某金融大厦斜交外网格塔楼结构设计

曾志和，潘卫球，施永芒

（1、悉地国际设计顾问（深圳）有限公司 深圳518048；2、深圳农村商业银行股份有限公司 深圳518000）

1 工程概况

深圳某金融大厦（见图1），位于深圳市宝安中心区，中央绿洲西侧，图书馆旁。东至临宝兴路，南至临海秀路，西至临兴业路，北至小区路。项目总用地面积7 665.64 m2。建筑主要功能为深圳某银行总部办公，塔楼主屋面高为148.7 m，地上34 层，标准层高为4.5 m，出屋面构架3 层，构架层顶高度为161.580 m，地下6 层，建筑总面积约为91 500 m2，采用菱形斜交网格支撑钢框架+混凝土核心筒混合结构体系。嵌固端位于首层。塔楼平面尺寸为45 m×45 m，塔楼高宽比为3.59，X、Y 向核心筒高宽比均为7.24。

工程设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年。抗震设防烈度为7 度（0.1g），地震分组为第一组，抗震设防类别为丙类，场地类别为Ⅱ类［1］。基本风压取50年一遇，为0.75 kPa，地面粗糙度为B 类。塔楼采用人工挖孔桩基础，持力层为中风化/微风化花岗片麻岩层，地下水位为-1.0 m。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural Renderings

2 结构布置、受力特点及超限情况

2.1 塔楼结构布置

塔楼采用菱形斜交网格支撑钢框架+混凝土核心筒混合结构体系，结构体系构成如图2 所示。塔楼外框架柱地下6 层～地下1 层为型钢混凝土柱，角柱截面尺寸为1 800 mm×1 800 mm，其他柱截面尺寸为1 500 mm×1 500 mm，混凝土强度等级为C60；1 层以上角部采用L 形钢管组合截面柱，截面尺寸由L950（肢长）×950（肢长）×800（肢宽）×70 mm（壁厚）变化至L600（肢长）×600（肢长）×400（肢宽）×30 mm（壁厚），钢号由Q390GJ 变为Q390；1 层以上斜交网格截面由□800×450×70×70 变化至□425×425×27×27，到顶部楼层最后变化为I425×350×20×25，钢号为Q390；核心筒外墙厚由600 mm 变化至400 mm，内墙厚均为350 mm，混凝土强度等级C60～C40。结构标准层平面及建筑剖面如图3、图4 所示。标准层无外边框梁，斜交网格在每一楼层处汇交，楼面内框钢梁在汇交点处刚接，与核心筒铰接。偶数层角部楼面斜梁与角柱不相连，奇数层角部楼面斜梁与角柱刚接。

图2 结构体系构成示意Fig.2 Structure System Constitution

图3 塔楼标准层结构平面图Fig.3 Typical Structural Layout of Tower

图4 塔楼立面及剖面Fig.4 Elevation and Section of Tower

2.2 受力特点

因建筑幕墙相对于外框往核心筒方向偏移进去1 650 mm，导致整层楼板与斜交网格外框不相连，周边梁与斜交网格之间楼面的重力荷载通过短梁和短梁后跨梁传递至外框和核心筒（见图5）。因为短梁镂空无楼板，为了能抵抗不平衡扭矩，短梁采用箱型截面，并与斜交网格外框刚接。

图5 构件定义图Fig.5 Component Definition

在地震作用及风荷载作用下，斜交外网格与核心筒之间存在变形差，因为短梁处无楼板，变形导致短梁产生面外弯矩。

斜交外网格无水平拉梁，导致角柱会产生面外的水平力，该水平力通过角部的楼面斜梁承担，底部楼层该楼面斜梁的水平拉力最大。

2.3 超限情况

塔楼部分超限内容主要有：①特殊类型高层建筑；②1～5 层通高大堂楼板不连续；③楼板与斜交网格外框不相连。

3 抗震性能目标

按照《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010》（以下简称“高规”）［2］，根据本项目特点，塔楼结构整体抗震性能目标拟达C 级［3-5］，相应的结构构件性能水准及抗震等级如表1 所示。

表1 结构构件性能水准及抗震等级Tab.1 Performance Level and Seismic Grade

4 结构设计要点

4.1 小震结构基本性能

本工程采用ETABS 和PKPM 两种软件计算了小震和风荷载各项性能指标，主要计算结果如表2 所示。扭转周期比最大0.385，小于规范规定的0.85；风荷载作用下最大位移角1/1 962，地震作用下最大位移角为1/2 096，小于规范规定的1/765；最小剪重比2.38%，大于规范规定的1.6%。因此，结构能满足小震基本性能。

4.2 角柱抗连续倒塌研究

根据结构特点，底部角柱如果出现破坏结构就会发生连续倒塌的可能。根据《高规》第3.12.6 条对底层角柱及其相连斜交网格构件的表面附加80 kN/m2侧向偶然荷载，然后验算偶然荷载作用下的承载力，具体加载位置如图6 所示。

表2 主要计算结果Tab.2 Main Calculation Results

图6 角柱加载Fig.6 Corn Column Load

根据《钢结构设计规范：GB 50017-2003》第5.2.2条计算弯矩作用平面内和平面外的稳定应力分别为145 N/mm2、142 N/mm2，小于极限值406 N/mm2；根据第5.2.5 条计算关于X 轴和Y 轴双向弯矩的稳定应力分别为164 N/mm2、170 N/mm2，小于极限值406 N/mm2。因此，满足抗连续倒塌的要求。

4.3 关键节点有限元分析

本项目楼板与外框分离，楼面斜梁存在较大的轴力，且结构外框为斜交网格，角柱与斜交网格连接处节点受力复杂，同时考虑日照温度的影响，故选取南面5层楼面斜梁与角柱连接处的节点，进行实体节点有限元分析。分析的节点位置及三维示意图如图7 所示。

图7 节点位置及实体节点Fig.7 Joint Position & Solid Joint

为了真实模拟节点模型的边界条件，将实体节点的划分网格模型引入整体计算模型中，与节点相连接的构件将提供相对真实的刚度矩阵，来反应节点端部的约束条件。节点分析的主要流程为［6-8］：采用Midas FEA 建立节点的实体有限元模型，并采用自动网格划分单元，最终将节点实体模型引入Midas GEN的整体模型中进行真实边界及荷载的模拟。节点实体有限元模型及整体模型如图8 所示。

图8 节点实体有限元模型及整体模型Fig.8 Solid Finite Model of Joint & Whole Model

角柱内力最大控制工况下，节点的应力云图如图9 所示。从图9 中可以看出，角柱最大应力出现在节点交汇处以及角柱的内侧，由于结构整体设计中控制应力为稳定应力比，节点实体分析为强度应力比，平均应力在200～230 MPa，角柱强度应力有一定的富余度。

图9 角柱节点控制应力云图Fig.9 Control Stress of Joint of Corner Column

4.4 包络设计模型确定

在重力、风和地震荷载以外，斜交网格系统及其与楼板系统间的连接还要承受核心筒与周边不同的温度位移而产生的作用力［9］。由于系统高度冗余，为了涵盖构件中可能的所有内力，构件将按照以下4个模型任何一个计算得到的最大内力设计：

模型1：获得楼层末端斜撑和周边梁的最大内力。此模型中所有支撑与斜交网格的连接固接，且无楼板。每2 层在核心筒与周边构件间设置楼面支撑以传递扭转作用力。

模型2：获得角部斜梁末端的局部最大内力。此模型所有角部斜梁铰接而其他支撑与斜交网格的连接不传递弯矩和水平剪力，楼板刚度折减为30%。

模型3：获得实际内力和正常使用状态下的挠度与内力。此模型中所有支撑和斜梁与斜交网格节点固接，且楼板刚度折减为30%。

模型4：获得实际内力和正常使用状态下的挠度与内力。此模型中所有支撑固接，斜梁与斜交网格节点铰接，且楼板按照刚性楼板模拟。

4.5 动力弹塑性分析

本工程采用Perform-3D 研究结构的动力弹塑性特性。分析结果表明：X、Y 向最大层间位移角分别为1/280，1/262，均小于规范规定的1/100 限值。

大震作用下，无剪力墙受剪破坏；无连梁受剪屈服，大部分连梁弯曲屈服，进入塑性阶段，且大部分弯矩塑性铰都小于IO 限值，没有弯矩塑性铰超出LS 和CP 限值，连梁出现塑性能有效的耗散地震能量；斜交网格柱的抗压、抗拉及抗剪切的验算都没有超出承载力，且未出现屈服。

5 振动台试验研究

本工程委托广州大学工程抗震研究中心进行了模拟地震振动台试验研究。振动台的主要试验结果如下［10］：

⑴在所有地震作用下，主体结构X 向加速度放大系数，在多遇地震情况时最大值为3.0359；在设防地震情况时最大值为3.0846；在罕遇地震情况时最大值为2.3426；主体结构Y 向加速度放大系数，在多遇地震情况时最大值为3.1093；在设防烈度地震情况时最大值为2.4079；在罕遇地震情况时最大值为1.7794。以上结构表明鞭梢效应比较显著。

⑵在多水准地震作用下，结构层间位移最大值出现楼层的规律基本相同，结构的层间位移和层间位移角的最大值主要出现在第29～33 层，此外结构顶部也相对较大。多遇地震作用下，主体结构X 向最大层间位移角的平均值为1/1 183；Y 向最大层间位移角的平均值为1/1 222；在罕遇地震作用下，结构X 层间位移角的最大值为1/218，Y 向层间位移角的最大值为1/322。位移角满足规范要求。

⑶剪力墙在25 层、28 层、35 层、36 层中部分位置接近楼板处出现一些水平方向裂缝，但满足罕遇地震作用下性能水准4的要求。

⑷斜交网格的钢结构部分构件在28～30 层出现屈曲和破坏现象。不满足罕遇地震作用下性能水准3的要求。经大震设计分析，这些部位的应力比满足设计要求，出现局部屈曲和破坏现象可能是由其他原因造成的。

⑸斜梁连接处楼板出现一定破坏，主要集中在27 层、28 层、29 层、31 层、32 层、33 层、34 层。

根据试验宏观现象和实测数据分析表明，经历多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震3 种地震波作用，结构总体上满足抗震性能目标。

6 结论

经过仔细研究分析和振动台试验验证，某金融大厦的结构体系、节点形式和抗震性能目标等合理可行［11］。

⑴塔楼采用菱形斜交网格支撑钢框架+混凝土核心筒混合结构体系，是合理安全可行的。斜交网格外网格有较好的抗侧刚度和抗扭刚度，外网格无水平拉梁，且与楼板不相连，该结构有一定的创新性。

⑵楼面梁的短梁周边无楼板，梁的面外弯矩和扭转无法通过楼板平衡，需要采用箱型梁且支座需要用刚接，设计时需考虑双向受弯和轴拉力。

⑶为了能够让角部斜梁的拉力传递给周边梁和板，在有斜梁楼层的楼板外围设置水平楼面桁架。

⑷角部斜梁与楼板之间采用部分抗剪连接，避免因斜梁受拉引起的角部楼板产生过大开裂。

⑸动力弹塑性分析表明，剪力墙和斜交网格未出现破坏，连梁受弯屈服形成塑性铰，满足大震不倒的性能目标。