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浙江智慧之门超高层结构体系分析与设计

发布于：2023-07-17 13:30:17 来自：建筑结构/结构资料库 [复制转发]

文/杨学林, 林政, 祝文畏, 郭继鑫, 任铭宇, 陈劲, 顾石磊, 韩俊

浙江智慧之门位于杭州市滨江新区，场地毗邻机场高速，远观钱塘江，对望杭州奥体中心，周边有地铁二号线及铁路穿过。定位为杭州市城市入口的门户建筑，建成后将成为杭州新地标；取义来自杭州的钱塘江的钱塘潮涌，以江水的机理来营造“门”的意向，波动、旋转、渐变、曲线，宛如两个柔软而又刚硬的躯壳屹立在钱塘江畔。旨在打造成与国际文化兼容并蓄，集办公、商务、商业、教育、生活休闲于一身的多业态、多功能标志性城市商务综合体。

▲ 智慧之门建筑效果图

▲ 智慧之门建筑结构实景图

工程概况

浙江智慧之门位于杭州市滨江区，场地毗邻机场高速，远观钱塘江，对望杭州奥体中心；是杭州城市入口的门户建筑和杭州最高标志性建筑之一，为集办公、商务、商业、教育、生活休闲于一身的商务综合体，其包括A、B、C、D、E塔楼5个单体，其中A、B塔楼为280m（62层）的超高层办公用房，其余为配套用房，设3层地下室，总建筑面积37.11万m ² 。

塔楼抗侧力体系: 塔楼采用混凝土核心筒+型钢混凝土巨柱框架+钢斜撑组合结构体系。为满足建筑无柱窗口要求，外框每边两根型钢混凝土巨柱避开角部，巨柱之间设置小柱，与单向钢斜撑在立面上形成竖向桁架；在12层及38层利用建筑避难层设有两道环桁架加强结构刚度，并将中部小柱竖向荷载转换到端部巨柱。周边的带斜撑组合框架和混凝土核心筒组成多重结构抗侧力体系，形成多道抗震防线。

塔楼重力体系: 在塔楼范围，所有的楼面梁采用两端铰接连接，典型层楼面体系采用由110mm 厚钢筋桁架混凝土组合楼板，H 型钢梁及栓钉组成的楼板体系。核心筒内的楼面体系采用150mm 钢筋混凝土板。塔楼外框架重力体系有良好的冗余度，提供足够的抗连续倒塌能力，在该体系下，无论是某根轴力柱或支撑破坏，竖向力仍可以通过支撑和桁架传递到两侧的SRC 巨柱上。

▲ 塔楼结构模型

▲ 标准层平面 ▲ 桁架层平面

▲ 塔楼斜撑环桁架立面

塔楼基础设计研究

塔楼采用桩-筏基础，桩径为900mm，桩身混凝土强度C40，桩端持力层为⑧ ₂ 圆砾层，进入持力层深度不小于7m，有效桩长约35m，桩端采用后注浆工艺。根据试桩确定单桩承载力特征值为7300kN。核心筒区域底板及巨柱承台厚度为4000mm，其余底板厚度3300mm。塔楼巨柱计算沉降量约为27mm，项目封顶时巨柱实测沉降约为18mm，与计算较为吻合。

▲ 基础沉降示意图

巨柱结构设计研究

塔楼共有8个巨柱，分别位于塔楼四个角部，巨柱混凝土强度等级为C60~C45，考虑到型钢柱吊装重量大，型钢采用分离式型钢。型钢配钢率特一级按照6%控制，一级和二级按照4%控制，配筋率小于0.8%。

▲ 巨柱截面变化示意（-3F~屋面）

外框斜撑轴力研究

塔楼周边框架设置了钢斜撑，12~13层及38~39层之间设置了环桁架，与巨柱框架和核心筒构成了塔楼的主要抗侧力体系。巨柱、斜撑和桁架组成的抗侧力体系承担了10%的剪力以及超过25%的弯矩。小震作用下，斜撑轴力中重力荷载所占比重较大，而在风荷载及中震作用下，相应侧力与重力荷载占比相近。

▲ 风荷载下斜撑轴力

▲ 小震下斜撑轴力

▲ 中震下斜撑轴力

楼板应力研究

塔楼采用多重抗侧力体系，在12~13层以及38~39层设置了环桁架。桁架楼层的上下楼板，作为联系核心筒和外围侧力体系的桥梁，将进行水平力传递，其水平力相比其余楼层明显加大。此外在单向斜撑转折处，单向斜撑所承担的重力会在角部转折处产生水平推力，这个水平推力位于对称的角部，需要通过楼板和核心筒来相互抵消。

巨柱、斜撑和环桁架关键K形连接节点研究

风荷载及地震作用下混凝土应力均小于抗压强度设计值27.5MPa，钢构件仅在个别应力集中点出现较大应力，应力基本在100~300MPa间，小于强度设计值360MPa，构件处于弹性阶段。

▲ K形节点位置及三维模型示意图

塔楼全过程施工模拟及内力分析

采用混凝土收缩徐变模型CEB-FIP（2010），分别建立施工完成时、施工完成后半年、施工完成后两年、施工完成后十年、施工完成后二十年的对比模型。

墙、柱顶部和底部变形值较小，而最大处在中间层附近，总体成鱼腹形，主要是因为在模拟施工过程中考虑了施工找平对墙柱变形差异的影响。墙柱变形差异最大约为12mm，柱位移突变处为柱截面突变楼层。墙柱的变形差异也和柱的刚度相关，柱刚度越大差异变形越小。

▲ 墙柱变形差异

墙柱的最终变形由三部分组成：徐变、弹性变形和收缩变形。随着时间的推移，墙柱的总压缩变形在增长，二十年后相较于刚刚施工完成时的总压缩变形，墙柱分别增长了79%和59%。随着时间的推移，徐变和收缩变形占比越来越大，而弹性变形占比越来越小，刚刚施工完的弹性变形和二十年后的弹性变形几乎没有变化，弹性变形在混凝土初期阶段已经完成，后期的变形主要是徐变和收缩引起的，二十年后徐变和收缩变形占总变形的比例分别约为60%和52%。

随着时间的推移，斜撑的内力不断增长，二十年后较刚刚施工完毕时增长了约25%~32%。因此在超高层带斜撑的项目中，应当充分考虑斜撑的内力增长，钢构件的应力比应当留出充足的余量。

▲ 钢斜撑内力随时间变化

从整个施工过程和后续使用过程中，巨柱混凝土部分和型钢部分虽然共同受力，但是其轴力占比却随着时间变化而变化。楼层盖到64层到施工完成的突变是因为施工完成投入使用，使用活荷载增加。巨柱中的型钢轴力占比持续增长（橘色部分），因为混凝土收缩徐变导致轴力往型钢中转移。投入使用二十年后型钢部分较刚施工完成投入使用时的轴力，增长了约20%。