宁波中银大厦高层建筑工程结构设计
时间：2015-03-16 来源：未知 作者：学术堂 本文字数：3740字
1 工程概况
宁波中银大厦项目位于浙江省宁波市，为综合性办公建筑。项目由 49 层办公塔楼、4 层商业裙楼、连接塔楼与裙房的钢结构雨篷及 3 层地下停车库组成。塔楼结构顶标高为 246. 000m; 裙房大屋面标高约为 24. 000m。总建筑面积约 14. 5 万 m²，其中塔楼地上建筑面积约 10. 7 万 m²，地下建筑面积约 3. 8 万 m²。建筑效果如图 1 所示。
2 结构体系
塔楼采用钢管混凝土柱 + 楼面钢梁框架-钢筋混凝土筒体的混合结构体系。塔楼核心筒 19 层以下外核心筒为圆形; 19 层以上经过转换部分外围圆形墙体收掉，变为带切角的正方形小筒体; 外围框架柱为钢管混凝土柱。整个塔楼平面从下到上逐渐绕中心扭转，形成一个扭转型的建筑外形。裙房采用钢筋混凝土框架结构体系。裙房建筑在 4 层为大空间多功能厅，为实现建筑师对多功能厅大空间的需要，该处屋面采用了一系列约 26m 跨度的后张法预应力混凝土大梁。裙房与塔楼通过一体式钢结构连廊雨篷连接。为避免雨篷将塔楼和裙房在结构上连成整体，造成两者变形相互牵制及形成复杂受力结构体系，雨篷在塔楼侧设置铰接支座，在裙楼处设置滑动支座，进而使雨篷两侧的塔楼和裙房形成独立的结构单元。
3 地基基础设计
综合场地工程地质条件和建筑特点，主楼选择⑩层砾砂作为桩端持力层的超长桩方案，采用大直径钻孔灌注桩基础，桩径为 1 000mm，为满足单桩承载力要求，桩端进入⑩层砾砂一定深度才能达到设计承载力要求。由于桩长较长，持力层为圆砾、卵石，施工难度较大，为节约基础投资，提高单桩承载力，对桩端土( ⑩层砾砂) 采用后注浆处理，经压力注浆处理后的单桩承载力可提高 20%以上。单桩竖向承载力特征值为7 991kN，采用后注浆工艺后，单桩竖向承载力特征值为9 500kN。桩身混凝土强度等级为 C45，水下混凝土比原设计强度提高两级( 即 C55) 。
裙楼及纯地下室部分布置常规的钻孔灌注桩，经过比较，采用 600mm 钻孔灌注桩，桩长 52. 0m左右，持力层为⑧粉砂层。桩最大抗拔承载力特征值按 1 300kN 考虑。对于主楼范围以外地下室部分，建筑物荷载较小，基坑开挖深度大，场地地下水位埋深 0. 0 ～1. 2m，浮力较大，为满足地下室抗浮、基坑围护等设计要求，设置抗浮桩。根据建筑物荷载要求以及对单桩抗拔承载力的估算，桩端持力层选择⑧粉砂层，采用钻孔灌注桩，抗浮设计水位取室外地坪下 0. 5m。
4 地下结构设计
本工程地下室 3 层，塔楼地下室核心筒剪力墙布置同地上结构，核心筒两侧增设部分剪力墙，增加塔楼地下室抗侧刚度，对上部的抗侧力结构起到很好的嵌固作用; 分散核心筒荷载，有利于桩基布置和减小底板厚度。地下室除塔楼区域内部分框架柱采用钢管混凝土柱外，其他区域均采用现浇钢筋混凝土框架和剪力墙结构。楼面均采用现浇钢筋混凝土梁板结构，既可以起到作为地下室外墙支点有效传递建筑物四周水土压力的作用，又可以加强地下室的整体性。
由于地下室长、宽分别为 240m 和 178m，均大大超过《混凝土结构设计规范》GB50010—2010 要求的钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距。结合结构实际情况，对该超长地下室结构进行了温度变化、混凝土收缩和徐变共同作用下的温度收缩效应分析，根据分析结果对首层进行了重点加强。另外，为了减少施工期间的温度应力和混凝土收缩应力，结合沉降后浇带在长、宽方向构造设置施工后浇带。
5 塔楼结构设计
塔楼上部结构均采用钢管混凝土柱 + 钢梁框架-混凝土核心筒的混合结构体系。为使核心筒具有足够的承载力和延性，在核心筒角部设置上下贯通的型钢。框架柱采用圆形钢管混凝土柱，框架梁采用焊接 H 型钢，与框架柱均采用刚接，以满足外围框架作为第 2 道抗震防线的要求( 见图 2) 。
5. 1 设计特点及关键问题
1) 沿径向倾斜的框架柱
基于塔楼的外观采用了沿高度方向扭转盘旋形的建筑造型，结构设计利用沿径向倾斜的外围框架柱实现了该建筑造型，避免了使用对结构较为不利的扭转型斜柱。外围框架柱选用了钢管混凝土柱，柱距约为 4m，从而组成具有较强刚度和整体性的外框筒。
2) Y 形钢管混凝土柱转换
底层大堂柱距扩大为约 7m，满足了大堂入口及其他建筑功能和外观要求。底层柱网与上部柱网采用 Y 形柱转换来实现上、下柱对接，并通过合理的详图构造和计算分析保证了力传递的直接性和有效性( 见图 3) 。
3) 核心筒转换块
塔楼混凝土核心筒外轮廓在低区为圆形，中高区为八角形，圆形与八角形的交界处使用了混凝土转换块体来完成筒体的转换( 见图 4) 。在混凝土转换块中设置了型钢柱、型钢梁和钢支撑来承担和传递上、下筒体间的应力。对转换块体进行有限元分析，并利用分析结果确定了合理的配筋和构造。
5. 2 塔楼结构计算分析
塔楼结构存在结构高度超限以及竖向规则性超限，属于超限高层，需进行超限高层建筑抗震设防专项审查。塔楼结构分别采用 ETABS 和 SATWE两种不同力学模型的三维空间分析软件进行整体计算。采用弹性方法计算结构荷载和多遇地震作用下内力和位移，考虑 P-Δ 效应，并采用弹性时程分析法进行补充验算。
1) 框架承担的地震剪力比 x 向和 y 向地震作用下框架承担的剪力比如图 5 所示。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3—2010 第 11. 1. 5 条，各层框架应该能够承担基底总剪力 V0的 25% 和框架承担的最大剪力 Vfmax的 1. 8 倍中的较小值。25％V0为 2 767kN，1. 8 倍 Vfmax为 5 331kN。可以看到，x方向框架剪力将需要放大到 1. 8 倍框架剪力最大值。对于不满足上述条件的楼层，其框架构件的地震剪力以及地震弯矩都将乘以相应的放大系数。
2) 楼层侧向刚度 楼层的侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 70% 或其上相邻 3 层侧向刚度平均值的 80%。楼层的侧向刚度可取为该层剪力和该层层间位移的比值。在避难层及 2 层挑空位置，由于楼板缺失，2 层合并为 1 层计算侧向刚度。x，y 方向的楼层侧向刚度比如图 6 所示。
3) 楼层抗剪承载力 楼层抗剪承载力比值如图 7 所示。可以看到，在有墙体转换块的楼层，由于转换块的存在，使得该层以下楼层水平抗剪承载力与本层相比 ＜0. 8，因此其抗剪承载力有一个较大变化，结构存在薄弱层。但是通过对块体截面的调整及在块体内设置型钢，可以控制该比值 ＞ 0. 75。设计时将对薄弱层水平地震力放大 1. 15 倍，并控制块体塑性铰开展。
4) 弹性时程分析 弹性时程分析与振型分解反应谱得到的基底剪力比较如图 8 所示。
由以上时程分析结果可以看出，所有时程分析的基底剪力都不小于反应谱分析基底剪力的 65%，而且平均值不小于反应谱基底剪力的 80%，进而表明选择的时程记录满足抗震规范要求。但塔楼顶部楼层的楼层剪力在动力时程分析中的最大值约为振型分解反应谱法相应值的 1. 05 倍，可近似将振型分解反应谱法的设计内力等乘以 1. 05 的放大系数用于设计。
5) 筒体转换块分析 在核心筒低区和高区转换的位置，角部一片剪力墙进行了转换，转换结构是一个大的混凝土实心块，位于 19 层和 20 层楼板之间。为分析内墙与外墙之间的竖向荷载传递、混凝土转换体下面墙的应力和混凝土转换体的应力，采用 Strand 7 建立了转换结构的模型。单元划分采用壳单元、梁单元、八点立方形或六点楔形单元来模拟墙、梁和混凝土转换体。有限元模型仅对转换区的上、下部分进行模拟，并包含了埋入混凝土转换体的钢截面及 1%的墙体配筋率。
分析结果显示，转换块下部外墙及正下方墙最大压应力分别是 20，10MPa，低于最大允许压应力27. 5MPa。转换体中最大压应力是 6 ～ 8MPa 和最大拉应力大部分低于 2MPa，压应力低于最大允许压应力 27. 5MPa。但局部拉应力超过混凝土的抗拉强度的区域。不过考虑混凝土转换体会利用最高 1%的配筋率后，实际的抗拉强度为 4MPa，高于分析得到的最大拉应力。
5. 3 塔楼结构抗震设计加强措施
1) 根据弹塑性分析结果，底部加强部位的剪力墙和剪力墙约束边缘构件应加强配筋。
2) 控制钢管混凝土柱的轴压比在 0. 6 以内，使钢管混凝土柱具有较好的延性; 提高核心筒剪力墙的抗弯性能和延性，使核心筒具有一定的塑性变形能力，在地震作用下起到耗散地震能量的作用。在底部加强部位外围核心筒剪力墙与内部剪力墙交界处及筒体剪力墙角部等关键部位沿全高设置型钢。
3) 根据筒体转换块分析结果，将其配筋率提高到 1%。
4) 部分楼层由于楼板缺失较多，导致结构连接较弱及柱局部内力突变。计算时考虑楼板设为弹性板，以考虑真实的楼板刚度对内力分析和截面设计的影响，加厚楼板并增加配筋，并加强周边的钢梁截面以及连接钢梁与混凝土组合楼板的栓钉，并控制塔楼结构避难层大开洞楼板在多遇地震作用下小于混凝土抗拉强度的标准值，基本烈度下板内钢筋不屈服。
6 结语
本工程所包含结构类型及专项设计较多，且设计复杂，给结构设计带来诸多困难。例如，地下室超长、塔楼扭转型造型、核心筒转换及大型钢结构雨篷等，均为结构设计的关键问题。在设计方努力及其他各方协助下，攻克了各个结构设计难点，使之得到顺利合理解决。目前，本工程较预期已提前结构封顶，将成为宁波东部新城的新地标。
参考文献:
［1］ 宁波东部新城 A2-22#地块超高层建筑工程抗震设防专项审查报告［Ｒ］． 上海建筑设计研究院有限公司，2011．
［2］ 中国建筑科学研究院． JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2010．
［3］ 中国建筑科学研究院． GB50010—2010 混凝土结构设计规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社，2010．
- 相关内容推荐
- 绿色建筑思想在上海中心大厦结构设计中的体现2017-06-22
