国内原创最高建筑438m武汉中心塔楼结构设计

国内原创最高建筑438M武汉中心塔楼结构设计1工程概况武汉中心（图1）位于武汉市汉口城区，是在王家墩机场搬迁原址上规划建造的武汉市“新心脏”王家墩中央商务区内第一座地标性建筑。该建筑仿佛迎风张满风帆的航船载满希望与力量，在经济的浪潮中乘风破浪勇往直前。寓意着武汉中心作为黄金水道的旗舰，引领新时代武汉经济的发展繁荣。华东建筑设计院承担了武汉中心的全部专业的全过程设计，是目前在建的且由国内设计院原创的最高超高层项目，预计2015年竣工。图1效果图武汉中心含总高度为438M的88层塔楼和高225M的4层裙楼，地上建筑面积约26万M2，地下室34层，建筑面积约8万M2。塔楼功能包括办公、公寓、酒店、观光，裙房为商业和酒店配套设施，办公层层高44M，公寓、酒店层层高42M，设备/避难层层高63M和66M，功能分区剖面见图2。图2功能分区剖面武汉中心也是华中地区最“绿”的超高层建筑，这个“绿”体现在其先天的设计优势、高效的运营策略，让武汉中心可以实现单位建筑面积极低的能耗、水资源消耗、材料资源消耗以及碳排放。2基础与地下室设计塔楼地下室埋深约22M，采用桩筏基础图3。桩型为直径1000MM的旋挖成孔灌注桩，有效桩长约46M。桩端以微风化泥岩为持力层，入岩深度按桩顶计算反力需求区分为核心筒区域的30M（桩A）和其他区域的15M（桩B）。图3基础平面示意由于群桩在筏板下已基本满布，在核心筒周边区域的弯矩和剪力均已超过筏板承载能力，通过设置“井”状翼墙提高筏板刚度，从而调整桩反力的均匀度和力传递途径。翼墙的高度为整个地下室高度。基础桩顶最大沉降计算值为58MM，设计时按最大变形60MM的不利情况计算筏板弯曲内力。3上部结构体系武汉中心塔楼大屋面标高为3939M，其抗侧力体系为巨柱框架核心筒伸臂桁架体系（图4）。该体系由三个部分组成部分楼层内置钢板或型钢的钢筋混凝土核心筒、设置6道环带桁架加强层的由钢管混凝土柱和钢梁形成的巨柱框架、连接核心筒和巨柱框架的3道伸臂桁架。大屋面以上核心筒继续上升至410M，并与其上之钢结构共同构成塔冠结构，达到438M的最高点。图4结构抗侧力体系核心筒混凝土强度等级为C60，巨柱混凝土强度等级为C70C50，巨柱钢管及楼面钢梁采用Q345B钢，伸臂桁架、环带桁架以及钢板剪力墙采用Q390GJC钢。4结构主要特点41大直径钢管混凝土柱的使用该结构体系的框架在层66楼面及以下区域为每边4个共16个巨柱（柱距945M），在层66楼面以上为每边2个共8个巨柱（柱距2835M），均采用了钢管混凝土柱（CFT柱），见图5。建筑沿高度曲线外鼓的轮廓在层64楼面以下通过柱截面偏心收小配合楼层外挑实现，层64楼面以上以约2的柱内倾实现。图5典型结构平面42内置钢板剪力墙的使用在层12楼面以下区域采用了内置单层钢板的混凝土钢板组合剪力墙（图6（A），层12楼面以上核心筒角部设置了型钢钢骨。图6组合剪力墙墙内钢板表面设置了抗剪栓钉用以协调其与外包混凝土的变形，并将被钢板分隔开的两侧混凝土拉结成一体；左右相邻钢板分幅间的连接采用高强螺栓；钢板部分位置开孔供箍筋穿过（图6（B）。43伸臂层与加强层的设置本工程共布置有3道伸臂桁架，每道为2层高，分别位于层3132，层4748，层6364，另在上述伸臂所在楼层和层18，86布置了环带桁架加强层，环带桁架高度均为1层。下部2道选择了双斜杆K形布置，上部1道为单斜杆形，布置示意见图7。图7伸臂桁架与环带桁架的空间布置形式44上部转换次结构塔楼层66楼面以上外框柱由下部的16个减少为8个主结构柱，每边2个主结构柱间，在层66和层8687间分别设置跨度为2835M的箱形转换钢梁和兼做环带加强桁架的转换桁架，以支承层6886的次结构框架（图8）。图8顶部主次结构示意45核心筒的转换根据建筑功能的要求，核心筒的角部在酒店区域被切去约28M，形成切角的方形筒体，此处的转换通过层6466间3个层高的平缓斜向过渡实现；在层78处，切角后的核心筒外墙整体向内退进500MM，上部剪力墙在此处将向下方延伸1层，完成类似于搭接的转换（图9）。图9核心筒转换46塔冠塔冠是构成武汉中心顶部形象的点睛部位，以支承于伸出大屋面的核心筒剪力墙的4榀中间主桁架和立于大屋面的二组端部立体桁架为主要受力构件，与腰部环带桁架、顶部环带桁架共同构成空间桁架，支承周边的玻璃幕墙和其他围护系统（图10）。图10塔冠结构5关键节点设计研究51大直径钢管混凝土柱构造及梁柱节点工程所用钢管混凝土柱最大直径达3000MM，远大于常用CFT柱的尺寸。设计采用的柱构造如图11所示，其中环板是传递剪力的最主要途径，栓钉、T形纵肋和内置的低配筋率钢筋笼对减小混凝土环向收缩和纵向徐变可能的不利影响都有正面效果。图11大直径钢管混凝土柱构造研究发现，梁柱节点加劲板的尺度更应与框架梁而不是柱相关，通过在梁翼缘宽度对应的加劲内环板范围设置封头端板，可将翼缘的轴力通过相接触的混凝土扩散、传递至钢管混凝土柱整体，而不是仅仅靠环板的宽度传递至外钢管，从而有效提高梁端的弯曲约束刚度。最终梁柱节点构造见图12。图12柱钢框架梁节点52伸臂桁架与核心筒相连节点两个方向的伸臂桁架交汇于核心筒角部，该处的应力集中，构造处理困难。对两种不同的构造方式进行了试验研究，一种为伸臂杆件的翼缘于核心筒边收窄，然后埋入墙内，双向伸臂相交处采用实心锻件（图13），此为传统单向伸臂桁架做法的变体；另一种是将伸臂杆件宽度调整至与核心筒外墙同宽，伸臂杆件的翼缘板直接伸进核心筒并外包于墙体的内外两侧，伸臂高度范围的核心筒角部墙体也全部采用钢板外包（图14）。两种方式伸臂杆件的腹板均不伸入墙中。综合考虑墙厚、墙配筋等因素，下部2道伸臂采用内埋式，上部1道采用外包式。图13伸臂内埋式图14伸臂外包式6振动台试验按照140的缩尺比例制作了结构缩尺模型并进行了振动台试验，振动台模型见图15。图15振动台模型6度多遇地震试验阶段，模型总体无明显晃动，部分地震波工况结束后产生轻微的共振现象。6度设防地震试验阶段，模型在地震波作用下上部晃动明显，中下部反应不明显。6度罕遇地震试验阶段，模型中上部有明显动力反应，7度罕遇地震试验阶段，模型在振动过程中出现了较为明显的高阶振动形态，模型整体伴有轻微的“咔咔”声。在经历7度罕遇地震后，核心筒墙体未见明显破坏，见图16（A），（B），模型环带桁架部分腹杆有屈曲现象，见图16（C），（D），经判断，腹杆屈曲是由于模型在6度罕遇和7度罕遇地震试验阶段有明显的扭转效应造成的。图16试验现象采用ETABS和ABAQUS软件针对试验缩尺模型建立有限元模型，有限元结果与试验实测结果对比显示，数值模拟分析结果与振动台试验结果基本一致，具有相似的规律性。（以上根据本刊所刊发的文章整理，欢迎分享到朋友圈，转载务请注明“转自建筑结构杂志微信”，违者必究。）更多内容详见建筑结构杂志刊发的两篇文章2012年第5期，文章题目武汉中心塔楼结构设计，作者周健，陈锴，张一锋，施红军，汪大绥，周建龙，季俊杰，赵静，王洪军，姜东升，吴江斌，方锐强，蒋科卫