塔樓結構設計與運用論文
塔樓結構設計與運用論文
摘要：文章透過對結構體系的分析、對巨型轉換桁架的研究、對鋼板混凝土剪力牆的應用和對懸臂桁架施工的控制，實現了結構與建築的深度融合，在實現建築設計效果的同時提高了結構效率，降低了工程造價，取得較好的經濟效益。
關鍵詞：轉換桁架；鋼板混凝土；剪力牆；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展大廈，位於珠海市橫琴自貿區內，原規劃及單體設計方案透過國際招標產生，由日本株式會社佐藤綜合計畫中得。專案規劃為地塊一一棟19層主塔樓及地塊二兩棟副塔樓組成的群體建築。其中，地塊一主塔樓標準層平面面寬100m，進深100m（塔樓中心設定40m×40m的內天井作通風采光使用），塔樓高度100m形成一個完美的正立方體外形。塔樓首層為由南側廣場延伸形成的大臺階“基座”，中軸對稱，儀式感極強，二層整體內縮形成標準層外挑灰空間。整個建築形體簡潔，外立面採用節能遮陽的橫向金屬百葉，利用百葉後各層隨機設定的辦公室外空間及空中綠化平臺形成了立面上韻律感的“雲符”，以此造就獨特的“橫琴島建築外立面風格”——琴歌（見圖1）。圖1效果圖為實現建築師的設計構想，達到“懸浮”的造型效果，原結構設計方案為：主塔樓向四周懸挑13m，佈置四個落地核心筒，筒體之間跨度33.6m。結構體系採用了帶高強度預應力拉索及屈曲支撐減震的巨型轉換桁架-鋼框架筒-支撐結構，屬於非常規結構體系。結構體系受力複雜且效率低下，同時施工難度極大，運營維護困難且費用高昂。主體結構建造成本概算為4169元/m2，遠遠高於常規專案。2013年獲取該專案後，對設計方案的建築內外空間形態、使用功能和結構選型進行了深入研究，在保持建築立面形態，不破壞“懸浮”效果及使用功能的前提下，結構與建築進行了高度融合。在結構體系選型和最佳化過程中，運用雙向漸進最佳化法，不斷尋找和刪除結構中低效的材料，加強結構關鍵和最需要部位的材料使用，透過對8個結構設計方案的比選，完成了結構體系的全面最佳化：①結構主要體系由原來的鋼框架筒-支撐體系改為常規的框架-剪力牆結構；②利用3層層高設定外挑13m、高9m的鋼結構轉換桁架；③核心筒從原“L”形佈置改為矩形佈置，核心筒之間設定部分中柱落地，最大跨度從雙向33.6m減少至單向19.3m；④取消高強度預應力拉索及屈曲支撐減震，採用鋼板混凝土剪力牆抗震。圖2二層平面圖較好的經濟效益。
2結構體系
塔樓平面呈“回”字形佈置（見圖2、圖3）。為實現建築獨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構薄弱部位，存在扭轉不規則、樓板不連續、尺寸突變、豎向構件不連續、承載力突變等不規則型別，屬於複雜超限高層建築。結構設計面臨的最大挑戰在於如何實現建築的.“懸浮”效果，同時保證其經過最佳化，結構傳力更直接合理，結構效率顯著提高，施工及後期維護難度明顯降低。2，相比原方案工程造價降低超過2億元，實現建築方案的同時取得具有良好的結構效能。為此，結構在第3層設定了巨型鋼結構轉換桁架，以支撐建築四周不落地的44根外圍柱和無柱大堂及架空層不落地的18根中柱；2～4層的剪力牆內設定20～25mm厚鋼板形成鋼板混凝土剪力牆；4層及以下框架柱採用型鋼混凝土柱（見圖4）。圖4南北向結構體系示意圖圖5東西向懸挑轉換桁架示意圖圖6南北向懸挑轉換桁架示意圖注：紅色為受拉構件，藍色為受壓構件結構中的建築空間最大化。轉換桁架是最重要的關鍵受力構件，按照中震彈性、大震不屈服的效能目標設計。綜合考慮桁架層無樓板和有樓板對桁架層水平構件的不利影響進行包絡設計，以及豎向地震作用，並把抗震等級提高至特一級，從構件強度和延性兩方面確保結構的安全。透過對桁架構件設定的仔細研究，做到了低冗餘度轉換結構安全和建築空間使用功能的協調統一，實現框架部分的轉換（見圖5、圖6）。結構按效能化設計，抗震效能目標為C級，效能狀況如下：轉換桁架中震彈性、大震不屈服；底部加強區剪力牆和框架柱中震下斜截面彈性、正截面不屈服，大震不屈服；其餘剪力牆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；連梁和框架樑中震下部分屈服、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；樓板中震下區域性開裂，開裂處應力由樓板鋼筋承擔，大震下大部分屈服。主塔樓外挑達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定環形後澆帶，並在主體結構封頂後才能澆築混凝土，運用先“放”後“抗”的方法，在後澆帶澆築前釋放了大部分變形，從而降低因懸臂結構變形導致樓板開裂的風險。
3巨型轉換桁架
傳遞至轉換桁架的主塔樓外圍不落地框架柱軸力設計值最大約15000kN，大堂處不落地框架柱軸力設計值最大約21000kN。採用桁架轉換充分利用了構件軸力傳遞上部荷載，極大地提高了材料利用效率，並有效實現了大跨度轉換在東西向懸挑轉換桁架中，透過方案比較加設1號斜腹杆，使桁架層上弦的拉力和下弦的壓力部分透過1號斜腹杆的拉力相互抵消，大大減少了桁架層2～8號構件的剪力。同時也很大程度上減少了轉換桁架的側移，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，提高了結構受力效能，同時減少樓板開裂的風險。對於核心筒周邊區域的懸挑轉換，由核心筒伸出懸臂桁架直接支撐上部的框架柱。而對於塔樓角柱的轉換，則在塔樓角部設定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構的轉換（見圖7）。轉換桁架上弦軸力設計值最大約7100kN，下弦軸力設計值最大約5600kN，均採用箱型Q345B鋼樑，截面為1000×500×35×35；斜腹杆最大軸力設計值約30000kN，採用矩形鋼管支圖10現場照片圖11砂箱解除安裝示意圖圖7角部轉換桁架示意圖圖8桁架層三維示意圖（僅表達桁架和框架樑）撐和矩形鋼管混凝土支撐，最大截面為900×700×35×35。按照轉換層強斜腹杆的設計思路，對承受壓力較大的斜腹杆，在矩形鋼管內灌自密實高強混凝土（見圖8）。
4鋼板混凝土剪力牆
由於主塔樓懸挑大、自重大、剛度大而剪力牆少，在重力荷載和地震作用下，1m厚4.3m長的C60鋼筋混凝土剪力牆需承受14000kN剪力設計值，不能滿足受剪截面要求。簡單採用加大剪力牆截面的方式會進一步加大主塔樓的剛度，地震力相應加大，對剪力牆承載力提出更高要求，形成不合理結構體系。因此從結構受力合理性和建築空間利用率出發，在受剪力較大的2～4層剪力牆內設定20～25mm厚鋼板形成鋼板混凝土剪力牆，充分利用鋼材的抗剪強度，最大剪力牆厚度只需要600mm，把結構剛度和地震力調整在合理範圍內。剪力牆端部的型鋼則和鋼桁架有效連線，保證了桁架受力的可靠性（見圖9）。
5懸臂桁架的施工實現
懸臂桁架從拼裝到合攏成結構，最終實現結構設計受力，是整個施工的關鍵和難點。為了確保結構安全及施工過程的安全，在懸臂桁架端部採用點式格構式胎架對結構進行支援（見圖10）。在胎架支撐上部主體結構施工過程中，胎架與主體結構形成一個臨時的整體的受力體系。胎架解除安裝是整個施工過程中的里程碑工序，結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，標誌著主體結構從臨時受力體系轉變為設計的永久結構受力體系，必須絕對受控。它是釋放胎架構件內力，主體結構產生豎向變形以及臨時支撐體系和主體結構中的內力動態重分佈的過程。為控制風險，胎架解除安裝採用“位移和受力控制兼備，以位移控制為主”的主要控制思路，待桁架層安裝完成且主體結構施工至6層後，利用砂箱排砂控制解除安裝的位移量，對整個主塔樓的懸臂桁架進行同步整體解除安裝（見圖11）。設計對胎架解除安裝的全過程進行了施工模擬，透過現場組織試解除安裝，把相應的應力、應變和位移等監測資料和計算結果進行對比，確認無誤後才進行整個塔樓全面解除安裝，有效地控制了施工風險。
6結束語
珠海橫琴保利國際廣場主塔樓在設計過程中結構與建築進行了深度融合，透過結構演算法為建築找形，使結構構件本身成為建築表達的一部分，成就了建過程中支撐胎架和結構體系中的受力十分複雜，需要保證受力體系內力重分佈時緩慢平穩，否則容易出現安全事故或者主體結構產生過大的變形、裂縫而不滿足耐久性及使用功能的要求。築之美，並透過不斷雙向漸進最佳化結構體系，在實現建築設計效果的同時提高了結構效率，降低了工程造價，取得較好的經濟效益。