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建筑结构丨高400m的“春笋”:华润集团总部大厦结构设计

建筑结构2020-07-30 14:33:58

  华润集团总部大厦建筑总高度为400m,采用密柱框架-核心筒结构体系,不设结构加强层,与传统的超高层框架-核心筒结构二道防线抗震设计不同。对本工程采用内外结构整体共同协调作用的抗震理念进行体系论证和设计。该项目钢结构工程计划于2016年整体竣工,建成后将成为深圳西部第一高楼。



1 工程概况

  华润集团总部大厦是华润深圳湾国际商业中心项目的核心组成部分,占地面积约38000㎡,总建筑面积约465000㎡。其中,总部大楼建筑总高度为400m,地上66层,地下3层,建成后将成为整个项目发展区内最高的办公建筑,塔楼的外形呈现春笋造型。建筑效果图见图1。



图1 建筑效果图


  总部塔楼在地面以上未与其他裙楼联系,但由于下沉广场的分布,嵌固层在地下1层。核心筒剪力墙的抗震等级从嵌固层下一层往上采用特一级,外框柱的抗震等级从嵌固层下一层至地面为特一级,地面以上为钢结构,抗震等级主要为二级。基础采用直径65m整体承台和2.5~4.5m大直径人工挖孔桩。 


2 结构体系

2.1 结构选型

  结构选型经历了两个主要阶段。图2为早期结构工程师配合建筑外形所开展的风工程初步研究。风工程研究比选了14个不同的建筑外形,最终确认采用圆形(春笋)造型进行设计。



(a) 圆形


(b) 方形


(c) 三角形

图2 建筑外形的风工程初步研究


  对春笋造型的结构体系进行了多方案综合比较,研究结果表明,若采用巨型结构设计,则抗侧力体系有效、核心筒墙厚较小等,但存在相应的竖向力的传力效率低、构件尺寸大、需要结构加强层、与建筑外形的协调程度不好、相应的施工周期长和造价较高等问题;而采用常规的疏柱框架设计,也存在需要结构加强层、外框架无法与建筑纤细的竖向造型匹配、结构造价较高的问题。最终选用密柱框架-核心筒的结构体系。


2.2密柱框架-核心筒结构体系

  本项目主体结构高度为331.5m,结构体系中的外部密柱框架和内部混凝土核心筒通过楼面结构协调而共同作用,结构体系示意见图3。


图3 结构体系示意


竖向传力为通过水平梁将荷载传递到核心筒墙体和外框柱上,再向下传递到基础;水平抗力则由核心筒承担大部分的侧向剪力和抗倾覆力矩;密柱框架在保证柱尺寸满足建筑及幕墙设计要求的情况下可承担相应的侧向剪力及抗倾覆力矩。

核心筒在首层的最大墙厚为1350mm,在高区最大墙厚为400mm,混凝土强度等级为C50C60,局部楼层和墙肢根据设计需要配置型钢。从下至上除常规的墙肢收进外,结构布局经历了大方形切角小方形的变化,关键的核心筒局部变化三维图如图4所示。

密柱框架从下至上变化形式较为丰富,外框架立面如图5所示,高67m的钢结构锥顶如图6所示。其中办公区的外框柱采用梯形箱柱,梯形的最大轮廓尺寸约为400×635400×480,钢材强度等级为Q390GJC/Q345GJC





本项目塔楼采用钢梁放射状布置的组合楼板体系,与钢框筒的连接较好,楼板的设计和构造考虑面内受力和传力的设计要求。典型楼层结构布置的BIM模型如图7所示。



(a) 低区结构布置

(b) 中、高区结构布置

图7 典型楼层结构布置的BIM模型


3 结构抗震设计关键问题

3.1 梁柱偏心设计

由于办公室内部需要做到无柱的建筑效果,因此本项目的梁柱节点采用完全偏心的节点连接形式,即外环梁与外框钢柱连接时,外环梁位于钢柱的内侧(图8)。



图8 典型的梁柱全偏心节点


梁柱完全偏心节点在国外非抗震地区的多层建筑中已有应用,但是在国内抗震区的超高层建筑上尚属首次采用。该偏心节点与常规对心梁柱节点相比,环梁偏出外框钢柱的范围内节点的连接构造需要针对此特殊的建筑条件进行设计。满足抗震承载力设计要求的典型偏心节点的构造如图9所示。



图9 典型片偏心节点构造


本项目的偏心节点试验已于20148月份在清华大学实验室完成,并进行了专家论证,试验结果表明本次节点试验满足结构设计要求,承载力、延性和刚度达到预期目标。


3.2 核心筒斜墙过渡设计

由于本项目特殊,核心筒需要在4851层收进,考虑到上部结构的重量已经比较小,结构设计采用了四面斜墙过渡的解决方案。

1)斜墙区传力机制研究

斜墙区的水平荷载传力机制与常规的设计差别并不大,而竖向力水平分量的传力机制如图10所示。竖向力水平分量大部分通过核心筒的内部自平衡传递,而小部分(不到10%)通过楼板传递至外框架。


图10 竖向力水平分量的传力机制


2)斜墙区构件刚度设计

斜墙区需要特别设计连梁的轴向刚度,对于受拉开裂的构件,如连梁、关键水平梁,以及剪力墙与楼板相连的环向区域等进行了内置钢板的加强设计。


3.3 超高层建筑剪力墙拉剪分析与设计

本项目采用LS-DYNA软件进行结构的非线性分析,图11为联肢墙的测试模型,联肢墙剪力重分布过程见图12。测试案例分析结果表明LS-DYNA软件对于剪力墙拉剪的模拟与力学概念是一致的。


图11 联肢墙的测试模型

图12 联肢墙剪力重分布过程


4 施工进度

2015年55日,随着核心筒地上第11节钢柱吊装到位,深圳华润集团总部大厦项目施工高度顺利突破百米大关,标高达到104.65m,现场施工图见图13。该项目钢结构工程于201466日顺利开吊,2014731日核心筒钢结构冲出正负零,钢结构工程计划于2016年整体竣工,建成后将成为深圳西部第一高楼,总用钢量约为3.3t



图13 现场施工图


更多内容详见:(1)2014年第24期《建筑结构》杂志文章:《某超高层建筑结构体系和关键设计研究》;作者:林海,李赞恒,江民,林奉军,汪洋,穆继昌,甄圣威,何子轩;单位:奥雅纳工程顾问;《某总部塔楼梁柱偏心钢节点研究》;作者:周蓓蕾,穆继昌,江民,汪洋,李赞恒;单位:奥雅纳工程顾问;(2)《建筑结构》5月6日原创微信:Arup汪洋:华润总部大楼结构设计(方案+初步),点击此处查看详情


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