13-红土创新广场陡角度斜交网格塔楼结构设计-吴国勤

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1、第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016年 红土创新广场陡角度斜交网格塔楼结构设计 1 吴国勤, 傅学怡， 曾志和， 周坚荣 （悉地国际设计顾问(深圳)有限公司， 深圳 518048） 摘 要：红土创新广场采用钢管混凝土斜交网格外框架+单向伸臂+混凝土核心筒结构体系。通过研究分析平面的 各种角度相交网格的外框，得到外框柱网的主要性能；通过比较分析伸臂和带状桁架的布置对抗侧刚度 的贡献，确定了伸臂和带状桁架的数量，以最优的布置达到良好的结构性能；针对在重力作用下斜柱引 起的楼盖水平轴力，分析楼面梁的最大拉力和压力，为楼面梁的设计提供依据；对重要的伸臂K 形节点、 立面斜柱交叉节点进行了精

2、细的有限元计算分析，并提出了加强措施，保证了强节点弱构件；进行了结 构动力弹塑性分析，定性地找出了结构的薄弱部位，并提出相应的加强措施。 关键词：超高层结构，钢管混凝土斜交网格外框架，伸臂，斜柱交叉节点，动力弹塑性分析，有限元分析 1 工程概况 红土创新广场项目 1 （图 1）位于深圳市南山区中心区东南部，东临科苑南路、南临海德三道、北临滨 海大道，处于金融核心区南区的门户位置。总用地面积为 10438.7m 2 。建筑用途为超甲级办公楼，塔楼主屋 面高为 249.9m，地上 56 层，出屋面构架 2 层，构架层顶高度为 261.9m，地下 4 层，建筑面积约为 101600m 2 ， 采用钢

3、管混凝土斜交网格外框架+单向伸臂+混凝土核心筒体系。嵌固端位于地下 1 层底板处，塔楼高宽比 为 5.94，X，Y 向核心筒高宽比分别为 15.86，8.76。建筑设计由澳大利亚 PTW 建筑师事务所和悉地国际（深 圳）设计顾问有限公司联合体共同完成，结构设计为悉地国际 (深圳) 设计顾问有限公司。 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，抗震设防类别为乙类，场地类别为类。基本风压取 50 年一遇，为 0.75kPa，地面粗糙度为 B/C 类。 塔楼采用桩筏基础，桩型为钻孔灌注桩，持力层为强风化岩层，地下水位为-0.50

4、m。 图1 建筑效果图 作者简介：吴国勤（1978），男，工学硕士，高级工程师，一级注册结构工程师 第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016年 2建筑与结构的生成逻辑 建筑的总体形体生成逻辑是基于三个标准平面，分别为顶层和底层的各一个尺寸为 43.2m43.2m 正方 形平面，变化至中部一个尺寸为 54m32.4m 的长方形平面（图 2，H 为总高度） 。结构根据以上建筑的形体， 结合幕墙的折面单元风格，设计出了与建筑和谐统一的外框交叉柱网（图 3） 。 图 2 建筑形体生成逻辑 交叉柱网 单元组合 基本单元 图 3 结构外框生成逻辑 3结构布置及超限情况 3.1 塔楼结构布置 塔楼采

5、用钢管混凝土斜交网格外框架+单向伸臂+混凝土核心筒结构体系2， 结构体系构成如图4所示。 塔楼外框架柱地下 4 层地下 1 层为型钢混凝土柱，截面尺寸为 12001800mm，混凝土强度等级为 C70，含 钢率约 7.3%；地上 1 层以上采用矩形钢管混凝土柱，混凝土强度等级为 C70，钢管截面由口 80080040 40 变化至口 8008001818，钢号为 Q390GJ；核心筒外墙厚由 1000mm 变化至400mm，内墙厚由 600mm 变化至 400mm，混凝土强度等级均为 C60。结构标准层平面及建筑剖面如图 5，6 所示。标准层外框边钢梁 刚接，其余钢梁全部铰接，伸臂层布置 X

6、向的四榀伸臂，楼面架设交叉支撑，和伸臂、钢梁共同工作，保 证设置伸臂以后，内外筒剪力的传递。 考虑到交叉柱节点连接方便，且方便与水平钢梁连接，采用钢管混凝土外框柱；为使结构与建筑有机 统一，建筑立面上要求宽度不变的线条采用相同的外围尺寸(800mm800mm)；为控制结构刚度和轴压比， 采用内灌混凝土。 第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016年 交叉柱外框和伸臂 核心筒 整体结构 图4 结构体系构成示意 X Y（a）典型楼层平面 （b）伸臂层平面 图5 塔楼标准层结构平面图 第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016年 (a)南面 (b)东面 图6 塔楼剖面图 3.2 超限情况

7、 塔楼部分超限内容主要有：1）结构高度超 B 级；2）2，3 层大堂楼板不连续；3）设有两道加强层；4） 外框斜柱。 4 抗震性能目标 按照高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ 32010） （简称高规） ，塔楼结构抗震性能目标拟达 C 级， 多遇地震、设防烈度地震、罕遇地震相应的等级分别为 1，3，4 级，相应的结构构件性能水准如表 1 所示。 由于首层、30 层以及顶层的外框梁即是交叉柱汇交点的三个楼层，也是约束整体水平变形的重要构件，因 此定义为关键构件。结构构件类型分类情况见表 2。 表 1结构构件性能水准情 结构构件 1 3 4 关键构件 无损坏 轻微损坏 轻度损坏 普通竖向构件 无

8、损坏 轻微损坏 部分构件中度损坏 耗能构件 无损坏 轻度损坏、部分中度损坏 中度损坏，部分比较严重损坏 表 2结构构件类型分类 关键构件 普通竖向构件 耗能构件 1）地下2层地上6层的核心筒墙体和框架柱；2830层框架柱 2）伸臂层及相临上下一层的墙体和框架柱 3）伸臂；首层、30层以及顶层的外框梁 除“关键构件”之外的竖向构件 连梁、框架梁 5 结构设计要点 5.1结构基本性能 采用 ETABS进行计算分析（表 3） ，并采用 PKPM对计算结果进行校核。有限元模型中梁、柱模拟为杆单 元，剪力墙模拟为壳单位，楼板模拟为膜单元。结构振型呈现出平扭的变化规律，前两阶周期接接近，第 一扭转振型周期

9、与第一平动周期的比值为 0.59，小于高规规定的限值（0.85） 。风荷载及地震作用下楼层最 大层间位移角见图 7，控制工况为风荷载作用，两个方向的层间位移角均满足要求，X 向最大层间位移角为 屋顶 261.90m 30 层 137.10m 主屋面 249.90m第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016年 1/511，接近限值 1/500。位移角曲线在 3132 层和 44 层处出现拐角，表明结构侧向刚度有所变化，主要是 由于在这些层设置了伸臂。 表 3塔楼基本周期 振型 周期/s 质量参与系数/% X向 Y向 Z向 T1 5.76 47.55 0.01 0.73 T2 5.39 0.

10、01 48.44 5.79 T3 3.42 0.00 0.00 15.25 (a)风荷载作用 (b)地震作用 图7 层间位移角 5.2 平面外框架刚度研究 斜交网格框架柱的倾斜角度为 87.66（与水平轴角度，下同） 。为研究倾斜角度对结构侧向刚度影响， 通过对四个不同的平面模型进行分析（图 9 中圆点为监测点） 。模型一为普通框架直柱模型；模型二和模型 三为本工程的框架模型，其中模型二为中部突出的网格框架，模型三为中部收进的网格框架，其倾斜角度 均为 87.66；模型四中的框架柱倾斜角度为 85.05。四个模型同层柱截面面积之和相等、框架梁截面相 同、总结构高度和层高与实际项目一致，每层施加

11、 1000kN水平荷载，在顶部四个柱顶施加 10000kN 竖向荷 载。 (a)模型一 (b) 模型二 (c) 模型三 (d) 模型四 图 9 平面框架模型 通过计算分析得到顶部监测点处的位移（表 4） ，结果表明：斜柱侧向刚度比直柱侧向刚度大；斜柱竖 向刚度比直柱竖向刚度小；倾斜角度越小侧向刚度越大而竖向刚度越小。工程采用的斜柱框架形式相对直 柱框架的侧向刚度大约 2.5 倍，竖向刚度则约为直柱框架的 70%80%，表明其在竖向刚度减少不多的情况下第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016年 可获得较好的侧向刚度，是一种较为理想的外框架形式。 表 4监测点位移/m 模型 模型一 模型二

12、 模型三 模型四 水平位移/mm 30.9 12.28 12.08 8.33 相对水平刚度 100.0% 251.6% 255.8% 370.9% 竖向位移/mm 0.34 0.43 0.49 0.64 相对竖向刚度 100.0% 79.1% 69.4% 53.1% 5.3 伸臂与带状桁架数量研究 为了以确定结构最终所需要的伸臂和带状桁架数量3，需先分析确定伸臂和带状桁架对塔楼抗侧刚度 的作用。通对以下五个结构方案进行分析：1）方案一：无伸臂、无带状桁架，外框梁和楼面梁均刚接；2） 方案二：在 4344 层处设置一道伸臂+带状桁架，外框梁刚接，楼面梁铰接；3)方案三：在 3132 层处设置 一

13、道伸臂+带状桁架，外框梁刚接，楼面梁铰接；4）方案四：在 3132 层以及 44 层处设置二道伸臂+带状 桁架，外框梁刚接，楼面梁铰接；5）方案五：在 3132 层以及 44 层处设置二道伸臂，无带状桁架，外框 梁刚接，楼面梁铰接。 由表 6 可知，方案一表明当钢梁全部刚接时，结构在 X 向的位移角为 1/376，抗侧刚度不足要求，因此 需要在 X 向设置伸臂；方案二和方案三表明无论是在塔楼的中上部还是中部，仅设置一道伸臂+带状桁架， X 向的抗侧刚度不满足要求；方案四表明增加两道带状桁架，对结构的抗侧刚度影响很小，X 向位移角仅减 小 2.5%。综上所述，本工程考虑到结构刚度需求、经济性等因

14、素，最终采用方案五。 表 5各方案周期和层间位移角 方案 周期/s 风荷载作用下层间位移角 T1 T2 T3 X向 Y向 方案一 6.21 5.26 3.59 1/376 1/832 方案二 6.13 5.37 3.61 1/412 1/809 方案三 5.92 5.74 3.13 1/468 1/734 方案四 5.75 5.35 3.30 1/524 1/823 方案五 5.76 5.39 3.42 1/511 1/780 5.4 重力荷载作用下楼面梁拉力分析 外框为交叉斜柱，而且是面外也是倾斜的。在重力荷载作用下，外框柱轴力会产生水平分力，对楼面 梁产生较大的轴力。需要分析楼面梁在重力荷

15、载作用下的轴力分布规律，以保证楼面梁设计的安全性。 楼面梁沿楼层的轴力如图 10，11 所示。工程中普通楼面内框梁截面为 H5002001016（Q345B） ， 截面面积为 11080mm2，能承受最大的轴力为 3268.6kN；最小外框梁截面为 H8003001340（Q345B） ， 截面面积为 33360mm2，能承受最大的轴力 8840.4kN；30 层、顶层外框梁截面均为 H10003001350 （Q345B） ，截面面积为 41700mm2，能承受最大的轴力为 11050.5kN。外框梁的拉力在 30 层斜柱转折处最大， 为 601kN，由轴力产生的应力比不到 0.1，其他楼层由下往上呈递减趋势，由轴力产生的应力比不到 0.1。 整个外框梁主要受拉，轴向压力较小，最大的压力仅为 159kN。楼面内框梁主要受压，最大压力 170kN，由 压力产生的应力比基本上都小于 0.1，在 30 层时由于斜柱转折，楼面内框梁受拉，最大拉力为 343kN，由 拉力产生的应力比小于 0.18。 第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016年 (a)拉力 (b)压力 图 10外框环梁沿楼层轴力图 (a)拉力 (b)压力 图 11 内框梁沿楼层轴力图 综上所述，外框梁在相交处的内力最大，因此需在顶部、底部及 30 层附近