11,典型桁架的立面布置见图12。典型上弦、下弦截面尺寸为(400～800)×800,腹杆截面尺寸为(500～800)×500,壁厚根据受力采用20～60mm。因桁架上弦处无楼板,为保证屋顶转换桁架上弦平面的平面内整体性,减小上弦平面内的变形,在桁架上弦周边柱网设置水平支撑,在、轴间也增设水平支撑,水平支撑截面为焊接箱形截面□400×400×12×12。

3.3 竖向构件

根据结构受力及建筑装配式需要,支撑屋顶转换桁架及④～⑦轴交～轴连接体的柱采用矩形钢管混凝土柱,其余柱采用钢筋混凝土柱,典型钢管混凝土柱截面为800×800×(30～50)、1 000×600×(30～60),钢筋混凝土柱截面为600×600～1 000×1 000。根据结构受力特点,在关键部位(～轴交Ⓒ～、～轴)布置较为集中的剪力墙,剪力墙厚200～600mm,从基础至墙顶厚度不变,另根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)(简称《高规》)对框架-剪力墙结构剪力墙间距要求分散布置剪力墙,剪力墙厚300～400mm。

3.4 主要材料

钢管混凝土柱中混凝土强度等级C50～C60,钢筋混凝土墙柱的混凝土强度等级C45～C60,梁板混凝土强度等级C30～C35。梁、柱纵筋采用HRB500,梁、柱、边缘构件箍筋采用HRB400,墙水平及竖向分布筋采用HRB400,板受力钢筋采用CRB600H和HRB400。钢材强度等级为Q355C、Q345GJC。

4 结构设计重难点及解决方案

4.1 结构超限分析

采用YJK和MIDAS Building对项目进行了整体结构静力弹性对比分析,对比结果均基本吻合。

本项目高度不超限,但存在扭转、凹凸、楼板不连续、尺寸突变、构件间断5项不规则项,根据《建筑抗震设计规范》(GB 50010—2010)(2016年版)(简称《抗规》)及《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)[7],本项目属于特别不规则的超限高层建筑。小震、中震、大震分析结果表明整体结构满足C级抗震性能目标要求[8]。

4.2 屋顶转换桁架设计

屋顶转换桁架是本项目的主要受力构件,其可靠性直接关系到悬挂结构的安全性,需要特别重视。通过屋顶转换桁架方案比选,并采用多种模型对屋顶桁架进行包络设计[6],既保证了屋顶桁架的安全性,也保证了本项目的经济性和使用的舒适性。

4.3 节点设计

通过特殊设计实现以下节点构造:1)中间吊挂层连接节点构造[9],吊挂下层的钢拉杆需穿过本层,以实现各悬挂楼层弱相关;2)钢拉杆与屋顶转换桁架的连接构造[10],桁架下弦吊挂节点处钢拉杆数量为8根或4根,钢拉杆连接板数量多且间距小,若连接板直接与桁架下弦下翼缘焊接,桁架下弦下翼缘存在层状撕裂的风险,受力不利,可能危及结构安全。为保证节点受力安全,对节点进行有限元分析,结果表明本项目所采用的的节点能够满足受力要求[6]。

4.4 连接体及挑空区楼盖设计

4.5 吊挂钢拉杆设计

钢拉杆内力的控制组合为恒+活+风、恒+活+温度,提取钢拉杆最不利内力用于钢拉杆选型。本项目吊挂钢拉杆采用650级合金钢钢拉杆,钢拉杆直径为60、70mm。钢拉杆受力情况如表2所示,其中R、Tk分别为钢拉杆的抗拉承载力设计值、极限抗拉承载力标准值(破断承载力);S、Sk分别为钢拉杆最大内力设计值、标准值。从表2可知,吊挂钢拉杆受力满足《索结构技术规程》(JGJ 257—2012)[12]的要求。各规格钢拉杆在恒载、活载、竖向地震作用下的轴力标准值见表3。由表3可知,竖向地震对于钢拉杆的内力贡献较小,构件验算信息表明钢拉杆控制组合也并非地震组合。钢拉杆加工时下料长度扣除恒载作用下的伸长量,以保证使用阶段楼面的平整度,避免装修找平增加装修荷载影响结构安全。

表3 恒载、活载、竖向地震作用下的钢拉杆轴力标准值

4.6 连接体及挑空区施工次序

9～16层挑空区采用各层弱相关的悬挂结构,结合其特点,拟采用的施工方案[13]:两侧落地结构施工到顶→屋顶转换桁架施工→悬挂区9～16层楼面钢梁在地面或局部屋面堆叠拼装→整体提升到16层处,安装吊挂16层的钢拉杆(与落地钢管混凝土柱相连的楼层钢梁两端铰接连接)→逐步下降托架,依次安装吊挂15～9层的钢拉杆→浇筑吊挂区楼板并在与非悬挂部分的交界处设置后浇带→楼板达到设计强度后,复测各层吊点标高,对施工误差较大的楼层微调钢拉杆长度→将与落地钢管混凝土柱相连的钢梁翼缘焊接连接(铰接变刚接)→封闭悬挂体与非悬挂体之间的后浇带。经计算发现,若提升到设计标高后直接将挑空区钢梁与柱刚接,钢梁靠柱一侧接近悬挑梁的受力特性,支座弯矩很大,钢拉杆难以发挥作用,而挑空区钢梁两端先铰接后刚接可优化钢梁内力分布,有利于控制钢梁梁高以保证建筑净高。

4.7 抗连续倒塌分析

本项目安全等级为一级,在满足抗连续倒塌概念设计要求的基础上,采用《高规》提供的方法对关键部位构件进行了抗连续倒塌验算,验算结果如下:1)拆除受力最大的一根钢拉杆后,其周边的钢拉杆及楼层水平构件承载力满足要求;2)分别拆除、轴桁架～轴间的单根斜腹杆(文献[6]图3中的XC1、XC2、XC3、XC4,分4次计算,每次拆除1根),剩余桁架构件的承载力满足要求[6];3)分别在屋顶桁架主要一层支承柱(、轴交轴柱,轴交轴柱)表面附加80kN/m2的侧向偶然作用,承载力均满足要求。

4.8 挑空区幕墙

本项目挑空区采用各层弱相关的悬挂结构体系,上下层竖向荷载不关联,为保证这一理念的实现,幕墙等围护结构的构造也至关重要。为避免因使用阶段层间相对变形过大导致上层荷载通过幕墙龙骨传至下层使吊挂下层的钢拉杆超载而出现安全问题,各悬挂楼层的幕墙龙骨应独立设置,上下层幕墙龙骨采用插销式连接,上下层幕墙龙骨间应留设足够的变形间隙。

5 结论

(1)本项目建筑造型新颖,采用各层弱相关的悬挂结构体系以实现建筑效果。目前业界有较多的悬挂结构,但尚未有各层弱相关悬挂结构的工程案例,本项目可为类似的工程项目提供参考。

(2)按照施工组织对局部拆撑工况下的地下室结构进行复核,为缩短施工工期创造了条件。

(3)相对于风荷载及地震作用而言,竖向荷载是屋顶桁架设计的控制因素。楼板应力分析结果表明不执行《高规》“连接体结构楼板厚度不宜小于150mm”的规定时连接体楼盖仍可有效地传递水平力,故不执行规范该规定对本项目有利。通过设置水平交叉支撑和增加连接体楼板配筋对连接体楼盖进行加强。

(4)对悬挂楼层连接节点、桁架下弦连接节点、幕墙节点等关键节点做了特殊设计,实现了各层弱相关的设计理念,保证了结构安全。