華潤深圳灣總部大樓采用密柱外框筒+勁性鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系，有效滿足了該超高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。
華潤深圳灣總部大樓異形建筑結(jié)構(gòu)計算主要采用ETABS軟件，其中梁、普通柱采用桿單元，樓板、墻體及巨柱采用殼單元。
整體結(jié)構(gòu)性能
模態(tài)分析
第1，2階為結(jié)構(gòu)45°方向平動主振型，第3階為扭轉(zhuǎn)主振型，第15階為豎向主振型，第1扭轉(zhuǎn)周期/第1平動周期=3.380/8.530=0.396<0.85，滿足規(guī)范的要求。
模態(tài)信息表
剛重比
因在樓層高度331.5m至393m高度處存在塔冠;分別考慮有無塔冠的整體計算，無塔冠模型質(zhì)量計入混凝土頂層樓面，剛重比如表1所示。
表1剛重比
其中G=1.2恒載+1.4活載，為重力荷載設(shè)計值，如上表1可見剛重大于1.4，小于2.7，因此結(jié)構(gòu)整體第二十五屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文2018年穩(wěn)定性滿足要求，但需考慮重力二階效應(yīng)影響。
大層間位移角
表2大層間位移角
小震反應(yīng)譜作用剪重比
剪重比=本層剪力/本層及本層以上總重力荷載代表值，如圖1所示。底部樓層剪重比1.18%，少數(shù)樓層的剪重比略小于1.2%，滿足規(guī)范的要求。
圖1 剪重比
小震反應(yīng)譜作用內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)剪力分配
小震反應(yīng)譜作用下內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)樓層剪力分配如圖2所示。5層以下外筒為交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，有較大的抗側(cè)剛度，承擔(dān)剪力約占同層總剪力的15%，占基底總剪力約12%;5層以上外筒承擔(dān)剪力約占同層總剪力的4%~20%，占基底總剪力3%~7%。
a（X）方向小震 b（Y）方向小震
內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)層剪力分布曲線
小震反應(yīng)譜作用內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)傾覆彎矩分配
小震反應(yīng)譜作用下內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)樓層傾覆彎矩分配如圖3所示。外框結(jié)構(gòu)承擔(dān)的傾覆彎矩占總傾覆彎矩的15%。
內(nèi)筒外框結(jié)構(gòu)層傾覆彎矩分布曲線
抗震性能指標(biāo)
內(nèi)筒底部軸壓比0.5,內(nèi)筒在中震作用的標(biāo)準(zhǔn)組合下僅高區(qū)局部樓層出現(xiàn)全截面受拉的情況，但是拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，可以滿足預(yù)定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。工程主要由風(fēng)荷載組合和中震作用組合控制，外框柱大應(yīng)力水平0.85fy，外框梁大應(yīng)力水平0.70fy;塔冠外側(cè)交叉網(wǎng)格大應(yīng)力水平0.65fy，水平環(huán)桁架大應(yīng)力水平0.55fy。
對工程進(jìn)行動力彈塑性分析的結(jié)果表明:
外框鋼柱保持彈性，外框架鋼梁除與頂部錐形網(wǎng)殼相連部位的局部出現(xiàn)輕微的塑性轉(zhuǎn)角外，其它均保持彈性;
頂部錐形網(wǎng)殼豎向構(gòu)件均保持彈性，部分鋼梁出現(xiàn)了塑性轉(zhuǎn)角;
核心筒墻體混凝土壓應(yīng)變普遍不高，基本保持在混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的線性階段,加強(qiáng)區(qū)及斜墻位置的墻體開洞雖有應(yīng)力集中，但混凝土壓應(yīng)變都不大，不會超過混凝土的峰值壓應(yīng)變，頂部墻體由于要承擔(dān)頂部網(wǎng)殼在地震作用下的水平力，且墻體存在收進(jìn)的情況。
因此在局部與樓板相連位置出現(xiàn)混凝土超過極限應(yīng)變的情況，設(shè)計中進(jìn)行局部加強(qiáng)，同時對傳遞剪力的樓板予以加強(qiáng);連梁在罕遇地震作用下充分進(jìn)入塑性，起到耗能減震的作用，同時能夠滿足耗能構(gòu)件中度破壞，部分嚴(yán)重破壞的性能目標(biāo)。
結(jié)構(gòu)專項(xiàng)分析
高位斜墻收進(jìn)區(qū)受力分析
核心筒在高區(qū)L48-L50層采用斜墻收進(jìn)，針對該部位的受力和傳力進(jìn)行了詳細(xì)分析，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。在豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用下核心筒墻體所受的水平拉應(yīng)力大值為1MPa，豎向壓應(yīng)力為1.5MPa，小于混<2.64Mpa混凝土開裂應(yīng)力，墻體水平向不會開裂。
中震荷載作用標(biāo)準(zhǔn)值下，除了墻體與連梁相交處有水平集中拉應(yīng)力約為5Mpa，如圖4所示，其余大部分約為1.5Mpa<2.64Mpa混凝土開裂應(yīng)力，實(shí)際設(shè)計時連梁內(nèi)設(shè)置鋼板并深入墻肢一定深度用以抵抗拉應(yīng)力;墻體在中震作用下，豎向拉應(yīng)力約為3Mpa，局部大值約為5Mpa，但疊加豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值后，豎向基本無拉應(yīng)力。
在中震彈性組合工況作用下，由于墻體本身在豎向力及中震的應(yīng)力水平并不高，設(shè)計壓應(yīng)力約為13~16Mpa，小于混凝土受壓承載力，設(shè)計拉應(yīng)力1~2Mpa，小于鋼筋混凝土的等效受拉承載力，因此可以滿足中震彈性的承載力性能目標(biāo)。
圖4 墻體水平應(yīng)力云圖(中震作用標(biāo)準(zhǔn)值)
在豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用下樓面梁板的傳力路徑如圖5所示，核心筒內(nèi)混凝土梁拉力為335kN(約1.4Mpa)少于混凝土開裂應(yīng)力，水平樓面鋼梁應(yīng)力值約為6Mpa遠(yuǎn)少于鋼材設(shè)計應(yīng)力。
L50層核心筒外樓板在與核心筒交界處拉應(yīng)力，約為1Mpa，其余區(qū)域拉應(yīng)力很小，核心筒內(nèi)樓板的壓應(yīng)力約為1.5Mpa;L48層核心筒外樓板的壓應(yīng)力約為0.5Mpa，核心筒內(nèi)樓板的拉應(yīng)力約為1.8Mpa，均可滿足設(shè)計要求。
圖22L48-L50層斜墻收進(jìn)區(qū)域傳力圖(1.0恒載+1.0活載)
典型外框偏心節(jié)點(diǎn)分析
由于建筑要求室內(nèi)做到無柱的效果，結(jié)構(gòu)外框梁柱節(jié)點(diǎn)采用全偏心的節(jié)點(diǎn)連接形式，即外環(huán)梁與外框鋼柱連接時，外環(huán)梁位于鋼柱的內(nèi)側(cè)，典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造分解圖如圖23所示。
典型偏心節(jié)點(diǎn)構(gòu)造分解圖
該偏心節(jié)點(diǎn)與常規(guī)中心梁柱節(jié)點(diǎn)相比，環(huán)梁偏出外框鋼柱的范圍，節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造需要針對此特殊的建筑條件進(jìn)行設(shè)計。
需要考慮的主要問題有：1)偏心節(jié)點(diǎn)可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力分布不均勻，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計應(yīng)確保各板件之間的連續(xù)性，如圖5所示，鋼柱伸出牛腿并使用折形水平加勁板局部加大節(jié)點(diǎn)，以保證構(gòu)件的可靠連接，有限元分析表明如圖6所示，大震不屈服的工況作用下節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力分布相對均勻，應(yīng)力集中區(qū)域較小，可以滿足等強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計要求;
典型節(jié)點(diǎn)大震不屈服工況下應(yīng)力云圖
2)由于梁偏心布置，梁對柱的約束條件與常規(guī)中心梁柱節(jié)點(diǎn)有所不同，需要對此偏心節(jié)點(diǎn)對柱的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[3]，采用殼單元模擬構(gòu)件及樓板，第一屈曲模態(tài)圖所圖7所示，偏心節(jié)點(diǎn)的連接構(gòu)造不會引起柱的板件局部失穩(wěn)，屈曲形態(tài)仍為整柱的的失穩(wěn);
局部全殼模型第一屈曲模態(tài)
3)由于塔樓全樓節(jié)點(diǎn)均采用此偏心節(jié)點(diǎn)，而偏心節(jié)點(diǎn)與常規(guī)中心節(jié)點(diǎn)相比，節(jié)點(diǎn)剛度有所削弱，故在塔樓的整體分析時，需要考慮節(jié)點(diǎn)剛度對塔樓整體指標(biāo)的影響,依次調(diào)整節(jié)點(diǎn)6個自由度的剛度，分析表明，除了繞梁柱平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動自由度外，節(jié)點(diǎn)的其余5個自由度與完全剛接節(jié)點(diǎn)相比，對整體指標(biāo)(周期、位移)折減約在2%以內(nèi),可忽略這5個自由度的影響，設(shè)計中對整體指標(biāo)計算考慮梁柱平面內(nèi)轉(zhuǎn)動自由度剛度退化，對構(gòu)件驗(yàn)算中則考慮節(jié)點(diǎn)完全剛接以吸收更大的水平力。
外環(huán)梁的軸力
塔樓體型為曲線，結(jié)構(gòu)分析表明，外環(huán)梁在豎向力標(biāo)準(zhǔn)作用下的軸拉力發(fā)生在頂部和底部的折型外環(huán)梁上，其中頂部軸力接近300kN，底部軸力軸拉力接近500kN，中部外環(huán)梁受拉樓層的環(huán)梁拉力較小，外環(huán)梁設(shè)計時需要考慮軸力產(chǎn)生的應(yīng)力比。
減振阻尼器研究
本項(xiàng)目采用伸臂阻尼器系統(tǒng)(粘滯阻尼器的一種)，這種阻尼器體積小，出力較大，占用空間少，為了安裝油阻尼器，在47-48層特別設(shè)置了8道伸臂，阻尼器布置在伸臂桁架與框架柱的連接節(jié)點(diǎn)處，利用柱和伸臂端部相互錯動時產(chǎn)生的豎向變形差使阻尼器具備足夠的行程，從而提供阻尼力，如圖8、9所示。
伸臂阻尼器平面布置示意
伸臂阻尼器立面示意圖
本工程對剛臂阻尼器布置的樓層數(shù)量進(jìn)行了分析，在有可能設(shè)置伸臂阻尼器的樓層(機(jī)電/避難層)62、47~48和23~24層三處進(jìn)行不同的組合布置。如表7所示，在只布置一道伸臂阻尼器的情況下，布置在47~48層效果優(yōu)，加速度峰值可控制在15milli-g;如果設(shè)置兩道以上的伸臂，效果不會隨伸臂的增加而成比例增加，加速度峰值僅比一道伸臂阻尼器略微減少，因此采用采用一道伸臂阻尼器方案。
表7風(fēng)荷載作用下伸臂阻尼器的減振效果
華潤深圳灣中心從方案到施工圖設(shè)計，歷時兩年多，經(jīng)過超限審查委員會多次論證，和顧問單位、建筑專業(yè)的多次溝通討論，在結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、抗震性能目標(biāo)、節(jié)點(diǎn)形式和核心筒收進(jìn)等各方面不斷改進(jìn)與完善，完成設(shè)計，并于2017年底主體峻工通過。
工程設(shè)計研究主要成果如下：
(1)通過斜交網(wǎng)格在高區(qū)和低區(qū)加強(qiáng)形成密柱外筒，是可靠的二道防線，與勁性筋混凝土核心筒共同工作形成筒中筒的結(jié)構(gòu)體系，是有效的多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)
(2)核心筒在高區(qū)采用新穎的斜墻收進(jìn)方案，即滿足了建筑的使用功能，也保證了結(jié)構(gòu)傳力的安全有效性，避免了剛度的突變。
(3)通過節(jié)點(diǎn)和整體有限元精細(xì)分析提出了新型外框鍽心節(jié)點(diǎn)，摸清了偏心節(jié)點(diǎn)受力性能和對整體結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)現(xiàn)了建筑的無柱空間要求。
(4)分析了曲線型體型導(dǎo)致環(huán)梁產(chǎn)生的軸力，并在環(huán)梁設(shè)計考慮軸力產(chǎn)生的應(yīng)力。
(5)比較分析了伸臂阻尼器數(shù)量對舒適度的影響，根據(jù)塔樓的實(shí)際情況選用經(jīng)濟(jì)有效的一道伸臂阻尼器形式。
(6)此外通過不同材料阻尼比的影響、樓板局部有限元分析、樓板剛度退化影響分析、交叉柱節(jié)點(diǎn)有限元分析、抗連續(xù)倒塌分析、屈曲穩(wěn)定分析、凝土長期收縮徐變和結(jié)構(gòu)抗震動力彈塑性分析等計算分析，有力地保證了工程的安全性、合理性。
