广州东塔结构设计

日期:2017年8月04日 09:34     编辑:tjfw
一、项目概况

广州东塔(Canton East Tower)由香港周大福集团直接投资,耗资超100亿元人民币。广州东塔建筑高度530m,结构屋面高度518m,地上111层,地下5层,主要功能为五星级酒店及餐饮、服务式公寓、甲级写字楼、商业等。东塔94层配备有泳池和水疗室,顾客可体验在500米高空中游泳的感觉。
建筑顶部采取“之”字形退台设计,形成3个露天观景台:底部的办公区顶部平台在66层朝西,可以看夕阳西落;中部的国际公寓区顶部平台在91层朝东,可以看日出东方;对景观要求最高的五星级酒店平台在107层,平台完全开敞,可朝东南西面远望,既可看日出日落,又可欣赏珠江。
本工程建筑方案设计为美国KPF建筑事务所,结构设计由奥雅纳全程参与,广州市设计院负责审图及出图工作。
 
二、结构方案
 
广州东塔典型楼层平面为58.1mX58.1m,核心筒平面尺寸为32.7mX32.7m。在方案设计阶段,主要对比了筒中筒结构、巨型桁架-核心筒结构、带伸臂的巨型框架-核心筒结构和带伸臂的筒中筒结构。
 
 
四个对比方案
主要对比结论如下所示:
 
 
虽然带伸臂巨型框架-核心筒结构具有最高的造价和较大的施工难度,但由于其具备最大的楼层平面开放度、最高的空间利用效率、最灵活的幕墙设计和最好的景观可视性,因此,最终选择了此方案。
 
三、结构体系
 
带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构由钢筋混凝土核心筒、矩形钢管混凝土柱与6道双层空间环桁架组成的巨型框架、连接核心筒和巨型框架的4道伸臂桁架组成。
结构抗侧力体系
由于建筑立面收进,在酒店区,抗侧体系通过环桁架过渡为常规框架-核心筒结构体系。 
塔楼收进处处理
3.1 巨柱
 
巨型柱采用内灌C80高强混凝土的钢管混凝土柱,可提供巨大的轴向刚度,与多道伸臂桁架共同作用,有效抵抗侧向荷载产生的倾覆力矩。 
巨型柱截面
巨型柱在底部最大轮廓尺寸为3.5mX5.6m,整体采用分腔组合的形式,并在钢管壁上设置栓钉和竖向、水平向加劲板,竖向加劲板间距较大时采用对拉筋增加整体性。低区巨柱受力巨大,除了采用普通钢管混凝土柱、加劲钢管内灌混凝土之外,还在腔内配置了一定数量的钢筋,其目的为:1)提高柱的整体刚度;2)改善钢管腔内混凝土的延性;3)控制腔内素混凝土的收缩和徐变;4)提高柱的防火性能。
 
京基100也采用类似的钢管混凝土巨柱,为单腔式,中间用钢筋拉结。在施工图阶段,内灌混凝土也由C60调整为C80.目前所介绍的几个项目,有三个采用型钢混凝土巨柱(上海中心、上海环球金融中心、平安金融中心),两个采用钢管混凝土巨柱(京基100、广州东塔),大家可以对比来看(文末有超链接)。

3.2环桁架

双层空间环桁架,能有效提高外框的抗侧刚度。平安金融中心也采用类似的空间环桁架,由于巨柱截面非常大,采用桁架梁是比较经济的做法。 
 
双层空间环桁架
3.3核心筒
 
从减轻结构自重、扩大建筑使用面积、提高墙体承载力和满足抗震性能目标的要求出发,在核心筒外墙底部区域采用内嵌双层钢板混凝土组合剪力墙,采用C80高强混凝土。这些措施的采用,有效减少了核心筒外墙厚度。
 
钢板剪力墙的钢板厚度主要由重力荷载设计值的轴压比限值、大震不屈服剪压比设计要求以及整体结构的侧向刚度需求控制,并满足《高规》对钢板混凝土剪力墙最小和最大钢板厚度等构造要求。

注:1)《高规》11.4.15条:钢板混凝土剪力墙体中的钢板厚度不宜小于10mm,也不宜大于墙厚的1/152)钢板剪力墙对剪压比(抗剪截面限制条件)的影响可参考《说说结构设计中的“抗剪截面限制条件”》。
低区核心筒双层钢板剪力墙布置图
低区典型钢板剪力墙截面 
 
双层钢板剪力墙的主要构造包括如下几个方面:
1)实际设计中考虑到钢板外部混凝土的厚度为400~ 500mm,以保证钢筋的设置、施工、连接和整体性;
2)内置钢板的外皮按构造和传力要求设置栓钉;
3)钢板每隔一定距离采用横向贯通肋以增强双层钢板的整体性,同时钢材也可以降低混凝土的应力水平;
4)当贯通肋间距较大时,在纵向钢板上设置局部稳定的竖向加劲肋;
5)在楼层梁标高处和楼层中间设置水平加劲板,并保证加劲板间距不大于2.5m;
6)考虑双层钢板在墙身中部对外侧混凝土形成较大变形约束,同时作为特一级设计的剪力墙,墙身外侧分布钢筋按0.4%采用。
 
双层钢板剪力墙由于采用内埋钢板的形式,因此外墙与内墙、楼面梁与墙身等节点连接构造与普通型钢混凝土组合剪力墙类似。
 
C80混凝土的问题
 
高强混凝土具有脆性大的缺点,用在钢筋混凝土抗震结构中延性较普通混凝土差,需要采用改善措施。在广州东塔项目中,主要采用了三种措施:
1)核心筒外墙中内嵌双层或单层钢板,形成钢板混凝土组合剪力墙;
2)墙体的轴压比限值比混凝土规范降低0.05,即按0.45控制;
3)巨型柱采用多腔巨型钢管混凝土柱,钢管壁对混凝土起到有效约束作用。
另外,根据钢板混凝土组合墙体试验结果,将墙体的横向和竖向分布筋的配筋率提高到0.6%,减小钢筋间距使之不大于200mm,同时加强边缘构件配筋,高于混凝土规范要求。
 
当前规范规定:剪力墙混凝土强度等级不宜超过C60,所以,平常接触到的项目,混凝土强度等级基本不会高于C60,但《广东省高规》有所放宽,剪力墙也可以使用C60以上的混凝土,代价是要加大配筋。比如,约束边缘构件抗震等级为一、二、三级时,纵筋配筋率分别为1.6%1.4%1.2%,而对应的C60及以下混凝土,配筋率分别为1.2%1.0%1.0%
 
3.4伸臂
 
关于伸臂的布置形式,在其他的项目介绍中,已经有比较详细的讨论,感兴趣的可以参考文末的其他项目链接。
四、防火设计及施工
 
广州东塔巨柱框架结构采用八根巨柱,根据受力变化情况,截面尺寸由3.5mX5.6m逐渐减小至1.1mX2.4m。按照防火规范要求,一级耐火等级高层建筑中,柱应采用耐火极限不低于3h的不燃烧体。对于这种超大截面尺寸的钢管混凝土巨柱,常用的防火保护方法有两种:一种是钢管外壁涂刷非膨胀型防火涂料,另一种是采用金属网抹水泥砂浆作为钢管混凝土的保护层。广州东塔选用金属网抹50mm厚M5水泥砂浆(厚度根据ANSYS有限元计算分析所得)对钢管混凝土柱进行防火保护,以满足3h耐火极限的要求。同时,为保证发生火灾时核心混凝土中水蒸气的排放,巨柱的钢管壁(注意是钢管壁,与施工阶段设置在水平劲板角部的排气孔不同)按钢结构规范要求每个楼层均设置直径20mm的排气孔。
钢管混凝土柱防火层做法(50mm厚砂浆防火层)
五、核心筒超前施工的相关问题
 
核心筒墙体先行施工,外框的钢梁可采用在墙体内预埋件后连接的方式,而核心筒内的混凝土梁板结构只能采取墙内预留钢筋,后期再进行钢筋连接施工。对于板筋,核心筒施工时,板筋(俗称“胡子筋”)预留在墙体内设计标高并做好固定,将墙外水平段弯折在墙体内并紧贴模板,后期施工时将弯折板筋凿出并与楼板钢筋连接。这种方法适用于延性较大的小直径钢筋。
板筋与核心筒关系处理
核心筒施工时,梁钢筋及连接钢筋套筒预埋在设计位置并做好固定,套筒紧贴模板,并做好套筒包裹保护,后期施工时凿出钢筋连接套筒,进行梁筋连接。根据材料性能报告,在机械连接施工质量有保证的情况下,机械连接抗拉和抗剪承载力不低于整根钢筋,但是同截面施工缝存在,混凝土梁的承载能力可靠性有所降低,应该酌情增加梁配筋以弥补施工缝处抗剪和抗弯损失。 
梁筋与核心筒关系处理
由于墙体或连梁有钢骨、暗柱或配筋较密,直径困难。为避免大量植筋,设计宜考虑将不重要的框架梁进行弯矩调幅,或者按照两端铰接梁来重新设计,增大底筋,减小面筋,而增加的底筋可以根据梁弯矩包络图,将部分底筋不入支座或者在梁端搭接小直径钢筋,而小直径钢筋用构造锚固深度植筋。钢筋混凝土梁与含钢骨的墙、柱连接,其方法很多,具体可参考《钢筋混凝土梁与型钢混凝土柱节点做法
 
       植筋位置钢筋过密或者存在钢骨阻碍导致植筋深度不够,可用“大直径换小直径法”。为避免基材混凝土整体拔出破坏,植筋间距至少5d,植筋间距远大于通常的预埋钢筋间距(1.5d或30mm),导致植筋的钢筋排数多,靠近梁中性轴。故设计应复核植筋的承载力,而不是简单的等面积代换。这点需要注意,高宽比比较小的梁,纵筋配了两排或者三排时,也应复核抗弯承载力。
 
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