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宝安公共文化艺术中心结构设计专篇（二）

上期（点击了解）为大家介绍了宝安公共文化艺术中心基础及地下结构设计，本期继续为大家介绍地上部分。

5.地上部分结构设计

本项工程地上部分塔楼主要作为展览厅使用，其中低区（5层以下）为艺术馆，中区（6~9层）为美术馆，高区（10层以上）为博物馆，塔楼共16层，总高105.5米，属于A级高度高层建筑，为满足建筑功能需要，除四个落地剪力墙核心筒外再无其它竖向构件，核心筒间存在大跨（最大29.4m）展区，周边存在大悬挑（最大13m）外廊。

5.1本工程主要特点

本工程建筑效果图及建筑存在的主要特点详见下图所示：

建筑效果图及主要特点

本工程建筑塔楼高105.5m，建筑平面宽尺寸66x80m，竖向构件由四个落地剪力墙核心筒组成，单个核心筒平面尺寸为7x19m，核心筒双向间距分别为29.4m和16.8m，中部不设其他竖向构件以实现建筑大空间，核心筒周边有10~13m大悬挑楼面。结构楼面采用钢结构体系，侧面部分幕墙由于楼板的缺失采用悬挂设计。

5.2结构解决方案

针对以上主要建筑特点，密切结合建筑使用功能，结构拟采用如下解决方案：

1）针对混合结构体系的措施

本项目竖向承重由四个落地剪力墙核心筒组成，楼面采用钢结构体系以解决大跨大悬挑问题，为保证混凝土墙与结构楼面的协同工作，提高结构整体刚度，在四个核心筒角部均设置型钢混凝土端柱，与剪力墙面内方向均设置贯通的箱形截面主梁。

2）针对大跨楼面的措施

由于建筑功能的需求，核心筒之间需要形成无柱大空间，最大楼面跨度接近30m，采用钢结构是比较有效的解决方法，通过设置合理的板跨，可以将梁高控制在1300以内，尽量减少对建筑空间的影响。对于大跨楼面的应对措施如下：

• 大跨钢梁应尽量连续并向外延伸以做到刚接，提高结构刚度，减小竖向变形，改善楼板舒适度，同时使钢梁受力更加合理，充分利用钢材强度；

• 采用钢筋桁架楼承板，并适当加厚楼板，提高楼面竖向刚度；

• 对于变形较大区域采用双向受力体系

3）针对大悬挑楼面的措施

由于建筑功能的需求，大悬挑部位无法通过上部悬挂或加设支撑的方式实现，只能通过钢梁悬挑，针对此情况，对悬挑部位进行如下加强：

• 悬挑尤其角部应采用双向受力体系（井字梁布置）以提供额外的传力路径和整体刚度，具体详下文楼面钢梁布置图；

• 确保楼面钢梁的冗余度，极限承载力状态下不应考虑楼板作用，钢梁应具备足够的承载力以抵抗所有竖向荷载；

• 悬挑部位楼板将会存在较大拉应力，应对楼板进行加厚并设置额外的抗拉钢筋，必要时设置后浇带以释放自重作用下的拉应力，避免因楼板开裂造成悬挑部位刚度退化。

  4）针对外围悬挂幕墙的措施

本项目部分楼面侧悬挑部位由于有跨层楼梯且与外围幕墙完全分离，导致侧面多片幕墙在跃层范围内无法与楼板直接相连，拟采用如下方案解决：

• 幕墙自重通过最上部楼层悬挂解决，这只需要将最上部楼层外围钢梁做强即可；

• 在满足建筑要求的前提下对幕墙格栅加设面外支撑，幕墙风荷载由自身格栅传递至支撑进而传递给结构楼面；

• 格栅自身在风载作用下也是大跨大悬挑结构，拟采用与楼面梁相同的双向受力体系来控制风载作用下的变形。

综合上述主要解决措施，最终得出结构解决方案整体模型详见下图所示：

结构整体模型示意图

5.3结构体系介绍

5.3.1 竖向承重体系

1）竖向承重体系简介

由于建筑功能上的要求，本项目竖向承重体系由四个落地剪力墙核心筒组成，整个楼面直接与核心筒搭接，重力荷载主要通过楼面梁板体系直接传递至落地核心筒。

核心筒墙体

楼面梁体系

典型楼面梁布置

2）竖向构件选型

根据建筑方案要求，本项目除落地核心筒外无其他竖向构件，结构体系为剪力墙结构。核心筒采用钢筋混凝土，因为其刚度大，造价相对较低，且可以实现与钢结构楼面的有效连接。

5.3.2 水平抗侧体系

本项目主要抗侧体系为四个落地钢筋混凝土核心筒，与核心筒墙体面内相连的主钢梁采用刚度较大的箱形截面，核心筒角部均设置型钢混凝土端柱与楼面主钢梁实现刚性连接，提高四个核心筒之间的整体作用，进而提高结构整体抗侧刚度。

5.3.3楼面结构体系

本项目塔楼楼面体系采用的是常规的梁板体系，其中楼面主梁采用的是箱形型，次梁采用H型钢，其与核心筒间均为刚接接连接。本项目楼板拟采用钢筋桁架楼承板，与钢梁一并共同作用形成组合楼盖体系，其施工便捷且能较好的满足承载力要求。由于本项目的大跨大悬挑，钢梁截面较高，为解决建筑走管问题，在不大幅降低钢梁刚度的前提下采用腹板开孔梁，同时可以减少自重，节约钢材。钢筋桁架楼承板做法及腹板开孔梁详见下图所示。

钢筋桁架楼承板

5.4结构初步设计

1）主要结构构件截面及材料

根据现有建筑条件，建立合理的有限元空间计算模型，进行了详细的方案阶段初步设计计算工作，现阶段结构构件截面尺寸及材料强图详见下表所示：

• 结构初步设计计算结果

• 模态计算结果：

由模态计算结果可知，整体结构振型呈现出平扭的变化规律，扭转周期比为0.54小于规范0.9的限值要求。

• 层间位移角计算结果

地震作用下层间位移角计算结果 风荷载作用下层间位移角计算结果

上图显示，在风及地震作用下楼层最大层间位移角均满足规范要求。控制工况为地震工况，在地震作用下两个方向的层间位移角比规范限值要小，结构抗侧刚度存在一定富余。位移角曲线在竖向变化均匀，说明不存在刚度突变。

• 楼层刚度比计算结果

楼层刚度比计算结果

上述结果表明整体层刚度比完全可以满足规范限值要求，其中个别层由于楼板开洞及主梁构件截面的变化会有稍微的波动，但结构总体上能保证结构的刚度较平稳过渡。

• 其他主要计算结果

由上表计算结果可知，结构刚重比两个方向均大于2.7，因此本项目可不考虑p-△效应；查看位移比结果可知，Y向负偶然偏心地震作用工况下底部个别楼层位移比略超1.2，最大出现在1层，为1.23，其它地震工况下所有楼层位移比均可控制在1.2以内，满足广东省高规限值要求；另外其余各项指标基本均能满足规范限值的要求，因此本工程结构方案具有可行性。

• 超限判断

本项目属于A级高度高层建筑，根据《广东省超限高层建筑工程抗震设防专项审查实施细则》，存在1.5项一般不规则项如下，无需进行抗震设防专项审查。

• 剪力墙中震验算

本项目的竖向及抗侧体系均由四个落地核心筒承担，因此应充分保证四个核心筒在中震下的性能，本项目核心筒性能目标拟定为C，即在中震下剪力墙应做到抗剪弹性，正截面不屈，同时应控制墙内拉应力水平。采用PKPM对剪力墙进行了中震下的验算，结果如下。

核心筒及墙肢编号

1）剪力墙中震抗剪弹性

下图贴出了底部加强区两层剪力墙的中震弹性验算结果，由图可知，在中震作用下剪力墙可以做到抗剪弹性，剪力墙水平配筋基本上仍然是构造配筋，只有一片墙的水平配筋略有增加，下图中有显红构件是因为正截面配筋过大。

T1（一层） T2（一层）

T3（一层） T4（一层）

T1（二层） T2（二层）

T3（二层） T4（二层）

2）剪力墙中震正截面不屈

下图贴出了底部加强区两层剪力墙的中震不屈验算结果，由图可知，在中震作用下剪力墙可以做到正截面不屈，除个别墙肢需要配置竖向受力钢筋外，绝大部分剪力墙仍然是构造配筋，需要注意的是核心筒T2/T4右侧墙肢均出现偏拉，竖向配筋较大，但仍然满足中震不屈要求。

T1（一层） T2（一层）

T3（一层） T4（一层）

T1（二层） T2（二层）

T3（二层） T4（二层）

3）剪力墙中震拉应力复核

下面两个表格给出了底部加强区两层各墙肢在中震标准组合下的拉应力，可以看出，只有7片墙肢出现了受拉，但最大拉应力仅为0.77N/mm2，远小于C50混凝土的抗拉强度标准值。

一层墙肢拉应力复核

二层墙肢拉应力复核

3）竖向地震作用评估

本项目由于存在大跨大悬挑，竖向地震作用不可忽视，本节将对主要受力构件的竖向地震作用进行评估。

• 整体分析

由PKPM反应谱法所得到的小震基底竖向反力为12177kN，仅为重力荷载代表值（1068599kN）的1.1%，即使考虑中震，基底剪力也只有34295kN，为重力荷载代表值的3.2%，由此可见，竖向地震作用相对于重力荷载代表值对结构的影响很小，几乎可以忽略不计。

• 构件设计

由PKPM的验算文件可知，除了竖向构件外，所有大跨大悬挑的钢梁设计控制工况均为竖向荷载加风组合工况控制。

综上可知，对于大跨大悬挑构件，竖向地震作用不起控制作用，可以不予考虑，而对于整体结构来说，由于竖向地震作用很少，亦可忽略不计。

4）楼面竖向变形验算

本项目的大跨大悬挑构件应具备足够的刚度抵抗竖向荷载，本节给出大跨大悬挑部位在标准组合（恒载加活载）下的竖向变形。下图给出了十一层楼面（最大13m悬挑位于本层）的变形云图，中部大跨位置最大竖向变形为48mm，约为跨度的1/625，悬挑位置最大竖向变形为107mm，相对变形为47mm，约为悬挑跨度的1/277，均可满足钢规1/400（悬挑为1/200）的要求。

十一层楼面竖向变形云图

5）大跨及大悬挑舒适度验算

本项目为实现建筑功能需求，除落地核心筒外无其他竖向构件，核心筒间存在大跨（29.4m）梁，核心筒周边存在大悬挑（10~13m），应进行舒适度分析。舒适度分析应准确考虑楼板作用，因此采用sap2000v15.1.0进行模态分析，取消中梁刚度放大系数，对钢梁进行偏转考虑楼板对梁的实际刚度放大。对于上人楼面，高规3.7.7规定楼面竖向振动频率不宜小于3Hz。

模态分析结果显示核心筒周边大悬挑部位首先出现竖向振动模态，11层角部双向悬挑部位竖向振动频率2.21Hz，二层大跨位置竖向频率为3.08Hz。

11层角部悬挑竖向振动（2.21Hz） 二层中部大跨竖向振动（3.08Hz）

由上可知，角部悬挑端无法满足3Hz的竖向振动频率要求，按高规附录A的简化方法对其峰值加速度进行评估。

a_p=F_p*g/β/ω

Fp=p₀/e^-0.35*fn

ω=ω_eBL

上式中人行走作用力及阻尼比可按商场取用，楼盖单位面积有效质量ωe为6.3kN/m2，受弯连续性影响系数保守起见取为1，悬挑梁跨度为13m，可算得峰值加速度ap约为0.063m/s2，满足限值0.213 m/s2（频率2.21插值所得）。

6）侧面悬挂幕墙风载作用验算

由于建筑在侧面悬挑位置设置跨层的楼梯及坡道且与外围幕墙完全分离，导致侧面多片幕墙在跃层范围内无法与楼板支撑，只能通过有限的支撑与内部楼面相连，风载作用下，面外支撑承受较大风荷载，幕墙格栅本身也存在大跨（18m）和双向大悬挑（10~12m），因此应对面外支撑进行风压作用下的屈曲分析，保证其稳定性，同时对幕墙格栅构件的变形进行验算。此处以10~16层右侧跃层幕墙为例进行分析，建立分析子模型如下所示，幕墙格栅采用H800x400型钢正交布置，上部下挂于16层挑梁上，支撑采用400x400x20方管，在12、14层共设置8根，与楼面相连一侧铰接，与格栅相连侧刚接，格栅下挂于16层楼面上采用铰接连接。风载通过面载导荷加至格栅构件上，风压按规范取幕墙形心处的风压设计值。

通高幕墙位置示意

局部分析模型

• 面外支撑屈曲分析

屈曲分析显示第一阶即出现面外支撑的失稳，但屈曲因子高达50.61，支撑具备足够的稳定性。

支撑侧向失稳（屈曲因子50.61）

• 风载作用下变形

在恒载和风载标准组合下，幕墙面外最大绝对变形为100.3mm，相对变形48.9mm，悬挑长度10m，变形为跨度的1/409，满足规范1/200的限值要求。

变形示意

（本期结束）

高成结构顾问中心

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卡塔尔多哈超高层办公楼（231.5米）

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深圳壹方中心（225米）

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