天津高银117大厦超高层结构分析

天津高银117大厦超高层结构分析

1高层建筑结构特点天津高新技术综合集成区域由香港高银房地产投资，位于天津市中心西南部，天津新技术工业园区。中央商务区一期工程主要由117大厦、总部办公楼、商业裙楼以及地下车库等单体组成(图1)。各单体通过地下室结构连成整体,地下室平面尺寸为264m(东西向)×368m(南北向),在地面以上各单体以防震缝分开。117大厦是一幢以甲级写字楼为主,并且附有六星级豪华商务酒店及相关设施的大型超高层建筑。总建筑面积约37万m2,建筑高度约为597m,共117层。塔楼首层~层93将用作甲级写字楼,层94~顶层将用作六星级豪华商务酒店。塔楼平面为正方形,四周边楼板局部悬挑形成建筑外轮廓,且楼层平面随着斜外立面渐渐变小,塔楼首层平面尺寸约65m×65m,渐变至顶层时平面尺寸约45m×45m。中央混凝土核心筒为矩形,平面尺寸约34m×37m,主要用作高速电梯间、设备用房和服务用房。117大厦结构初步设计由ARUP完成,华东院主要承担施工图设计。至2011年年底已完成地下室结构设计和塔楼基础筏板浇捣施工。本文主要介绍117大厦的基础设计,对基础埋深、结构嵌固端、基础筏板的冲切验算等若干问题进行探讨。2组合楼板系统本工程采用了多重抗侧力结构体系,承担风和地震产生的水平作用。该体系由钢筋混凝土核心筒、带有巨型支撑筒及巨型框架的周边结构组成了多道设防的结构体系(图2),提供必要的侧向刚度。楼板系统采用钢梁、压型钢板和混凝土组成的组合楼板系统。塔楼共设4层地下室(B1~B3层,含地下层1夹层B1M)。巨型支撑延伸至地下层1,其余抗侧力结构从上部延伸至地下室并支承于基础筏板。由于上部结构重力荷载大,基础满堂布桩时基础筏板已超出塔楼范围(图3)。基础筏板为正方形,边长86.2m,厚度6.5m(初步设计7.5m)。地下室外墙采用地下连续墙,“两墙合一”兼做基坑围护和永久使用阶段的外墙。B1层以下高度在巨柱与核心筒剪力墙之间布置翼墙,使上部传递下来的荷载更加均匀地扩散至筏板和桩基,同时增强筏板的抗冲切承载力。计算分析表明,翼墙承担了巨柱30%的竖向荷载。3建造地层的地质情况根据规范要求,当采用桩基础时,高层建筑基础埋深一般不小于结构高度的1/18。笔者认为,规范的要求是一个经验值,只要满足地基承载力、稳定性要求以及塔楼的整体抗倾覆(基底底面反力不出现零应力区)以及抗滑移要求,埋深要求可适当放松。随着今后全国各地摩天大楼(400m高度以上)的大量涌现,建造地点的场地地质情况复杂多变。在岩石地区或软土地基区域,使用功能无多层地下室要求时,如果限制基础埋深要求,其地下土方工程和基坑围护工程造价将大幅上升,且给施工带来不便。部分已建成的国内外超高层建筑的基础埋深也反映了这一趋势,见表1。验算结果表明,本工程的基础埋深可满足上述整体稳定性要求。4结构抗侧刚度的简化高层建筑为了简化计算分析过程,结构嵌固端一般取结构±0.000层(B0层)或地下层1楼面,但需满足地下室抗侧刚度大于嵌固层以上楼层抗侧刚度的两倍以上以及嵌固端所在楼层楼板无开大洞等要求。对常规高度的高层建筑,当考虑了塔楼周边一定范围地下室结构刚度或地下室外墙刚度时,容易满足上述刚度要求。但对本工程结构高度近600m的超高层建筑来说,在不考虑层高的差异因素时,要求地下室某一层的抗侧刚度达到塔楼上部结构抗侧刚度的两倍,需要增设如图3所示刚度很大的翼墙,对建筑功能有较大影响。因此,笔者认为,对于类似建筑高度的超高层建筑,结构嵌固端取基础筏板(B3层)是合理的,可适当考虑地下室周边土体的约束作用。根据地质勘察资料,考虑塔楼影响范围内X,Y两个方向的地下室外墙长度分别为162m和288m(假设地下室楼盖面内刚度无限大),地下室周边土体对各层楼面的侧向约束刚度如表2所示。将塔楼嵌固端取在B3层,分别计算B2,B1,B1M和B0层塔楼结构本身的抗侧刚度(K1),并将其与各层土体约束提供的侧向刚度(K2)相比,如表2所示(以Y向为例)。从表2可以看出,土体的侧向约束刚度与结构抗侧刚度之比的最大值为6.7%(Y向、B1M层)。土体的侧向约束刚度远小于塔楼结构抗侧刚度,无法对塔楼结构的侧向变形形成有效的约束。如果考虑土体压力在传递过程中楼盖的弹性变形,则土体对塔楼地下室结构的约束作用更小,几乎可以忽略不计。因此,本工程塔楼的整体计算模型可进一步简化,嵌固端取基础筏板顶面,且不考虑周边土体的约束作用。以上简化分析表明,对类似本工程结构抗侧刚度巨大的超高层建筑,计算模型嵌固端放在B0层是不合理的。当地下室周边土体为土质较差的软土层时,模型的嵌固端宜直接设置在基础筏板顶面(B3层)。如果周边土体为基岩类等硬土层,可适当考虑土体的侧向约束,其约束作用可通过设置一定刚度的水平弹簧来实现。5桩基方案确定概念设计阶段曾对三种桩型方案,即灌注桩、钢管桩以及矩形桩进行了研究。从设计、审批、施工可行性以及经济性等几个方面综合考虑,决定采用灌注桩方案。详细岩土工程勘察报告建议采用(10)-5或(12)-1粉砂层作为桩基持力层。因天津地区土层有明显的粉砂、粉质黏土、粉土互层的特点,采用桩侧与桩底后注浆技术以加强桩与土层之间的摩阻力和端阻力,并同时作为控制沉降的一种手段。桩基直径为1000mm,梅花形布桩,桩中心距3m,桩身混凝土强度等级C50。由于场地存在地下承压水,桩基础必须靠近地面处施工,加上持力层(10)-5/(12)-1的埋置深度较深,有效桩长76/96m的桩基入土深度达到100/120m。当地超长钻孔灌注桩的应用较少,所以对施工工艺要求较高。为此进行了上述不同桩长的两组破坏性试桩(共8根),以取得更具体的桩基设计与施工参数,从而确定最终桩基方案,试桩参数如表3所示。从试桩结果来看,除第二组试桩S4号桩在单桩竖向抗压静载试验第二循环中压至39000kN时发生破坏外,其余试桩均压至最大荷载42000kN且未发生破坏。综合两组试验试桩结果可知,单桩承载力由桩身强度控制,桩顶沉降量主要是超长桩的桩身压缩引起的,不同桩长的桩基承载力和桩基沉降差异不大。考虑施工质量的控制以及造价因素,设计最终采用层(10)-5粉砂层作为桩基持力层,桩端全断面进入持力层不小于2m。基于场地条件,考虑试桩的实际直径与设计直径相比稍有扩大和双护筒的作用,在桩基承载力取值时适当折减。塔楼上部结构荷载分布不均,核心筒区域和4根巨柱竖向荷载较大;在水平罕遇地震作用下,边桩出现拉力。基于土与基础共同作用的桩顶反力分析结果,工程桩采用三种不同纵筋配置的桩型,有效桩长均为76.5m,详见表4。在现场筏板钢筋施工时,筏板底部纵筋采用机械连接,与锚入筏板的桩基纵筋冲突较为严重,给施工速度和施工质量带来较大影响。主要有以下原因:1)桩基纵筋直径40mm,锚入筏板长度达1200m,不易弯折和避让;2)工程桩配筋量大;3)采用梅花形布桩形式,且环形分布的桩纵筋间距和分布与筏板纵筋的间距分布差异很大;4)塔楼筏板的底部纵筋配筋量达到20皮(双向),钢筋较多。因此,在超高层建筑基础设计中,桩型选择、配筋构造及布桩方式应综合考虑场地地质状况、上部荷载需求、施工可行性及结构造价因素,慎重确定。6冲切参数分析建造于软土地基地区的超高层建筑,其基础筏板一般较厚,如上海中心大厦筏板厚度6m,CCTV新台址主楼筏板厚度7m。厚度过大的基础筏板,一方面增加了基坑开挖深度,引起基坑围护造价的大幅增加;另一方面超大体积混凝土由于水化热高、配筋量大,给混凝土配比、温差控制以及钢筋施工等带来较大困难。因此,优化设计以确定合理的基础筏板厚度对造价和施工均有好处。本工程初步设计基础筏板厚度7.5m,经过优化设计后厚度减小至6.5m。由于桩基和围护施工已先期完成,因此,基础筏板底面标高保持不变(否则需接桩)。筏板面1m高差用来布置B3层的大量集水坑(集水坑深度1000mm),避免了筏板厚度由于集水坑的削弱作用需要在板底进行补强。筏板板底和板面没有任何高差变化,筏板高度内无深坑(电梯井道至B3层),工程桩等的桩头处理以及基础建筑防水层施工得以大大简化,既节约了施工周期,又确保了施工质量。基础筏板厚度一般由筏板冲切或筏板弯矩等承载力要求控制。在超高层建筑中,由于竖向构件的轴力巨大(竖向荷载或倾覆力矩作用),冲切更多占主导因素。因此,合理确定有关冲切承载力的相关参数就显得非常重要。下面以巨柱冲切为例,说明相关参数的合理取值和理解。(1)冲切有效高度根据混凝土规范规定,冲切有效高度h0应为纵向钢筋合力点至截面受压边缘的距离。笔者认为,规范h0取值对截面抗弯计算或者基础筏板配筋层数较少时抗冲切是合理的。本工程塔楼筏板底部纵筋直径50mm,共20皮(双向),纵筋高度接近2000mm,纵筋合力点至截面受压边缘距离为1000mm。如果机械地按照规范理解,冲切有效高度相差整整1000mm。从概念角度,抗冲切承载力主要是由冲切锥体混凝土的抗拉承载力提供,与配置钢筋无直接关系,另外,配置的钢筋可作为抗冲切钢筋,起加强作用。因此,冲切有效高度取h-100(h为筏板厚度)是合理可靠的。另外,柱脚的构造方式也会影响冲切有效高度。本工程巨柱柱脚采用露出式柱脚,最大限度利用了基础筏板的有效厚度,对抗冲切也是有利的。(2)冲切力归根到底,冲切力与基础筏板的设计性能目标直接相关。笔者认为,基础部分的设计性能目标与巨柱的设计性能目标保持一致是合适的,甚至可适当降低(考虑地下室嵌固作用),不宜过高要求。基于本工程塔楼的结构高度、抗震设防烈度以及特定的结构体系,巨柱的抗震性能目标为中震弹性和大震不屈服。因此,基础筏板抗冲切的性能目标能满足巨柱抗震性能目标的设计轴力即可。冲切力的确定还有几个有利因素,如冲切锥体下的桩顶反力有较大的提高潜力,地下室周边土体的约束作用可有效减小基底倾覆力矩和柱底反力以及筏板基底土反力的作用等。(3)冲切体本工程在地下室范围内巨柱周边布置翼墙,既可以有效扩大巨柱的冲切锥体的范围,又能增加抵抗冲切力的工程桩桩数,可显著提高筏板的抗冲切承载力。(4)其他措施适当提高筏板混凝土强度等级,也是提高筏板抗冲切承载力的有效措施,为了减小水化热,筏板混凝土强度可采用90d后期强度。另外,在冲切锥体范围内配置一定数量的竖向布置的柱状抗冲切钢筋,也是对筏板抵抗巨柱冲切力的有益补充。7结构刚度对棋板力学性能的影响采用《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)的等效实体深基础法对桩基沉降进行估算,考虑沉降经验系数后,竖向荷载长期效应组合下基础的最大沉降量约为160mm。按照位移协调条件,根据筏板节点对应的关系,将桩土刚度矩阵、筏板上墙体刚度矩阵叠加到筏板刚度矩阵上,求解出底板上各节点的位移,继而求得底板的内力以及桩顶反力。以下主要讨论考虑上部结构刚度对筏板内力的影响。为研究上部结构对筏板变形和内力的影响,建立了3个有限元模型,如图4所示。筏板下桩基础采用竖向弹簧模拟,弹簧刚度取7.27×104kN/m。模型中实体单元和板单元交接位置完全耦合。筏板和结构楼盖采用壳单元模拟,剪力墙和巨柱采用实体单元模拟。从计算分析结果来看,3个模型的筏板最大沉降值分别为162,132和129mm,最小沉降值分别为41,82和84mm。模型1的最大沉降值以及沉降差(不均匀沉降)是3个模型中最大的,模型2和模型3的筏板沉降曲线分布和最大沉降值差异较小。图4的筏板Mises应力图(红色最高,蓝色最低)对比也表明模型2和模型3比较接近,且核心筒区域的筏板应力比模型1小。上述3个模型的计算对比分析表明,对117塔楼的筏板沉降内力分析时,宜考虑上部结构刚度的影响。由于地下室布置翼墙,且筏板厚度较厚,考虑地下室范围的结构刚度已可以达到足够精度。目前筏板沉降分析手段有较多的计算假定,其理论依据有待进一步完善。本工程通过对塔楼基础结构进行了沉降观测、基础底板下的孔隙水压力及土压力、底板钢筋混凝土的应力应变进行监测,以准确反映建筑物的实际沉降程度和沉降趋势,分析沉降原因并验证设计参数的准确性。8大震下柱脚节点塔楼巨柱承担了近50%的上部结构竖向荷载。在水平地震作用下,由巨柱和支撑组成的外筒承担的底层剪力占基底总剪力的65%,底层倾覆力矩占基底总倾覆力矩的80%。典型巨柱在各荷载工况下的轴力分布如图5所示。巨柱是主体结构体系的关键构件之一,因此巨柱的柱脚构造设计尤为重要。巨柱柱脚的设计目标同巨柱,即中震弹性和大震不屈服。根据荷载组合分析,只有大震不屈服工况柱脚出现拉力,最大拉力值为300MN(考虑剪力墙连梁刚度退化),其余工况巨柱柱脚承担压力。一般柱脚节点构造有露出式、埋入式以及半埋入式几种。本工程采用露出式柱脚构造(图6),辅以高强锚栓系统承担大震下的拉力,主要是基于以下几点考虑:(1)高强锚栓系统(ue78875,屈服强度1080kN/m2)具有材料抗拉强度高、与筏板纵筋冲突少、方便施工的特点。(2)地下室范围巨柱与翼墙连接,巨柱的内力已有效扩散至筏板。(3)巨柱柱脚的弯矩、剪力与轴力相比,承载力要求较低。(4)巨柱为多腔钢管混凝土,钢柱脚底板可采用环板构造,巨大的轴向压力可通过混凝土直接传递至筏板。(5)露出式柱脚可充分利用筏板厚度,提高筏板的抗冲切承载力。(6)如采用埋入式,巨柱柱脚不可避免地会与筏板的顶面纵筋