今天,环球房讯小毛就大家最近讨论的平安金融中心结构设计与研究院「深圳平安大厦设计理念」整理了以下内容,希望能够有助于您了解平安金融中心结构设计与研究院「深圳平安大厦设计理念」。

免责声明:原文来自建筑结构《平安金融中心结构设计与研究》作者:黄用军, 何远明,彭肇才等


[摘要] 平安金融中心位于深圳市福田中心区1号地块,建筑地上118层,地下 5 层,裙房 10 层,塔楼塔顶高度597m,塔尖高度 660m,是中国南部第一栋高度超过 600m 的超高层建筑。 着重介绍了从结构方案阶段开始,结构体系不断优化的历程,最终形成了巨型斜撑框架⁃伸臂桁架⁃型钢混凝土筒体的结构体系。 首先介绍了桩基工程,探讨了改善巨型框架承担剪力的方法和楼层最小剪力系数的取值;其次介绍了项目地震工程、风工程的研究成果,提出了本工程的结构设计标准及结构性能目标,该设计标准对今后同类项目的设计具有一定的参考价值;最后介绍了本工程在罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析结果,验证了工程结构的结构性能目标及其在罕遇地震作用下的安全性。

[关键词] 巨型斜撑框架; 伸臂桁架; 型钢混凝土筒体; 楼层最小剪力系数; 结构设计标准

1 工程概况

平安金融中心位于深圳市福田中心区 1 号地块、益田路与福华路西南角交汇处,如图 1 所示。 地块西侧与购物公园相邻,地块南北长约 175m,东西方向进深约 88 ~ 133m,用地面积为18931.73 m2 。该建筑地上 118 层,地下 5 层,裙房 10 层,塔楼塔顶结构高度 597m, 塔尖高度 660m, 裙房屋面高度54m,地下室基础板面标高 - 28. 5m,总建筑面积459 187 m2 ,其中地上面积377 232 m2,地下面积81 955m2 。建筑功能为办公、交易、会议、商业、观光及餐饮。 沿建筑高度方向设置 9 个分区(不包含裙房) ,4 个设备层,8 个设备/ 避难层:1 ~ 10 层为商业裙房区,11 ~ 24 层为 1 区,27 ~ 34 层为 2 区,36 ~ 47层为 3 区,52 ~ 63 层为 4 区,65 ~ 78 层为 5 区,83 ~94 层为 6 区,96 ~ 109 层为 7 区,112 ~ 115 层为 8区,115 层以上为 9 区。 其中 26,49,80,110 层为设备层,10,25,35,48,64,79,95,111 层为设备/ 避难层,50,51,81,82 层为空中大堂,典型楼层(28 层)的平面布置如图2 所示。 地块北侧福华路下为深圳地铁一号线,东侧益田路下为广深港专线。 本工程地下室与东侧广深港专线地下空间及西侧购物公园地下室之间设置连接通道。 本工程抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,地震峰值加速度为33cm / s2 ,场地土类型为中软土,场地类别为Ⅲ类。

2桩基工程

平安金融中心基础共有人工挖孔桩 167 根,抗压桩 54 根,抗浮桩 113 根。 其中巨型柱和核心筒下的人工挖孔桩桩端持力层为微风化花岗岩,桩端微

图 1 平安金融中心


图 2 典型楼层(28 层)平面布置图

风化花岗岩的单轴饱和抗压强度为 30MPa,其余桩桩端持力层为中风化花岗岩。 根据广东省标准《建筑地基 基 础 设 计 规 范》 ( DBJ 15⁃31—2003 )[1] 第10.2.4 条,桩端进入微、中风化岩层的嵌岩桩的单桩竖向承载力特征值 Ra 可按下式进行计算:Ra = Rsa + Rra + Rpa (1)

式中:Rsa为桩侧土总摩阻力特征值;Rra为桩侧岩总摩阻力特征值;Rpa为持力岩层总端阻力特征值。

本工程中的 8 个巨型柱(图 2 中外围 8 根巨型柱)桩基采用柱下单桩布置,由中心混凝土墙体围成的核心筒桩基采用墙下集中布置。 这是因为若在柱下采用多桩布置,由于巨型柱产生的冲切力巨大,桩基承台厚度需要达到 9m 方能满足承台受冲切承载力的要求。 同理,若核心筒桩基采用小直径多桩布置,桩基承台也需要很大的厚度才能满足承台受冲切承载力的要求。 这样均会导致基坑开挖深度过深,对周边环境及地铁运营造成不利影响。 塔楼桩基平面布置如图 3 所示,桩顶相对标高 - 33.2m,巨型柱下单桩桩径 8.0m,扩大头直径 9.5m,桩长约30.9m,共 8 根;核心筒墙下桩桩径 5. 7m,扩大头直径 7.0m,桩长约 20.2m,共 16 根。

本工程桩基工程设计与施工的难点是在 29 8m深的基坑内开挖深度为 35m 巨型桩的同时,要保证地铁一号线的正常运营。 桩径 8m 巨型桩的护壁厚度为 750mm, 单节护壁长度为 650mm, 桩身采用C45 混凝土,护壁采用 C45 早强混凝土。 桩基施工前,对桩周两排微型桩进行超前支护,微型桩桩径220mm,内放置 12.6 号工字钢,采用一次常压及二次压力注浆并掺入碎石。 挖孔桩开挖后,每当开挖深度超过 300mm 时,立即喷射 70mm 厚 C20 混凝土。 对巨型桩设置钢筋直径为 32mm 的钢筋笼 3道,其中 2 道设于桩周,另 1 道设于桩半径的 1 / 2处,巨型桩施工现场如图 4 所示。

直径 8m 巨 型 桩 的 单 桩 混 凝 土 浇 筑 量 约1 700m3 ,为确保其工程质量及防止大体积混凝土收缩变形,需对混凝土使用的原材料进行严格把控,如对混凝土的配合比进行了专项研究及认证。 采用ANSYS 软件对巨型桩的混凝土浇筑过程及时间效应进行了温控有限元仿真计算分析。 计算分析表明,在浇筑温度为 30℃ 的气候条件下,需增加表层

图 3 塔楼桩基平面布置图


蓄水养护措施,即在混凝土浇筑后蓄水养护30d,之后发现浇筑的混凝土表层向下0.5m 处产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度,满足抗裂要求。根据理论分析结果对巨型桩超灌0.5m,并在混凝土浇筑过程中加入冰屑:超灌的0.5m 混凝土在后期予以敲除,即能保证原设计桩长范围内的混凝土满足抗裂要求;加入冰屑可适当吸收混凝土的水化热量,降低混凝土内部温度。

3结构体系的发展与优化

平安金融中心结构体系经历了不断的发展与优化。结构方案设计初期采用了角部V 形钢支撑带伸臂桁架的筒中筒结构,外框筒由8 根钢管混凝土巨型柱、40 根钢管混凝土柱(围成外框筒)、4 个角部V 形钢支撑及钢框梁组成,空间效应好且利用效率高。外框筒承担了较大的剪力及倾覆力矩,如图5,6 所示。内筒采用型钢混凝土剪力墙结构,在设备/ 避难层设置3 道伸臂桁架。该方案存在的问题是巨型柱距离内筒较近,影响建筑室内空间的使用;周边外框筒柱柱间空间使用效率不高,且柱全部落地,对底部高度为15. 4m 的大堂的通透性造成不利

图5 方案设计初期平面布置图

影响。

随着对结构方案的深入研究,为解决上述问题,将巨型柱外移,在建筑周边巨型柱间布置2 根间距为9m 的钢柱(图2);在建筑物25 ~ 27 层,49 ~ 51层,81 ~83 层,97 ~ 99 层共设置4 道伸臂桁架;在10,11 层,25 ~ 27 层,49 ~ 51 层,65 ~ 67 层,81 ~ 83层,97 ~99 层,114,115 层设置7 道带状桁架,其中第7 道带状桁架为单层平面带状桁架,其余均为双层空间带状桁架,在设备/ 避难层设置连接巨型柱的带状桁架的目的是承托钢柱,如图7 所示。在10 层的首道带状桁架下部悬挂钢柱至4 层楼面,再用悬挂钢柱与楼面梁连接,形成底部3 层通高大空间。所有桁架构件均采用Q390GJC,带状桁架上下弦构件截面尺寸在10,11 层为H1 000 ×800 ×90 ×90,在114,115 层变为H1 000 ×500 ×70 ×70;角桁架上下弦杆截面尺寸由H1 000 × 1 500 × 100 × 100(10,11层)逐步减小为H1 000 × 1 000 × 60 × 60(114,115层);伸臂桁架上下弦杆均采用矩形管,截面尺寸由□1 000 ×1 000 × 120 × 120 变为□1 000 × 800 ×100 ×100。

此外,为了使巨型框架能承担一定的剪力,保证其能有效地形成抗震第二道防线,在带状桁架间设置型钢巨型斜撑。结构底部楼层(25 层以下)巨型斜撑截面尺寸为□1 000 × 1 000 × 70 × 70;中部楼层(27 ~49 层)为□1 000 ×1 000 ×120 ×120;51 层以上为□1 000 × 1 000 × 85 × 85,均为Q390GJC。巨型柱的形式经反复认证后确定为异形型钢混凝土柱,建筑物周边共布置8 根。底层巨型柱的截面如图8 所示,巨型柱截面尺寸:基础顶面至13 层为6 525 ×3 200,14 ~30 层为6 025 ×3 200,31 ~54 层为6 025 × 2 800,55 ~ 86 层为5 767 × 1 720,87 ~101 层为4 890 × 1 540,102 ~ 118 层为3 110 ×1 400;除节点区外,所用钢板厚度由下至上从75mm逐渐变为20mm;节点区采用Q390GJC 钢材,其余部位采用Q345GJC 钢材;巨型柱混凝土强度等级从基础顶面至68 层为C70,69 层以上为C60。

筒体从基础顶面到11 层采用带边框的钢板混凝土剪力墙结构,11 层以上在筒体角部及剪力墙相交处布置型钢。筒体平面在底部呈正方形,在83 层开始出现四角收进,在97 层变为十字形。筒体外墙的厚度从基础顶面至10 层为1 500mm,11 ~ 36 层为1 300mm,37 ~ 66 层为1 100mm,67 ~ 105 层为800mm,106 层及以上为500mm。筒体内墙厚度从基础顶面至10 层为800mm,11 ~26 层为700mm,27~36 层为600mm,37 ~66 层为500mm,67 层及以上为400mm。筒体结构的混凝土强度等级均为C60。

平安金融中心结构体系历经发展后最终优化为巨型斜撑框架⁃伸臂桁架⁃型钢混凝土筒体结构,见图9。

4结构设计中的关键问题

4.1 改善巨型框架承担剪力的方法

由于带伸臂桁架的巨型框架结构所承担的剪力较小,平安金融中心若采用这种结构形式,筒体几乎

承担全部剪力。因此,为使巨型框架承担一定比例的剪力,形成二道抗震防线,在设计过程中采用了3种方案(图10)来增大巨型框架所承担的剪力:1)将8 根巨型柱从底到顶倾斜(方案1);2)在带状桁架间设置单斜撑(方案2);3)在带状桁架间设置X 形支撑(方案3)。分析表明,采用上述3 种方案均能有效地提高巨型框架承担的剪力,经各专业协调,最终采用在带状桁架间设置单斜撑的方案2。

结构增设巨型斜撑后形成了巨型斜撑框架结构,巨型斜撑框架在地震作用下所承担的最小剪力为基底总剪力的6%。

4. 2 楼层最小剪力系数

规范[2,3] 要求:对抗震设防烈度7 度区、特征周期大于5.0s 的结构的楼层最小剪力系数为0. 012。平安金融中心结构基本周期为8.4s,为满足抗规[2]要求的最小剪力系数,采取了加大巨型柱截面、提高巨型柱型钢含钢率、增大筒体剪力墙厚度、增大伸臂桁架截面等多种提高结构刚度的方法,以期满足规范[2,3] 对最小剪力系数的要求。

将52 ~63 层以下巨型柱截面尺寸增大2 倍,巨型柱型钢(图11)含钢率增大至8%,外伸臂底部面积增大5 倍;将36 ~47 层以下筒体剪力墙厚度增大至2m,52 ~63 层筒体外墙厚度减小至800mm,65 ~78,83 ~94,96 ~ 109,112 ~ 115 层筒体外墙厚度减小至400mm,36 ~47,52~ 63,65 ~ 78,83 ~ 94,96 ~109,112 ~115 层筒体内墙厚度减小至300mm,并采用Ritz 值分析来代替Eigen 值分析,这样可得结构的前3 阶自振周期为T1 =6.951s,T2 = 6. 589s,T3= 3. 097s,此时结构的楼层最小剪力系数出现在首层,为0.012 5,满足抗规[2] 对结构楼层最小剪力系数的要求。

平安金融中心原巨型柱底部截面面积为19. 33m2,如将截面增大2 倍则截面面积为38.7m2,可以看出,仅巨型柱就占据了大量的有效使用面积,再加上筒体墙厚度的大幅度增大,大大降低了建筑的使用价值。又因平安金融中心所处场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,与相同设防烈度、不同场地类别及设计地震分组下的情况相比(如场地类别为Ⅳ类,设计地震分组为第三组),其地震作用较小,若满足抗规[2] 的最小剪力系数要求则会花费巨大。因而根据平安金融中心的具体情况,经全国高层建筑抗震审查专家研究,在适当提高结构刚度的基础上,将要求满足的结构楼层最小剪力系数定为0.010 2。


小震弹性设计时,全部楼层的楼层剪力按下式进行放大:

也即在小震弹性设计时,将底部楼层地震剪力放大到满足规范[2,3] 规定的最小剪力系数0. 012,上部楼层的地震剪力按同样倍数放大,则所有竖向构件及与之相连的梁均需放大。

4.3 地震工程研究

平安金融中心工程场地地震安全性评价由广东省工程防震研究所承担。研究结果表明,场地未发现有较大规模的断裂构造,场地附近的莲塘断裂、横岗断裂、九尾岭断裂、大埔⁃牛尾坑断裂在中更新世有过活动,但断裂的活动性较弱,同时距离场地较远,可不考虑断裂在地震时对场地的影响。

安评报告[4] 提供了建筑结构阻尼比为0.035,场地中三个不同概率设防水准下,0 ~16s 地面水平与竖向建筑结构地震影响系数曲线,其中多遇地震水平地震影响系数最大值αmax = 0. 095 1,大于抗规[2] 规定的αmax = 0. 08;多遇地震曲线下降段的衰减指数为1.072,大于抗规规定的0. 93;场地反应谱虽然在水平段高于规范反应谱,但在曲线段和直线段下降较快。抗规[2] 给出了自振周期小于6s 时建筑结构的地震影响系数曲线,平安金融中心自振周期为6 ~16s 间的建筑结构地震影响系数曲线采用与5 倍特征周期至6s 时相同的直线下降段,即沿5倍特征周期至6s 的直线下降段一直延伸至16s。由于按抗规[2] 地震影响系数曲线计算出来的结构基底剪力大于按安评报告[4] 提供的地震影响系数曲线的计算值,故在多遇地震、罕遇地震计算时均采用抗规[2] 中的地震影响系数曲线。

4.4 风工程研究

平安金融中心风工程研究由加拿大Rowan Williams Davies&Irwin Inc. (RWDI)完成,并由加拿大Alan G. Davenport Wind Engineering Group 进行独立第三方审核。RWDI 的主要工作为评估平安金融中心周围风安全性和风舒适性;预测建筑结构的等效风荷载;预测幕墙设计风压;评估塔楼(风致振动)舒适性品质。

RWDI 对平安金融中心首先进行高频天平模型试验,再进行气动弹性模型试验。根据深圳气象台35 年的逐时近地风记录,建立风气候模型,对近地面层及高层处的台风进行模拟,其中高层处的台风模拟反映了风速剖面上最先进的研究状态,近地面层模拟包括对半径600m 内详细建筑物与半径1 200m内主要建筑物的场地模拟,如图12 所示。RWDI 给出了结构阻尼比分别为2%,4% 时的等效风荷载。结构设计时采用结构阻尼比为2% 的等效风荷载,将50 年重现期的风荷载用于结构变形验算,100 年重现期的用于结构强度设计;采用结构阻尼比为1%的等效风荷载验算短回归期建筑使用阶段品质(如建筑振动加速度)。

分析后可知,平安金融中心体型下大上小,平面四角切角收进,具有良好的气动外形,结构承受的风

图12 风洞试验模型

荷载小于传统四边形平面的建筑。

5结构性能及设计标准

平安金融中心建筑工程抗震设防类别为重点设防类(乙类)。重要结构构件如型钢混凝土巨型柱、带状桁架、伸臂桁架、巨型斜撑、钢筋混凝土核心筒剪力墙的安全等级为一级,耐久性年限为100 年,结构设计使用年限为50 年;楼面梁等次要结构构件的安全等级为二级。

采用了ETABS,SAP2000,PMSAP,SATWE 软件对结构进行了整体计算分析。结构计算周期折减系数为0. 9,梁、普通柱采用杆单元模拟,巨型柱、筒体剪力墙、楼板及门洞处连梁采用壳单元模拟,考虑P⁃Δ 效应。结构第1 阶振型为沿Y 方向的平动,自振周期为T1 =8.4s;结构第2 阶振型为沿X 方向的平动,自振周期为T2 =8. 3s,结构前2 阶振型均为平动且自振周期接近,反映了建筑质量及刚度分布是均匀对称的;结构第3 阶振型为扭转振型,自振周期为T3 =3s,结构扭转振型周期与结构平动振型周期比为0.36,结构抗扭刚度良好。

关键结构构件设计及性能目标:

(1)巨型柱:采用型钢混凝土巨型柱,型钢含钢率大于等于4%,混凝土强度等级86 层以下为C70,86 层及以上为C60,抗震等级为特一级,轴压比不大于0.65。多遇地震按弹性设计,设防烈度地震按弹性设计校核,罕遇地震底部加强区按不屈服校核。

(2)带状桁架:带状桁架采用空间双层带状桁架,考虑竖向地震作用,带状桁架设计时不考虑巨型斜撑的作用[5] 。多遇地震按弹性设计,设防烈度地震按弹性设计校核,罕遇地震按不屈服校核。

(3)巨型斜撑:考虑模拟施工、混凝土收缩、徐变对巨型斜撑的影响,待主体结构施工到一定楼层之后再将巨型斜撑上端与主体结构连接。多遇地震按弹性设计,设防烈度地震按弹性设计校核,罕遇地震允许进入塑性。

(4)伸臂桁架:考虑模拟施工、混凝土收缩、徐变对伸臂桁架的影响,斜腹杆延迟连接。多遇地震按弹性进行设计,设防烈度地震按不屈服设计校核,罕遇地震允许进入塑性。

(5)筒体剪力墙:混凝土强度等级不大于C60,轴压比不大于0. 5,底部加强区采用钢板混凝土剪力墙,上部采用型钢混凝土剪力墙,在筒体角部及剪力墙相交处全高设置型钢,在部分连梁处设置型钢。核心筒底部加强区部位,多遇地震按弹性设计,设防烈度地震按弹性设计校核,罕遇地震设计满足抗剪截面控制条件。核心筒其他部位,多遇地震按弹性设计,设防烈度地震按不屈服设计校核。约束边缘构件的设置延伸至轴压比为0.25,并不低于55 层的墙肢。

6罕遇地震作用下动力弹塑性时程分析

为了解平安金融中心在罕遇地震作用下的表现,美国TT 公司、悉地国际设计顾问(深圳)有限公司、广州数力工程顾问有限公司分别采用PERFORM⁃3D,ABAQUS 软件对结构进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。考虑几何非线性、材料非线性,直接将地震波输入结构进行弹塑性时程分析(ABAQUS 采用显式积分进行分析)。地震波采用由中国建筑科学研究院提供的2 组3 向人工波和5 组3 向天然波。

由图13,14 分析可知:7 组罕遇地震波作用下结构最大层间位移角为1/177,平均层间位移角为1/237,小于规范1/100 的层间位移角限值;罕遇地震作用下大部分楼层核心筒仍承担60% 以上的楼层剪力,但在内筒与外框架之间存在强烈的剪力交换,剪力的变化幅度超过50%,内筒会在多个位置出现剪力负值,但这些位置内筒剪力的绝对值并不大,不会对剪力墙抗剪承载力造成太大的影响;剪力墙的受压损伤可归纳为连梁损伤,核心筒内较薄的剪力墙出现纵向受压损伤带, 95 层与伸臂桁架相连

图14 框架承担的地震剪力比值

的4 个角部剪力墙局部损伤,81 层核心筒收进位置局部损伤等几种典型情况,没有发现主承重墙肢出现明显受压损伤的现象,故罕遇地震作用下剪力墙抗震承载力足够;首层剪力墙的开裂仅局限在角部,未出现整片墙肢开裂的情况,统计结果表明首层剪力墙没有整片受拉的情况出现,外框架巨型柱柱脚也未出现拉力;外框架巨型柱、巨型斜撑、伸臂及腰桁架等均未出现混凝土受压损伤和型钢塑性应变,仅巨型柱混凝土在转折位置及与伸臂桁架连接位置出现局部开裂,外框架主要受力构件抗震承载力足够。

7结语

平安金融中心结构体系的设计经历了不断的发展与优化,最终形成为巨型斜撑框架⁃伸臂桁架⁃型钢混凝土筒体的结构体系,该结构体系抗震性能良好,具有良好的屈服机制,满足超高层建筑多道抗震设防的要求。结构设计历经多次研讨与论证,并借鉴了国际上优秀工程设计经验。设计过程中遇到了多种前所未有的挑战,进行了多项课题研究,这些课题的研究成果为今后同类工程建设提供了经验。

参考文献

[ 1 ] DBJ 15⁃31—2003 建筑地基基础设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2003.

[ 2 ] GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.

[ 3 ] JGJ 3—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,2011.

[ 4 ] 平安国际金融中心工程场地地震安全性评价报告[R]. 广州:广东省工程防震研究所,2009.

[ 5 ] 郭峰,黄用军,傅学怡. 平安金融中心第11 层带状桁架节点性能分析[J]. 建筑结构,2013,43(4):78⁃82.


免责声明:原文来自建筑结构《平安金融中心结构设计与研究》作者:黄用军, 何远明,彭肇才等,版权归原作者所有,本文仅用于学习分享,如涉及侵权,请联系删除!