某高層辦公樓懸吊超限結構體系設計

◎王紫璇 范軍 陸順芳

長沙經開區區塊鏈產業園項目（一期工程）1#廠房項目位于湖南省長沙經濟技術開發區三一路以北、涼塘路以南、東二路以東，擬建項目裙房地下1 層，地上5 層（其中首層處有夾層），總高23.5m，塔樓地上16 層（其中首層處有夾層），總高76.7m，正負零絕對標高為66.600。裙房結構采用框架結構，塔樓結構采用混凝土核心筒體+懸臂桁架+吊桿體系，塔樓屋頂采用交叉鋼桁架懸吊下部8 層樓面。裙房與塔樓在2～5 層處（包括首層處夾層）的連橋采用滑動的方式脫開，裙房在屋頂（6 層）采光頂處鋼梁一側鉸接，一側滑動。嵌固端取正負零處。基礎將采用旋挖樁樁基礎。擬建場地土為軟弱土，建筑場地類別為Ⅲ類，屬對建筑抗震不利地段。場地內的地層主要有人工填土層、沖積粉質黏土、殘積粉質黏土層，下伏基巖為強風化礫巖、中風化礫巖等。擬建場地內未見滑坡、泥石流等影響場地穩定性的不良地質作用，場地基本穩定。但場地局部區域內中風化礫巖⑤中存在強風化礫巖⑤-1 夾層；場地上覆填土厚度較大，性質不均勻，工程性質較差，對地基穩定性有不利影響。場地內未見可液化地層。施工期和使用期間抗浮設防水位標高按66.0m 考慮。場地地下水水質及土質對混凝土和鋼筋具有微腐蝕性。

一、辦公樓結構設計準則

第一，本次辦公樓設計基準期為50 年，結構設計使用年限為50 年。

第二，建筑結構安全等級為二級；建筑結構重要性系數為1.0；建筑抗震設防類別為丙類建筑；建筑基礎安全等級為二級建筑，地基基礎設計等級為甲級。

第三，建筑結構抗震等級主要包含建筑裙房和塔樓，其中裙房分為地上框架抗震等級為4 級；轉換梁柱為3 級；地下框架抗震等級為4 級；建筑塔樓地上地下核心筒抗震等級為二級。

第四，建筑水平荷載下的變形限值。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010，第3.7.3 條）多遇地震或重現期為50年的風荷載標準值作用下最大層間位移角限值為：

裙房：1/550 塔樓：1/1000；根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010，第3.7.5 條）大震作用下最大層間位移角限值為裙房：1/50 塔樓：1/120。

第五，建筑舒適度準則。為了有效滿足高層建筑內部使用人員到舒適性要求和標準，需要對建筑風荷載作用條件下，建筑體的最大加速度進行有效限制，根據高層建筑混凝土結構技術規程當中的相關要求，10 年一遇的風何在作用條件下，辦公樓頂點位置的風振加速度限值如表1：

表1

第六，建筑樓蓋舒適度要求。根據高層建筑混凝土結構技術規程當中的要求，樓蓋結構，豎直方向上的振動頻率不能小于3Hz 豎直方向上的速度峰值要求標準，如表2 所示：

表2

二、建筑地基基礎設計要點

1.地基基礎設計方案。

本項目基礎設計等級為甲級，本工程有一層地下室，塔樓和裙樓地下室底板主要位于人工填土，擬作為持力層中風化礫巖還有一定距離。因此塔樓擬采用滿堂樁基礎，裙樓采用柱下樁基，樁端持力層為中風化礫巖。根據勘察報告中風化礫巖中存在軟弱夾層，為較不均勻地基，樁基施工前應進行超前鉆，保證樁端以下3d 及5m 范圍內無軟弱夾層等不良地質現象，根據地勘報告，場地內地層變化較大，樁基施工前應進行超前鉆，保證樁基全斷面入巖深度。

2.基礎埋深設計。

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）12.1.8 條，基礎應有一定的埋深，基礎埋深可從室外地坪算至基礎底面，并符合下列規定：天然地基或復合地基，取房層高度的1/15；樁基礎，不計樁長可取房屋高度的1/18；本工程基礎埋深為-5.6m，相對結構高度約為5.6/75.5=1/13.5，滿足規范要求。

3.樁基設計。

根據本次鉆探揭露綜合區域資料，場地內的地層主要有人工填土層、沖積粉質黏土、殘積粉質黏土層，下伏基巖為強風化礫巖、中風化礫巖等。本工程采用旋挖成孔灌注樁，塔樓樁徑定為1800mm，裙樓樁徑定為1200mm、1000mm 兩種。樁基持力層為中風化礫巖，1800mm 有效樁長約 17m，1200mm、1000mm 有效樁長11～17m，進入巖層全斷面深度不宜小于0.4d 且不小于0.5m，且樁端需穿透局部軟弱夾層。樁身混凝土強度等級C30，根據勘察報告初步分析，1800mm 樁徑單樁抗壓承載力特征值為 16000KN，1200mm 樁徑單樁抗壓承載力特征值為6100KN，1000mm 樁徑單樁抗壓承載力特征值4500KN。塔樓采用滿堂布樁的方式，裙樓采用柱下布樁的方式，樁間距3d。根據目前初步估算，豎向荷載下塔樓最大樁反力約為13000KN，在水平荷載組合工況下，樁頂反力也能滿足規范的要求。

4.地基變形設計。

根據初步分析，塔樓沉降均勻，最大沉降值約為16mm。由于塔樓沉降量較小且與裙樓沉降量接近，因此塔樓與裙樓可不設沉降后澆帶大震下樁基礎的穩定性。通過對上部塔樓進行大震下的整體分析，得到在1.0 恒+0.5 活-1.0Y 地震+0.38 震Z 工況下核心筒樁基出現最小樁反力為2385KN，核心筒下樁基經計算水平承載力特征值為1500KN，大震下單樁最大水平力為500KN。

三、建筑結構體系設計

由于塔樓與裙房之間，在各層均開大洞不能滿足剛性樓板假定的要求。若按照整體模型計算，在1～5 層（其中首層處有夾層），對應塔樓墻體布置太偏，1～5 層剛心與形心偏心距太大，在X 向規定水平力下位移比達到1.68，不滿足規范要求。因此，將塔樓與裙房分開建模與實際情況更相符，同時也避免了扭轉位移比過大的問題。塔樓與裙房分別建模進行計算。考慮連接塔樓和裙房的過道采用一段鉸接、一端滑動的形式，由于裙房高度23.5 不屬于高層結構，本報告為塔樓超限報告。

1.塔樓抗側力體系設計。

塔樓的抗側力體系為筒體，所有的鋼梁與筒體采用鉸接連接僅承受豎向荷載，此結構沒有設置抗震二道防線。由于鋼梁與筒體均鉸接，塔樓每個樓層所受到的風力、地震作用均通過整體澆筑的混凝土樓板傳至筒體，由筒體承受地震及風力的所有側向力，由外立面可看出1 層到8 層（含首層夾層）僅有筒體剪力墻及內部量梁板，9 層筒體剪力墻外側有3.15m 的吊掛梁板，10 層至16 層有9.25m 的吊掛梁板17 層到18 層（設備層和屋頂）僅有筒體剪力墻及內部量梁板，19 層為放在筒體頂部的鋼桁架。結構實際的質量分布在第10 層和桁架層質量比超1.5，由于筒體承受了所有的地震剪力，因此按照筒體結構的分類進行抗震設計及抗震構造設計，筒體剪力墻抗震等級設為二級，如圖1：

圖1 塔樓抗側力體系設計

2.塔樓重力體系設計。

塔樓從9 層至16 層，剪力墻的所有外圍結構均懸掛于剪力墻頂部的鋼桁架。充分利用鋼結構的受拉特性，可使樓面四周的吊桿截面尺寸足夠小，建筑立面簡單通透，既是建筑的設計精華也是結構的設計難點。在剪力墻四周，采用16 根直拉桿，通過層層懸掛的方式，將樓面荷載傳至屋頂桁架。屋頂桁架通過四個支座將力傳給屋頂剪力墻，豎向上在屋頂剪力墻角點埋置了構造型鋼以增強延性。整體而言，整個結構是穩定的，四周的拉力相互抵消，不存在傾覆問題。懸吊體系如下圖2：

圖2

在剪力墻頂設置屋面雙向鋼桁架，桁架高度4m，在X、Y向分別為三道桁架，在斜45 度方向各一道桁架，在對應下部剪力墻角部的位置設置四個支座。支座放置于核心筒的四角部。吊桿以鉸接的方式懸掛在懸挑部的桁架端部；結構傳力模式各層吊桿軸力=該層樓面一半的荷載+下一層吊桿軸力，如圖3 所示。

圖3

N6=N7+G6/2

3.樓面梁設計。

塔樓樓面周圈環梁與吊桿上下樓面環梁分別鉸接，環梁在角部剛接，使其形成一個閉合的體系，垂直于環梁的鋼梁與剪力墻均采用鉸接連接的方式，與環梁采用剛接連接，如圖4：

圖4 樓面梁設計

4.樓板體系設計。

塔樓：塔樓下部樓蓋開洞較多，1 層～8 層核心筒內的樓板厚度為130mm，由于尺寸突變，10 層～11 層的樓板厚度為150mm，配筋雙層雙向。不上人屋面和設備層的樓板厚度調整為150mm，配筋雙層雙向。其余核心筒樓板厚度為130mm，塔樓部分采用130mm 厚鋼筋桁架樓承板，對于部分跨度超過3m 的樓板，施工時應采用臨時支撐，樓梯采用普通鋼筋混凝土樓梯。針對塔樓超限情況的結構設計和相應措施，由于塔樓為懸掛結構，為規范暫未列出的結構形式，為保證結構安全，做出了如下措施：對于屋頂鋼桁架和筒體周圍鋼梁考慮豎向地震作用；對筒體的加強措施。本項目抗震措施的抗震等級取二級。對于底部加強區（1 層、1 夾層）、過渡區段（8 層、9 層）、頂部兩層的抗震構造措施的抗震等級取一級。其余墻體的抗震構造措施抗震等級取二級。塔樓地下室相關范圍的抗震構造措施的抗震等級取一級。對鋼結構構件根據關鍵構件、重要構件、普通構件控制應力比。同時，鋼桁架的抗震等級取三級。關鍵構件：屋頂桁架，應力比控制在0.75 以內。重要構件：吊桿、環梁，應力比控制在0.85 以內。普通構件：樓面鋼梁，應力比控制在0.95 以內。

四、結語

綜上，本項目塔樓部分采用混凝土核心筒+懸臂桁架+吊桿結構體系，對塔樓采取以下主要措施及分析手段，嚴格按照規范，控制整體結構的主要指標，包括結構變形、剪重比等抗震設計中引入性能化設計思想，確定合理的抗震性能目標。對主要結構構件進行承載力校核，能夠滿足各水準地震下的性能目標，對吊掛結構的傳力模型進行了分析及模型驗證，采取的主要措施包括：屋頂桁架屬于沒有冗余度的關健結構構件，其設計計算適當增加富余度。對筒體采取底部，中部和頂部加強抗震構造措施、對鋼結構控制應力比、對尺寸突變位置加強、對下部樓蓋板厚加厚、提高支撐樓面鋼梁的連梁的抗震性能，對塔樓進行了抗連續倒塌分析、樓板舒適度驗算等，對結構進行罕遇地震下的彈塑性時程分析，分析的結果表明大震作用下性能良好，整體響應指標滿足設計要求，可以有效保證建筑工程項目整體結構的安全性和穩定性。