浦東金融廣場(chǎng)T3塔樓立面收進(jìn)懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)張耀康 蔣本衛(wèi) (華東建筑設(shè)計(jì)研究總院,上海 200002) 摘 要:浦東金融廣場(chǎng)T3塔樓采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒的結(jié)構(gòu)體系,用懸掛結(jié)構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)頂部立面收進(jìn),以滿足下部結(jié)構(gòu)的凈高及建筑室內(nèi)空間需求。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則情況以及轉(zhuǎn)換斜桿上端傳力路徑分析,提出有針對(duì)性的加強(qiáng)措施。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝順序,對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工模擬分析。針對(duì)該工程結(jié)構(gòu)總高度不高、側(cè)向剛度主要由核心筒剪力墻提供的情況,框架柱采用Q460高強(qiáng)度鋼材,既提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性,也實(shí)現(xiàn)了一定的節(jié)材、節(jié)能效果,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 關(guān)鍵詞:懸掛體系;高強(qiáng)鋼;傳力路徑分析;極限承載能力分析;施工模擬分析 1 工程概況浦東金融廣場(chǎng)項(xiàng)目(圖1)位于上海市浦東新區(qū)世紀(jì)大道,東臨南泉北路,西靠浦東南路,南貼商城路,北近世紀(jì)大道,南側(cè)的商城路下設(shè)有地鐵9號(hào)線,北側(cè)的世紀(jì)大道下則有地鐵2號(hào)線。整個(gè)項(xiàng)目設(shè)3~4層地下空間[1]。 ![]() 圖1 浦東金融廣場(chǎng)項(xiàng)目效果 項(xiàng)目包括T1、T2、T3號(hào)3幢辦公塔樓以及一棟商業(yè)樓。T1塔樓建筑高度194 m。T2塔樓和T3塔樓的布置和規(guī)模相近,兩棟塔樓均為地上20層,地下4層,平面呈長(zhǎng)方形,建筑高度100 m,結(jié)構(gòu)大屋面高度91.7 m,大屋面以上設(shè)置幕墻鋼架,地上建筑面積約4.7萬(wàn)m2。 由于塔樓位置與地鐵2號(hào)線及9號(hào)線距離較近,為減小對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響,地鐵方面要求盡可能減小塔樓上部結(jié)構(gòu)荷載。方案設(shè)計(jì)階段,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較了鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)和鋼框架-鋼筋混凝土核心筒兩種方案,綜合造價(jià)、施工進(jìn)度等因素,最終3棟塔樓采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒的結(jié)構(gòu)體系。 塔樓地上部分的鋼框架柱在地下室倒插兩層,地下1層、地下2層框架柱為型鋼混凝土柱。嵌固層取為首層,首層樓板為鋼筋混凝土板,板厚為200 mm。 2 結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計(jì)特點(diǎn)2.1 結(jié)構(gòu)布置 T3塔樓結(jié)構(gòu)平面尺寸為56.4 m×41.4 m,最大高寬比 2.21,核心筒平面尺寸約為 32.2 m × 13.4 m。核心筒與外框柱的距離為12 m和14 m,外框柱間距9 m。核心筒剪力墻最大厚度從底部的800 mm逐步減小至500 mm。 上部結(jié)構(gòu)外框架平面內(nèi)采用梁柱剛接,以提高其剛度及抵抗水平荷載的能力。樓面鋼梁與框架柱和混凝土核心筒均采用鉸接,以減小由于鋼框架與混凝土核心筒差異變形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力。現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓蓋應(yīng)用于核心筒范圍內(nèi),核心筒以外部分則采用壓型鋼板組合樓板。 由于建筑功能需求,結(jié)構(gòu)2層樓板缺失較多,設(shè)計(jì)中采取在西側(cè)的樓板平面內(nèi)增設(shè)鋼支撐的措施,以增強(qiáng)平面剛度,有效傳遞側(cè)向水平荷載作用。 2.2 懸掛體系 T3塔樓原設(shè)計(jì)立面形狀為矩形。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中,根據(jù)鄰近建筑物對(duì)本項(xiàng)目的退界控制線要求,T3塔樓西側(cè)69.600 m標(biāo)高以上部分,平面建筑輪廓需要收進(jìn)6 m,如圖2所示。頂部收進(jìn)后,采取將收進(jìn)后的框架柱下延至基礎(chǔ)底板或框架轉(zhuǎn)換的形式均可實(shí)現(xiàn)。但在此次立面方案調(diào)整時(shí),塔樓范圍的樁基礎(chǔ)基本已施工完成,前者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)狀以及建筑室內(nèi)空間存在較大影響;如采用框架轉(zhuǎn)換方式,轉(zhuǎn)換梁高度將使得相應(yīng)樓層的凈高不足,且在滿足項(xiàng)目規(guī)劃的前提下已不存在調(diào)整層高的可能。經(jīng)綜合比選,設(shè)計(jì)采取在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置轉(zhuǎn)換斜桿,通過(guò)轉(zhuǎn)換斜桿懸掛作為收進(jìn)層豎向構(gòu)件的吊柱的懸掛體系(圖3)。轉(zhuǎn)換斜桿兩端分別鉸接連接于混凝土核心筒墻體和吊柱柱頂。轉(zhuǎn)換斜桿采用直徑150 mm、抗拉強(qiáng)度為650 MPa的高強(qiáng)鋼拉桿。為了約束懸掛體系水平方向的變形,將吊柱與收進(jìn)起始層的樓面鋼梁設(shè)置成豎向滑動(dòng)連接(圖4)。 ![]() 圖2 T3塔樓調(diào)整前、后立面 ![]() 圖3 轉(zhuǎn)換斜桿平面布置 注:W1—W5為核心筒墻體編號(hào)。 ![]() 圖4 塔樓收進(jìn)部位結(jié)構(gòu)剖面示意 為加強(qiáng)21層的平面剛度,以及有效傳遞轉(zhuǎn)換斜桿產(chǎn)生的壓力,在西側(cè)的樓板平面內(nèi)增設(shè)了鋼支撐,鋼支撐按壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中還在各懸掛樓層(17~20層)的西側(cè)設(shè)置平面支撐,加強(qiáng)各層樓板剛度,以有效傳遞地震作用。 設(shè)計(jì)中考慮到頂部轉(zhuǎn)換斜桿可能失效的極端情況下,位于吊柱底部的鋼梁仍能承受上部各層豎向荷載。此極端情況下鋼梁按不屈服設(shè)計(jì)。 2.3 高強(qiáng)鋼的應(yīng)用 高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼比一般鋼材具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,因此在相同的荷載條件下使用高強(qiáng)鋼構(gòu)件往往可以采用比普通鋼構(gòu)件更小的截面尺寸。高強(qiáng)鋼構(gòu)件的使用不僅能減少結(jié)構(gòu)空間的占用,還能減少運(yùn)輸、焊接等工作量,縮短工期,帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的推廣使用能減少對(duì)鋼材、能源的消耗,減少污染,對(duì)建設(shè)節(jié)約能源型經(jīng)濟(jì)及產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重大意義。 T3塔樓鋼框架柱原方案設(shè)計(jì)采用Q345B鋼材,角部柱子采用箱型截面,其余柱子采用H型截面。由于T3塔樓結(jié)構(gòu)總高度不高,核心筒剪力墻提供了主要側(cè)向剛度,結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度對(duì)鋼框架的要求相對(duì)較小。鋼框架結(jié)構(gòu)作為抗震設(shè)計(jì)的第2道防線,鋼柱截面主要由強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算控制,因此,在施工圖設(shè)計(jì)階段,對(duì)T3塔樓的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,框架柱采用Q460C高強(qiáng)度鋼材,均為箱型截面。 采用Q460C高強(qiáng)度鋼材后,底部最大鋼柱截面由原方案的箱型□900×900×50×50優(yōu)化為箱型□700×700×55×55,標(biāo)準(zhǔn)層的H型鋼截面最大H900×500×40×35優(yōu)化為箱型□650×340×38× 22??蚣苤鶅?yōu)化后的整體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)仍滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和抗震性能目標(biāo)要求。 3 超限情況及加強(qiáng)措施3.1 結(jié)構(gòu)不規(guī)則性 結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[2-3]:1)由于辦公大堂功能的需求,2層樓板開(kāi)洞總面積占樓面面積的39.4%,開(kāi)洞面積大于樓層面積的30%,同時(shí)產(chǎn)生8根穿層柱。2)考慮偶然偏心影響的規(guī)定水平地震作用下,樓層豎向構(gòu)件的最大扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2,但小于1.4。3)69.6 m以上外輪廓收進(jìn)6 m,框架柱由設(shè)置在頂部連接于核心筒的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)懸掛,形成吊柱,使得結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件收進(jìn)13 m,收進(jìn)尺寸與該方向尺寸的比值為31.4%。 綜上所述,T3塔樓存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板不連續(xù)、穿層柱以及立面尺寸突變等不規(guī)則情況。 3.2 抗震加強(qiáng)措施 針對(duì)該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及不規(guī)則情況,主要采取下列加強(qiáng)措施: 1)針對(duì)樓板大面積缺失的超限,采用彈性樓板假定進(jìn)行詳細(xì)的有限元應(yīng)力分析,并在西側(cè)的樓板平面內(nèi)增設(shè)鋼支撐,增強(qiáng)平面剛度,有效傳遞地震作用。平面支撐需達(dá)到設(shè)防烈度地震下不屈服的抗震性能要求。補(bǔ)充分析不考慮2層樓蓋假定的計(jì)算模型,控制結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及底層層間位移角滿足 GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]要求。計(jì)算結(jié)果顯示,底層(此時(shí)包括首層及2層,層高為12.5 m)與3層的剪切剛度比約為0.5,因此將首層與2層人為指定為薄弱層,對(duì)該兩層的地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值乘以1.25的增大系數(shù),提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。 2)對(duì)穿層柱按設(shè)防烈度地震按彈性階段設(shè)計(jì),計(jì)算時(shí)柱取其實(shí)際長(zhǎng)度。 3)對(duì)立面收進(jìn)樓層的核心筒剪力墻體厚度適當(dāng)加厚,根據(jù)有限元應(yīng)力分析結(jié)果,適當(dāng)加強(qiáng)水平分布筋的配筋率,并嚴(yán)格控制墻體的剪應(yīng)力水平。對(duì)21層采用彈性樓板假定進(jìn)行分析,并在西側(cè)的樓板平面內(nèi)增設(shè)鋼支撐,增強(qiáng)平面剛度,提高樓板的配筋率。 4)針對(duì)懸掛體系的加強(qiáng)措施。a.將頂部3層剪力墻的混凝土強(qiáng)度提高至C60以提高其抗剪承載能力,并增大縱向鋼筋、分布鋼筋的配筋率,同時(shí)對(duì)受拉的連梁增設(shè)型鋼;b.21層設(shè)置平面支撐,將鋼拉桿在樓層平面內(nèi)產(chǎn)生的壓力傳至混凝土核心筒;c.頂部鋼拉桿與鑄鋼件按罕遇地震作用不屈服設(shè)計(jì);d.考慮鋼拉桿失效的極端情況下,各懸掛樓層的豎向荷載由位于吊柱底部的鋼梁承擔(dān),該梁按不屈服設(shè)計(jì),提高結(jié)構(gòu)安全度。 ![]() 圖5 鋼拉桿作用下各墻體的主應(yīng)力流矢量 4 懸掛結(jié)構(gòu)分析4.1 轉(zhuǎn)換斜桿上端傳力路徑分析 鋼拉桿上端所受拉力主要通過(guò)鑄鋼件、墻內(nèi)H型鋼傳至混凝土墻體。采用ABAQUS軟件分析此部位結(jié)構(gòu)的傳力路徑,鋼材的本構(gòu)模型假定為理想彈塑性模型,混凝土本構(gòu)模型采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]附錄C.2中的彈塑性模型。 圖5為核心筒墻體W1—W5(墻體編號(hào)見(jiàn)圖3)在鋼拉桿作用下的主應(yīng)力流矢量,其中箭頭方向表示矢量的方向,矢量的長(zhǎng)短代表應(yīng)力的大小。鋼拉桿作用的拉力在剪力墻中的傳力路徑主要為圖5中矢量密集區(qū)域。從圖5可看出,5片墻體中,W3墻體的受力最大。 在鋼拉桿的設(shè)計(jì)內(nèi)力作用下,墻體W3中混凝土、鋼筋、型鋼及鑄鋼件的應(yīng)力云圖如圖6所示。 ![]() 圖7 鋼拉桿作用下墻體W3及鑄鋼件應(yīng)力云圖 MPa 從圖6可看出,混凝土的局部最大拉應(yīng)力為2.3 MPa,小于C60的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.85 MPa;連梁范圍鋼筋的局部最大拉應(yīng)力為106 MPa,應(yīng)力比約為0.35,墻體內(nèi)鋼筋應(yīng)力均小于50 MPa;墻體內(nèi)型鋼的局部最大拉應(yīng)力(與鑄鋼件連接處)為90 MPa,應(yīng)力比約為0.34。鑄鋼件在施加荷載的局部點(diǎn)位置最大應(yīng)力為170 MPa,但大部分區(qū)域的應(yīng)力均小于120 MPa,應(yīng)力比小于0.5,具有較大的安全儲(chǔ)備。 4.2 核心筒剪力墻極限承載能力分析 在ABAQUS分析模型中,通過(guò)鋼拉桿端部對(duì)核心筒剪力墻W3繼續(xù)施加荷載,直至構(gòu)件鋼筋屈服,出現(xiàn)塑性破壞,得到的荷載F-位移Δ曲線如圖7所示。 ![]() 圖7 墻體W3荷載-位移曲線 從圖7可看出,當(dāng)兩根鋼拉桿拉力同時(shí)加載至6 533 kN時(shí),墻體W3達(dá)到極限承載力,出現(xiàn)破壞,此時(shí)加載端墻頂?shù)奈灰浦禐?.3 mm。由于鋼拉桿的內(nèi)力設(shè)計(jì)值為3 250 kN,據(jù)此,墻體W3的極限承載能力為其設(shè)計(jì)值的2.01倍。 罕遇地震下不屈服驗(yàn)算時(shí),y向地震作用下鋼拉桿內(nèi)力設(shè)計(jì)值4 450 kN,x向地震作用下連接于同一鑄鋼件的兩根鋼拉桿,方向?yàn)橐焕粔海瑑?nèi)力設(shè)計(jì)值分別為480 kN和430 kN,在墻體內(nèi)產(chǎn)生的拉力遠(yuǎn)小于y向地震作用的數(shù)值。據(jù)此,墻體W3的極限承載能力可達(dá)到罕遇地震下不屈服設(shè)計(jì)值的1.47倍。核心筒剪力墻具有較大的安全儲(chǔ)備。 4.3 懸掛結(jié)構(gòu)施工模擬分析 懸掛結(jié)構(gòu)的施工安裝順序?yàn)椋翰捎庙樠b法安裝吊柱,并依次安裝樓面鋼梁,待17~21層吊柱及樓層鋼梁施工完畢后,再安裝鋼拉桿并張緊。安裝過(guò)程中,在吊柱底部架設(shè)有千斤頂,并控制吊柱底部與其底部的鋼梁保持一定間隙,間隙略大于卸載變形值與混凝土澆筑產(chǎn)生的下?lián)现抵?。鋼拉桿張緊時(shí),同步緩慢降低千斤頂高度,直到千斤頂與吊柱底的頂升托板脫開(kāi),以對(duì)吊柱底的鋼梁進(jìn)行卸載,從而使吊柱由受壓轉(zhuǎn)化為受拉,并將樓層荷載傳至鋼拉桿直至核心筒。 考慮到卸載時(shí)結(jié)構(gòu)撓度可能發(fā)生較大變化,易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂,16~21層西側(cè)區(qū)域須待鋼拉桿張緊并在吊柱底鋼梁卸載后再澆筑混凝土樓板。故施工模擬分析時(shí)僅考慮構(gòu)件自重以及2 kN/m2的施工活荷載。施工模擬分析主要分3步:1)鋼拉桿為安裝前,吊柱及樓層鋼梁施工至21層;2)安裝鋼拉桿并張拉,吊柱與其底部鋼梁脫開(kāi);3)懸掛結(jié)構(gòu)范圍澆筑混凝土樓板。 第1步施工工況下,相對(duì)于整個(gè)施工工程以及正常使用狀態(tài),此時(shí)吊柱底部鋼梁承受的作用力最大,其位移與應(yīng)力如圖8所示。從圖8可以看出,鋼梁跨中最大位移為 18.1 mm,鋼柱最大位移為3.4 mm;鋼梁最大應(yīng)力為93.7 MPa,鋼柱最大應(yīng)力為75.2 MPa。 第2步施工工況下,整個(gè)懸掛體系的變形以及鋼拉桿的內(nèi)力如圖9所示,從圖9可以看出,整個(gè)吊掛體系最大位移為11.9 mm,鋼拉桿最大拉力為619 kN。 ![]() 圖8 第1步施工工況下吊柱底部鋼梁位移及應(yīng)力 ![]() 圖9 第2步施工工況下懸掛體系位移及鋼拉桿內(nèi)力 在懸掛結(jié)構(gòu)范圍混凝土樓板澆筑完成后,整個(gè)懸掛體系的變形以及鋼拉桿的內(nèi)力如圖10所示,從圖 10可以看出,整個(gè)懸掛體系最大位移為22.9 mm,鋼拉桿最大拉力為990 kN。 綜上分析,懸掛體系在整個(gè)施工過(guò)程中變形和應(yīng)力均能滿足相關(guān)規(guī)范要求[2-3]。 ![]() 圖10 第3步施工工況下懸掛體系位移及鋼拉桿內(nèi)力 5 結(jié)束語(yǔ)1)浦東金融廣場(chǎng)T3塔樓與地鐵距離較近,地鐵主管部門對(duì)退界線和地基荷載有特殊要求,綜合造價(jià)、施工進(jìn)度等因素,采用了鋼框架-鋼筋混凝土核心筒的結(jié)構(gòu)體系。 2)本工程框架柱采用Q460C高強(qiáng)度鋼材,柱子截面尺寸比原方案減小,一方面對(duì)建筑使用空間有利,另一方面減少鋼材用量約500 t,既提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性,也實(shí)現(xiàn)了一定的節(jié)材、節(jié)能效果,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 3)針對(duì)頂部立面收進(jìn)的情況,提出了懸掛結(jié)構(gòu)體系以滿足下部結(jié)構(gòu)的凈高及建筑室內(nèi)空間要求,通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換斜桿上端傳力路徑分析,采取了有針對(duì)性的加強(qiáng)措施。 4)結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的施工安裝順序,對(duì)懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工模擬分析,分析結(jié)果表明,懸掛體系在整個(gè)施工過(guò)程中變形和應(yīng)力均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。 參考文獻(xiàn): [1]華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.浦東金融廣場(chǎng)超限建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)可行性論證報(bào)告(T3塔樓2013年局部調(diào)整)[R].上海:2013. [2]GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. [3]JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. [4]GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. [5]GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. DESIGN OF SUSPENDED STRUCTURE WITH REENTRANT CORNER IN TOWER 3 OF PUDONG FINANCIAL PLAZA Zhang Yaokang Jiang Benwei ABSTRACT:Steel frame-reinforced concrete core-wall structure was applied to Tower 3 of Pudong Financial Plaza. Suspended structure system was used in the top floors to create reentrant corner,so that the demands for clear height of architecture in the lower floors could be satisfied.Some pertinence measures were proposed according to irregularity of the structure and loading paths of transfer slant rod.The construction simulation analysis for suspended structure system was made.The Lateral stiffness of Tower 3 was provided by the core tube.The frame columns were constructed of Q460,which could save metal material and energy,and improve economic and social benefits. KEY WORDS:suspended structure system;high strength steel;loading paths analysis;ultimate bearing capacity analysis;construction simulation analysis DOI:10.13206/j.gjg201701011 第一作者:張耀康,男,1978年出生,高級(jí)工程師。 Email:yaokang_zhang@ecadi.com 收稿日期:2016-09-25 |
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來(lái)自: GXF360 > 《鋼結(jié)構(gòu)》