塔楼偏置的复杂高层结构设计研究

2023-10-17李福帅山东钜旺建筑工程有限公司山东潍坊262500

砖瓦 2023年10期

李福帅 (山东钜旺建筑工程有限公司，山东潍坊 262500)

近年来，随着城市化进程的不断加速，高层建筑作为城市的重要组成部分，日益受到关注，塔楼作为高层建筑的代表，因其独特的外观和多功能性在城市建设中占据着重要的地位[1]。然而，在追求创新和独特性的同时，塔楼的复杂结构设计也面临着严峻的挑战。塔楼偏置作为一种突破传统的设计手法，为建筑带来了更多的可能性，同时也引发了结构设计领域的新思考。在塔楼偏置的复杂高层结构设计中，需要兼顾视觉美感、建筑功能、结构稳定性等多个方面，这使得设计过程更加复杂而富有挑战性[2]。然而，当前许多现有的研究侧重于传统结构形式，缺乏对于塔楼偏置结构设计的深入探讨。因此，本论文旨在系统性地探讨塔楼偏置结构设计的关键问题，深入分析其在视觉、功能和结构等方面的影响，讨论超限情况、平面规则性、竖向规则性以及性能化目标等问题，探讨节点构造、商业主入口、中庭结构、塔冠设计等相应的设计策略和方法。

1 工程概况

某商业综合体塔楼，塔楼偏置，结构复杂，集合多种功能，该建筑位于经济繁荣的城市中心，是城市高层建筑群的一部分，其独特的设计和结构使其成为城市地标建筑。该塔楼总建筑面积约为356000㎡，高度为167m，共有47 层，带3 层地下室，整体建筑属于超高层建筑范畴，其垂直空间的设计对于优化使用功能和满足多样化需求具有重要意义。该建筑在功能上具有商业、办公和文化等多重用途。其中，底部楼层设计为商业空间，为周边居民和游客提供购物、休闲和娱乐的场所；中层楼层被规划为办公空间，为企业提供现代化的工作环境。此外，建筑还融入了文化展示和公共交流空间，增强了建筑与城市社区的互动。设计理念强调创新与功能性的结合。在结构设计方面，要保证其结构稳定性和抗震性能，优化内部空间布局，为城市增添新的特色和活力。

2 塔楼偏置高层建筑整体结构

2.1 塔楼偏置分析

塔楼偏置作为该商业综合体建筑的特点，需要通过详细的分析来确保其在结构上的合理性和稳定性。该高层建筑有3层地下室，采用筏形基础形式。地下一层的侧向刚度相对于地上一层的刚度应提高2 倍。这种设计使得地下一层的顶板在结构方面具备足够的刚性，可以满足其作为上部结构嵌固的需求[3]。在进行上部结构的地震响应分析时，地下室的顶板被视为可靠的嵌固端，因而能够采用隔震设计方案，在地震情况下更好地确保建筑的稳定性和安全性。

塔楼的结构形式为钢筋混凝土框架-核心筒结构，核心筒由公共区域的隔墙构成，形成剪力墙的功能。同时，在建筑的周边布置了框架结构，其平均跨度为11.8m。塔楼标准层的长宽为51.5m×41.5m；裙房的长宽为131.5m×75.8m。裙房采用框架结构体系，相应的立柱间距为8.8m×9.8m。经过有限元仿真分析，底层框架在X 向和Y 向承担的倾覆力矩，分别占整个建筑的29.4%和31.7%，介于10%和50%之间，符合相关规范的设计要求。

为了增加建筑的平面刚度，确保构件协同工作抵抗变形，裙房的楼板厚度不应小于140mm。开洞区域的周边楼板应进行局部加强，加强部分的厚度不应小于180mm。塔楼顶层屋面采用钢结构形式，作为塔冠柱脚转换层。核心筒的剪力墙厚度在350mm～850mm之间变化。塔楼的外框柱采用矩形截面，其边长范围从850mm～1500mm 之间变化，且所有外侧承重立柱需内置十字型钢。

塔楼偏置的实质在于竖向抗侧刚度的突变，在地震作用下，上部塔楼与大底盘裙房的交汇处发生塔楼楼层剪力，根据力学分析计算，在X和Y方向分别为10 315kN和11132kN。而塔楼顶层投影区域的竖向构件的水平剪力，X和Y方向分别为6187kN和5725kN。上部塔楼传递下来的水平剪力，在X方向占总剪力的37.8%，在Y方向占总剪力的46.6%，通过水平构件的协调传递，最终作用到基础。截面剪应力未超过相关规范规定的剪应力允许值，表明结构设计满足强度要求。

2.2 规则性分析

在高层建筑设计中，超限情况可能涉及建筑的高度、规则性等方面。在塔楼偏置的复杂高层结构设计中，平面规则性是一个关键的设计要素，平面规则性涉及建筑的平面形状和楼层布局[4]，对于塔楼的稳定性、使用功能以及视觉效果都具有重要影响。

塔楼主体结构高度为167m，属于A 级高度建筑。塔楼标准层的宽度为51.5m，其高宽比为3.24，小于7。核心筒的平面尺寸为23.5m×23.5m，其高宽比为7.11，小于12，满足相关规范的设计要求。

部分楼层出现扭转位移比大于1.3 的情况，为此，增加周边框架梁的高度，以提高结构的抗扭性能和延性；增加角部框架柱的截面尺寸，加强承载力和变形能力；提升裙房框架的抗震性能等级，增加构件的抗变形能力。

针对第2、第7 层楼板开洞导致的楼板不连续，在楼板中设置双层双向通长钢筋网，以增加楼板的抗剪能力；进行大震作用应力分析，确保楼板能够承受大震荷载；根据开洞情况进行不同楼层的构件包络设计。

2.3 性能化目标

在塔楼偏置的复杂高层结构设计中，通过科学的方法和技术手段，确保建筑的安全性、稳定性和可靠性，主要参考标准是抗震性能[5]。抗震性能化目标的设定和实现有助于提升建筑的整体品质和价值。塔楼项目的性能化目标如表1所示。

表1 塔楼项目的性能化目标

3 结构设计

在塔楼偏置的复杂高层结构设计中，结构设计是至关重要的环节，直接影响建筑的整体性能和安全性。

3.1 大堂圆柱转方柱节点构造

大堂区域往往伴随着大跨度的空间设计，为了满足建筑的视觉需求，可能需要将圆柱的结构转换为方柱。这种节点构造的转换涉及材料的连接、力的传递等问题。在转换区域，圆柱与方柱之间的转换需要精确的设计和施工，以保证结构的连续性和稳定性。

大堂圆柱转方柱节点时，关键点是在节点过渡区域的设计。这个过渡区域连接圆柱和方柱的结构，需要实现平稳的形状转换，同时保持结构的稳定性。设计方案需要考虑如何优化过渡区域的几何形状，以实现从圆形到方形的平滑过渡，避免应力集中[6]。节点过渡区域不仅需要结构合理，还需要在外观上与大堂区域相协调。

为了展现大堂的建筑效果，本项目在大堂区域选择了4 根外框柱，这些柱的截面从底部到第三层楼之间，由D1600圆形结构逐渐转变为1450mm×1450mm的方柱，内部嵌入贯通的十字型钢。为了确保这一连接节点的强度，设计考虑了下部圆柱的钢筋在自然状态下或者按照1:6的倾斜比例贯入方柱内，并且连续贯通至上一层的楼板。圆柱转方柱节点构造如图1所示。

图1 圆柱转方柱节点构造

3.2 主入口结构设计

主入口结构设计在塔楼偏置的复杂高层结构中具有重要作用。根据建筑平面布置和主入口尺寸要求，第2层至第4层楼板向内收缩，主入口被整个玻璃幕墙所围合，形成一个封闭的空间。为了实现玻璃通透的空间效果，5 层及以上的承重柱不能延伸至地面，应考虑承重荷载转换。为此，采用带斜腹杆的钢筋混凝土空腹，来实现大跨度悬挑结构。经过仿真分析得出，结构构件在竖向方向上的最大变形为36.5mm，挠度与跨度的比值为1/568，满足相关规范的要求。空腹桁架结构楼板的最小固有频率为5.63Hz，也符合相关规范的要求。商业主入口结构的三维模型如图2所示。

图2 商业主入口结构

3.3 中庭结构设计

中庭结构设计是塔楼偏置的复杂高层结构中的一个突出问题。在中庭结构设计中，应进行结构分析和模拟。塔楼的2～5 层的楼板都需要开洞，形成中庭结构。第6层作为电影院用途，则需要进行封板处理。为了提升结构稳定性，应对大跨度、大悬挑的挑战，采用空间梁系布置方案[7]。结合塔楼实际情况，2～5 层中庭的悬挑跨度设计为4m～9.5m，型式为单向钢筋混凝土悬挑梁，将其嵌入内框结构中，并且至少延伸一跨。第6 层的电影院，考虑到荷载较大的情况，采用钢结构空腹桁架来布置影院夹层的疏散通道，同时在边跨处设置了斜撑，以保证结构的稳定性。其中，3～5 层的中庭结构布置如图3所示。

图3 3～5层的中庭结构布置

3.4 塔冠结构设计

塔冠作为建筑的顶部特征，在塔楼偏置的复杂高层结构中扮演着重要角色。在结构形式设计方面，要根据塔冠的外观要求和结构性能，确定适当的结构型式。

塔冠建筑的幕墙造型呈现逐级上升的形态，各个立面的完成面高度各异，范围在2.3m～16.3m 之间。为了减轻塔冠结构自身的重量，同时便于高空施工操作，选用方钢管框架结构体系来构建塔冠结构，该结构的侧向刚度较高[8]。构建承重柱和横梁的钢材选用方管，承重柱的截面尺寸为200mm×200mm×10mm，横梁的截面尺寸为200mm×200mm×8mm。钢柱的底部位于屋面转换梁上，为确保塔冠钢结构与下部混凝土结构的连接牢固，并方便现场施工安装，采用外包式的柱脚设计。塔冠结构如图4所示。