超高层建筑—南京新华大厦上部结构设计

超高层建筑—南京新华大厦上部结构设计杨蓉观(中国联合工程公司,浙江　杭州　310022)[提　要]　介绍南京新华大厦超高层建筑的结构方案选择,超高超限所采取的措施,特别是国内首创采用核心钢管混凝土柱中庭抽柱的处理方法。[关键词]　超高层建筑;框架2筒体结构;加强层;核心钢管混凝土柱;无粘结预应力扁梁;设计[中图分类号]TU973　[文献标识码]B　[文章编号]1007-9467(2001)06-0031-04

南京新华大厦地上50层,地下2层,檐口标高173m,尖顶标高182m,其高宽比为5.58。设防地震烈度为7度。按照《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ3—91)(以下简称《高规》)的要求,其高度已经超过了筒中筒结构适用的最大高度150m,其高宽比也已超过框架-筒体结构体系的规定。已经属于超高超限的高层建筑。按规程要求,设计应有可靠依据并采取有效措施方可进行。建筑平面图详见图1、图3,剖面图见图2。一、结构方案的选择在结构方案选择时,首先,选择了筒中筒结构体系。主楼建筑高度仅比《高规》规定的150m超出了23m,只要采取一定有效措施是应该可以实现的。为了形成外筒结构,要求采用外筒密柱,根据建筑使用功能是可以做到的,柱距为4.0m,个别为4.2m。外筒上开窗洞的面积受到严格限制。该大厦四个外立面上均有外挑部分,而筒体又只能设在外柱面上,使外筒在房间内占去了很多使用空间,在建筑使用功能和美观上都不允许。为了满足建筑功能要求将洞口开大,而又要保证结构刚度和整体性,必然增大外筒的壁厚,

一方面材料耗用量增加;另一方面大大增加了结构自重,建筑物总重达到1312485kN。自重的增加又加大了地震力,

对整个结构(包括基础)的造价均将增加,经济上不合理。后来我们改用框架-筒体结构体系,并采取以下一些措施来保证这幢超高超限的高层建筑的结构安全与稳定。首先,在建筑使用功能允许的情况下,仍然保留了外密柱,柱距为4.0m和4.2m两种,而开窗洞面积不受筒中筒结构体系的约束。在10层楼面以下,由于层高较大,均在4.2～4.8m左右,因此外框边梁截面高度适当加大,梁截面尺寸为350mm×880mm,以加强底部外框柱之间的刚度。10层以上,标准层层高为3.1m,如再做这样大的外框边梁将影响

图1　一层平面图13

工程建设与设计 2001年第6期 总第170期© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图3　主楼标准层(公寓)平面图图2　A-A剖面图到室内空间的美观,建筑上不允许,我们就将梁截面高度改小与框架梁一样400mm,使室内空间开敞明亮,也比较美观。为了增加梁的刚度,适当加大梁的宽度,梁宽做到500mm。其次,在建筑使用功能允许的情况下,在主楼的四个角设置了四个L形剪力墙,墙的每边长度为5.2m。在建筑物四个角上形成四个坚强的角隅。这样既大大加强了外框柱以及整个建筑物的刚度,又可以用来抵抗因剪力滞后现象造成的建筑物角部较大的轴力,一举两得。再次,在主楼16层和30层,结合建筑避难层,设置了二个加强层。采用刚性伸臂梁,将内芯筒与外框柱连接起来,

用以减少核心筒体承受的弯矩,同时大大减少了建筑物的侧向变形,确保整个建筑物的稳定性。加强层的刚性伸臂梁可采用一层楼高度的实心钢筋混凝土大梁,或者一层楼高度的钢筋混凝土桁架二种结构形式。经过分析比较,我们认为,实心梁的优点是刚度大,加强效果好,施工简单方便。但其缺点是自重大,地震荷载也增大,对抗震不利。实心梁占用空间大,结构与建筑的矛盾大,为了使用功能,要求建筑往往在结构受力最大的部位要

开门洞,大大削弱了结构强度和刚度,降低了加强梁的加强效果。同时设备管线的安装比较困难,留孔太多也削弱了加强梁。实心梁刚度大是优点也存在副作用,易造成结构竖向刚度突变,不利于结构的抗震性能。加强桁架的优点是自重轻,地震荷载小,有利于抗震。桁架结构可留出较多空间,让建筑开门满足使用功能的要求,给设备管线的安装提供了方便,不须要预先留洞,管线布置灵活。在结构竖向刚度突变方面较实心梁为好,对于结构抗震比较有利。因此我们最后采用了钢筋混凝土桁架式和强梁。由于采用的是框架-筒体结构体系,整体刚度较小。为了增强整体刚度,除了在芯筒四角伸出刚臂梁加强外,在外框柱列上,我们也设置了钢筋混凝土桁架式加强梁,使建筑物四周一圈也得到加强,以补足外框柱列的刚度不足,来保证整个建筑物的刚度及稳定性。总体结构方案采用框架-筒体结构体系,经过采取了以上一些措施以后,我们认为是比较经济合理而且是可行的。经过电算,框架-筒体结构自重为933915kN,比筒中筒结构体系减轻了378570kN,大大降低了结构自重,降低了地震荷载,降低了整个结构(包括基础)的工程造价,取得了较好的综合技术经济指标。

二、竖向承重结构的设计特点南京新华大厦这幢超高超限的超高层建筑的结构设计按《高规》要求必须采取有效措施方可进行。为此,在竖向承重结构的设计中,我们从以下几个方面采取有效措施,来确保该大厦结构的安全性及抗震性。23

总第170期 2001年第6期 工程建设与设计© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.首先,在结构整体计算时,采用多种电算程序进行计算分析,其中包括由中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部编的TAT空间杆系薄壁柱为计算模型的高层建筑结构三维分析程序,SATWE墙元模型的计算程序以及由中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部编制的TBA多层拱三维空间分析程序。在抗震计算方面,从江苏省地震局地震工程研究所购买了专门针对南京新华大厦建设场地制作的三条人工模拟加速时程曲线,进行了地震模拟时程分析。通过以上各种计算结果,反复调整各构件的截面,使其符合规范规定的各项要求。同时按《高规》要求进行了高层建筑的稳定性和倾复验算,均满足了《高规》规定的要求。同时还验算了大厦顶层在风荷载作用下的加速度,X方向(即东西向)为0.20m/s2;Y方向为0.16m/s2。均满足上海市标准《高层建筑钢结构设计暂行规定》(DBJ08—32—92)规定的舒适度要求。公寓要求的舒适度最大加速度为0.20m/s2(因当时国家《高层民用建筑钢结构技术规程》尚未出台只能参照上海规范)。其次,在建筑材料方面,大量采用高强度混凝土。大大减少了柱子和剪力墙的截面尺寸,给建筑平面提供了更大的使用空间。在6层以下采用C60;6～12层采用C55;12～33层采用C50。剪力墙的厚度在±0.00m以下为500mm厚,±0.00m以上从400mm厚递减至250mm厚。柱子从1000mm×1000mm开始至顶部为650mm×650mm。在初步设计时,南京地区高强度混凝土强制还存在一些问题,尚未大量采用过。经我们设计单位的坚持要求下,经施工单位的努力,解决了高强度混凝土的配制困难,最后成功地大量应用了C60高强度混凝土。其三,竖向结构的布置上,除上节所述在主楼四角布置L形剪力墙以增强大楼的整体刚度和抗扭刚度外。我们在内芯筒剪力墙上,凡有框架大梁搁支处且建筑使用上也允许的地方,均设置了一个600mm×600mm的附壁柱,从下到上贯通。一方面加强了剪力墙本身的侧向刚度,对剪力墙的出平面稳定性大有好处。另一方面,通常框架梁与剪力墙的连结是一个薄弱环节,处理不好将危及整个结构的稳定性,加上该工程由于采用高强度混凝土,剪力墙的厚度很小,这个矛盾更加突出。有了这个附壁柱,有利于框架梁中钢筋可靠地锚固在剪力墙中,这就大大加强了框架梁与剪力墙的连结强度,从而增强了整个结构的抗震性能。其四,在主楼所有框架柱子中心部位埋设了<273mm×12的钢管,形成核心钢管混凝土柱。在剪力墙受力较大部位如芯筒的四个角上及主楼四角L开剪力墙内也埋设了<273mm×12的钢管。我们把这种在混凝土内部埋设钢管作为超高超限高层建筑设计的一个有效措施之一。这也是国内首创。核心钢管混凝土柱是在混凝土柱子的核心部位埋设钢管,它有很多优越的受力性能和明显的技术经济优势。首先核心钢管混凝土柱集中了型钢混凝土结构、钢管混凝土结构和普通钢筋混凝土结构的优点,同时也避免了它们各自的缺点。混凝土柱中埋设钢管和型钢混凝土柱具有同样的优点,使钢筋混凝土和型钢形成整体,共同受力,在强度和钢度上均发挥作用,可大大降低混凝土柱子的轴压比,提高柱子的延性,有利于抗震,而比纯钢结构节省钢材。核心钢管混凝土柱又具有钢管混凝土的优点,对钢管内的混凝土起到约束作用,使钢管内的混凝土处于三向受力状态,大大提高了混凝土的抗压强度和变形能力。反过来,由于钢管内填充混凝土,外面又包裹了混凝土,使钢管的抗屈曲强度和稳定性大大提高,进一步降低了柱子的轴压比,增强了柱子的抗震能力。而普通的钢管混凝土结构的缺点是梁柱连接节点复杂,受力性能也就不易保证,施工比较困难。而核心钢管混凝土柱,因为钢管设在柱子核心部位,大多数梁的钢筋可以在钢管外边通过,个别几根钢筋可在钢管上开小孔穿过,施工与普通钢筋混凝土结构一样方便,特别是我们的框架梁都是采用无粘结预应力扁宽梁,为钢筋穿通提供了更宽阔的空间。所以它又具有普通钢筋混凝土结构的优点,即梁柱节点整体性好,节点强度易于保证。由于钢管埋在混凝土内部又避免了钢管混凝土结构中钢管的表面防腐、防火的处理措施,这不仅提高了结构的耐火等级,而且节约了这些措施的费用,进一步降低了工程造价。其次,这种核心钢管混凝土柱,在截面设计时真正体现了“强剪弱弯”的抗震设计原则。因为钢管设在柱的核心部位,不会增加柱子受弯钢筋的实配面积,即不会增加柱子的抗弯能力。但是由于钢管的存在,相当于大大增加了柱的体积配箍率,进而大大提高了柱子的抗剪能力,实现了柱子截面的强剪弱弯的设计思想,大大提高了柱子的抗震性能,

以确保这幢超高超限的高层建筑具有良好的抗震特性。

三、水平承重结构的设计特点新华大厦主楼框架梁跨度为9.2m,裙房框架梁跨度为8.0m和8.3m。框架梁全部采用无粘结预应力扁宽梁,主楼框架梁高400mm,宽600mm;裙房框架梁高400mm,宽700mm。框架梁高仅400mm,给设备安装提供了空间,为建筑降低层高,减小建筑物总高度,降低工程造价创造了有利条件。框架梁内预应力钢筋采用高强度低松弛7根<5无粘结钢绞线。锚具采用OVM15系列夹片锚具,预应力度为0.65。裙房部分是商场,由于建筑功能需要,在裙房中部设置了一个16.0m×16.0m大的中庭。从±0.000层开始一直到6层楼面封顶。从6层以上一直到9层,上面还有3层楼面。在结构上也就是相应相交处的柱子,从±0.00标高开始一直到6层楼面21.30m标高为止,需要抽柱。6层楼面以上到9层楼面该柱又必须恢复。这3层楼面荷载加上7层新闻发布中心的24.0m×24.0m的网架屋面也将搁支在这根柱子上,荷载很大。为此,在6层楼面中庭处必须设置转换层及转换梁。该转换梁的选型,我们经过了受力性能、建筑使用功能和美观性等多方面的比较,开始设计时采用二根十字交叉的16.0m跨度的预应力大梁,但因上部荷载较大,