贵阳花果园D区双子塔楼钢筋混凝土结构设计

 侯胜利，  李鹏，  阮伟光，  梁笑寒

 （奥雅纳工程顾问，广州510620）

[摘要]  贵阳花果园D区双子塔楼建筑高度达335m，结构设计除应满足规范和专家要求外，还需达到业主提出的单位面积材料造价控制指标。基于此，在设计中选用普通钢筋混凝土筒中筒结构体系，采用矩形钢管混凝土叠合柱、HRB500高强钢筋、变截面混凝土楼面梁和中等延性构造的剪力墙、优化建筑场地和地下室层数等一系列措施。介绍了结构体系的比选过程，强调了水平作用较小时剪重比和刚重比指标对结构设计的控制作用，详述了各项减少材料措施的落实方法，针对钢管混凝土叠合柱与混凝土梁的连接节点提出了多种钢筋连接方式和加强措施。

[关键词]贵阳花果园D区；结构体系比选；筒中筒结构；钢管混凝土叠合柱；HRB500；延性构造

1  工程概况

 本工程位于贵阳市南明区彭家湾花果园D地块，主要包括两栋建筑高度均为335m的双子塔楼和50m高的裙房，总建筑面积约35万m2，二者在地面以上用250mm宽的防震缝分开，自成体系，互不影响。本文仅探讨塔楼部分的结构设计。

东塔（图1左侧）地上65层，地下5层，主要为办公；西塔（图1右侧）地上65层，地下4层，以51层避难／机电层为界，下部为办公，上部为酒店。东西塔楼主屋面结构高度分别为300m和309. 4m，屋面以上为机电房和幕墙维护结构。双子塔楼的建筑外形、平面尺寸、结构布置、构件尺寸等基本相同，结构设计主要计算结果也十分相近，为节省篇幅，后文塔楼分析均为西塔的设计过程和控制指标，东塔仅提供了基础形式的说明。

塔楼办公标准层结构平面布置如图2所示，建筑平面尺寸49. 4m×49. 4m，角部切角，核心筒为24. Sm×24. 5m，占标准层面积的25%左右，楼层利用率较高。

 工程所在地属Ⅱ类场地，抗震设防烈度为6度，水平地震影响系数取抗规与安评报告的较大值(0. 051)，抗震构造措施按7度采用；风荷载用风洞试验提供数据，比荷载规范给出的50年一遇基本风压0. 30kN/m2稍大。

 本工程业主对塔楼单位面积结构材料造价的控制非常严格，在方案设计开始前便明确提出最高限值，并将其列入结构设计的控制指标，显著影响了本工程各阶段的结构设计（包括结构体系选择、构件设计、基础设计等）。

2  结构体系

 塔楼的结构体系通常有两部分：水平抗侧力体系和竖向楼盖体系。而前者是超高层建筑结构设计的重点和难点，是设计成败的关键，需在设计初期着重研究。

 双子塔楼以1层地面处（标高±0.00m，相当于绝对标高+1 100.00m）作为嵌固端，按结构主屋面高度300m和平面宽度49. 4m计算，塔楼高宽比约为6.1，小于高规限值7.0。这意味着塔楼抗侧力结构体系并不会过多地受制于高宽比，可更多地考虑建筑功能、经济性能和施工便利等因素择优选取。

2.1抗侧体系比选

贵阳地区基本风压小、设防烈度低，塔楼侧向刚度和构件承载力的控制相对较为容易，宜选用相对简单的抗侧体系。虽然普通框架．核心筒结构最能符合这一要求，应用也非常广泛，但其侧向刚度偏小，无法满足规范对剪重比和刚重比的要求。方案设计时提出了3种侧向刚度更大的结构体系——带伸臂加强层的框架，核心筒结构、有巨型斜撑的框架一核心筒结构和筒中筒结构，分别称为方案A，B，C，其中方案B又根据设置单斜撑或双斜撑分为方案B1，B2，如图3所示。在方案A中，伸臂加强层设置在塔楼底部1/3高度附近，主要用于减小第1自振周期，增加剪重比计算值。

 对高层建筑结构体系的比选，应重点关注抗侧效率、结构材料用量、施工难度、空间利用率、景观可视性和幕墙设计灵活性这几个方面。本工程中上述指标的计算结果见表1。由表可以看到：

 (1)各方案的第1自振周期较为接近，均在7s左右，这是控制结构剪重比数值的必然结果。超出7s后，该项指标较难满足规范要求，而减小周期会花费更多的材料，经济性能变差。

 (2)各方案的最大层间位移角均较小，远小于规范限值1/500。但由于此时刚重比、构件承载力和抗震构造已经达到或接近规范限值，构件尺寸不宜再减小。

(3)筒中筒结构材料相对造价最低，施工难度小，在平面利用率、幕墙设计灵活性和景观可视性方面与其他选项也没有明显差距，故受到业主青睐，从而选定筒中筒结构为塔楼的抗侧体系。

2.2塔楼抗侧体系

塔楼采用钢筋混凝土筒中筒结构，内外筒的形式如图4所示。为减小外框柱截面尺寸、增加柱延性同时减少钢材用量，在基础顶面~地上20层的框架柱中设置圆形钢管，形成钢管混凝土叠合柱。21层及以上所有外框柱全高采用井字复合箍，箍筋间距、肢距和直径均按高规6.4.2条加强，提高轴压比限值，减小柱截面。

 塔楼内的钢筋混凝土核心筒从基础顶面延伸至结构主屋面，自下到上简体内壁尺寸保持不变，墙体厚度分段减小，混凝土强度等级自下到上由C60变为C40，1—6层内筒外墙最大厚度为1 300mm，内墙最大厚度为400mm。塔楼底部内筒外边尺寸为24. 5m×24.5m，高宽比为12.2。

 外筒由矩形钢筋混凝土柱（底部20层为钢管混凝土叠合柱）和钢筋混凝土梁组成。标准层框架柱共有36根，每边布置9根，中心距为4 800mm。低区办公楼层外框柱截面为1 000mm×1 500mm，内配钢管直径为600mm，壁厚为28mm。

根据建筑布置，塔楼底部1~3层设置人口及大堂，柱中心距需增大至9 600mm，在4—7层设置斜柱进行过渡，斜柱斜率约为4.9（斜柱与竖直线的夹角约为11.5。），尽量减小柱轴力在水平向的分量．避免外框梁承受大的拉、压力。图5为斜柱过渡区的立面示意图。1—3层外框柱截面为1 500mm×2 000mm，内配钢管直径为1 000mm，壁厚为30mm。

根据结构构件的重要性并考虑经济性能，结合概念设计中的“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”和外框筒作为“二道防线”的基本概念，确定塔楼的抗震性能目标为C级。具体至各抗震设防水准如表2所示。

2.3楼盖体系

 超高层建筑结构中，组合楼板往往是楼盖体系的首选，其主要原因是塔楼高度大，楼层数量多，相对于钢筋混凝土梁板结构重量小，利于减小地震作用，更减小了竖向构件和基础的设计难度。不过，由于使用了较多的钢梁和压型钢板，造价相对较高。而本工程塔楼设防烈度低，地震作用影响相对小，即使结构总重有所增加，主要结构设计指标和构件承载力仍较易控制；同时岩石地基承载能力强，可轻松承担上部结构增加的荷重。基于上述考虑，从减少钢材用量、降低结构材料总造价的角度出发，选用普通钢筋混凝土梁板结构作为塔楼的楼盖体系。

 为同时满足办公塔楼在安全、经济和使用性能上的要求，设计中在下述三个部位进行了着重考虑和计算：

 (1)内外筒之间楼板厚度取130mm，跨度达到4 800mm，与外框柱的间距相同，也就是说该范围仅布置了连接筒体和外框柱的框架主梁，中间未设次梁。这种做法不仅有利于在梁间布置机电管线和设备，更保证了天花板的观感效果，提升了建筑品质。

(2)办公标准层内外筒之间框架梁的跨度约为12m，梁高仅采用700mm（为跨度的1/17左右），在保证经济性能的前提下能够尽量减小层高。为满足机电管线布置需求，在与核心筒墙体相连一侧2 000mm长度范围内（通常为核心筒周边的走廊宽度）将梁高减小为550mm，做成变截面梁，如图6所示。

 对于全现浇钢筋混凝土框架梁，支座处往往存在较大的负弯矩，在此位置减小梁的截面高度将不利于构件设计，甚至出现“超筋”现象。在塔楼的设计过程中对此进行了细致的分析和计算，用不同且适宜的弯矩调幅系数解决了上述问题。当墙厚不小于800mm时，框梁端部按刚接计算，负弯矩调幅系数按高规取值，即在竖向荷载作用下，弯矩折减为计算值的0. 85倍；当墙厚在400~ 800mm之间时，按半刚接设计，梁端弯矩调幅系数取0.5，此时的负弯矩小于产生0. 3mm裂缝对应的弯矩，能保证梁端裂缝宽度满足规范要求；当墙厚不大于350mm时，梁端假定为铰接，在支座区上部设置纵向构造配筋。框架梁的支座负弯矩减小后，跨中正弯矩按平衡条件相应增大。

 (3)楼面梁的截面尺寸小，可放置的钢筋数量少，为保证梁的承载能力，顶底纵筋均采用了HRB500级热轧带肋钢筋。这种钢筋的抗拉强度是HRB400级钢筋的1.21倍，但价格仅为后者的1.05~1.1倍，性价比高。而由于箍筋需要更好的冷加工性能，腰筋的受力通常较小，故而在设计中仍采用HRB400级钢筋。经计算，本工程中楼面梁的纵筋采用HRB500级后，钢筋用量减少11%左右，取得了良好的经济效果。

3  控制设计的整体指标

 纵观贵阳花果园D区双子塔楼的整个结构设计过程，控制设计的主要指标除了材料用量，便是剪重比和刚重比。鉴于这两个指标在本工程设计中的重要性，文中进行了详细阐述，其他各项虽重要但不对设计起控制作用的指标可参见文献[6]。

3.1楼层剪重比

 根据安评报告，小震设计峰值加速度A…为22cm/s2，取反应谱放大系数最大值Pmax为2.25，得到水平地震影响系数最大值a max为0.051，约为高规地震影响系数最大值0. 04的1.25倍，故应按照前者计算地震作用。在取用剪重比限值时，也应将规范中的剪重比限值0. 006放大1.25倍至0. 007 5，作为最小地震剪力系数限值。

实际计算结果表明，小震作用下塔楼最小剪重比是0. 006 5，为限值0.007 5的0.87倍；剪重比小于0. 007 5的楼层数在X向有15层，y向有14层，基本能够满足要求，剪重比的分布详见图7。结构构件设计时，全部楼层的地震作用均需先放大1. 15倍，再与其他荷载作用下的内力进行组合。

3.2整体稳定性验算

 结构整体稳定性是高层建筑结构设计的基本要求。稳定性设计主要是控制结构在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，以免引起结构的失稳、倒塌。本工程塔楼采用钢筋混凝土结构，整体质量较大，但所处场地基本风压小、设防烈度低，侧向刚度很容易满足水平位移限值要求，但不利于通过整体稳定性的要求。

结构的弹性等效侧向刚度EJd采用高规5.4.1条文说明提供的公式进行计算，其倒三角形分布荷载简图如图8所示，图中H取室外地面到结构主屋面的高度。

设计之初，对结构侧向刚度的控制较为放松，层间位移角和构件承载力完全能够满足规范要求，唯独刚重比数值偏小。在初步设计的中后期专门针对刚重比进行了敏感性分析，通过加大底部商业楼层和中上部楼层外框梁、连梁的截面尺寸，使之超过规范限值，如下式：

 经计算，在考虑结构弹性刚度折减的情况下，重力P-A效应可控制在20%之内，结构的稳定具有适宜的安全储备。

4  外框叠合柱

钢管混凝土叠合柱（简称叠合柱）由截面中部钢管混凝土柱和钢管外的钢筋混凝土叠合而成(图9)，叠合柱抗压、抗剪、抗扭刚度大，抗震、抗火、抗爆、抗冲撞性能好，截面面积比普通混凝土柱明显减小，用钢量又远远低于同样荷载的型钢混凝土柱，施工方便，经济合理。基于这些优势，本工程20层及以下的外框柱均采用叠合柱。考虑到当地高强混凝土生产能力的限制和施工的便利性，钢管内外混凝土同期浇筑，强度等级均为C60。

4.1截面设计

塔楼设计中选用了2种截面尺寸的叠合柱，相关参数和应用位置见表3。含管率由轴压比控制，稍大于叠合柱规程中的最小配钢率要求，利于减少钢材用量。对叠合柱承载力的验算主要采用了XTRACT软件，根据混规附录E公式对预设尺寸和配筋的截面进行计算后，可得到对应的N-M承载力曲线，与整体模型有限元分析后同一构件的内力放在一起比较，若所有组合内力的坐标点均在N-M曲线内，表明承载力足够，否则应调整截面或加大配筋。本工程典型叠合柱的验算结果如图10所示，组合内力的坐标点在曲线内部，柱承载力足够。

4.2叠合柱与梁连接节点

 叠合柱与混凝土梁连接节点的设计要解决好钢管与钢筋的关系，确保钢筋可靠锚固，楼面梁的弯矩和剪力能顺利传人框架柱。解决剪力传递的方法比较简单，考虑柱中钢管贯穿梁柱节点区，可在每个节点区中下部设置2道钢筋环箍，紧绕钢管并沿管壁满焊，通过环箍与混凝土的咬合作用传递剪力。当环箍焊接不便时，也可根据剪力设计值的大小在钢管上设置2~3圈栓钉用于抗剪。

 楼面梁纵筋在节点区的处理相对复杂，根据梁与柱的相对位置，设计中采用下述4种连接方案：

 (1)在叠合柱钢管壁上开孔使梁纵筋穿过钢管，如图11(a)—11(c)，11 (e)所示，这种形式主要用于外框中柱和有悬挑梁的角柱，传力直接、施工方便。

 (2)梁纵筋双面焊接于钢管外侧水平耳板上，焊缝长度≥5d（d为钢筋直径），如图11 (a)，11(f)所示，这种连接方式主要用于与外框柱斜交且纵筋受到较大拉力的楼面梁，钢筋通过焊缝将力传给耳板，然后传递至钢管中。

 (3)钢管直径较小或楼面梁宽度较大时，梁内靠近两侧面的纵筋尽量绕过钢管，按照叠合柱规程要求，伸入节点核心区水平长度≥20d，直接锚固在节点区，详见图11(b)。

(4)钢管直径大或楼面梁宽度较小时，钢筋无法绕过钢管且梁内纵筋拉力较小，伸入节点核心区的水平长度不足20d，但不小于0.4l。。时，钢筋需伸至钢管壁处，紧贴钢管壁竖向弯折15d，保证总长度≥Z。。，并根据钢筋传力需要加大核心区水平箍筋配置量。同时，在钢筋竖向弯折点处增设2道抗拉环箍，将纵筋弯折段与钢管捆在一起，环箍点焊固定在钢管上，作为锚固钢筋的额外加强措施，参见图11(b)，11（d）。

5  核心筒墙体延性构造

初始设计时，核心筒墙体的抗震等级根据高规要求取为一级，墙肢轴压比限值为0. 50，约束边缘构件和构造边缘构件的纵筋与箍筋配置率均按照一级取值。此时，为满足轴压比和剪重比的要求，核心筒墙体厚度较大，底部1~6层简体外墙需取1 500mm，基础负担大、经济性能差。而贵阳地区基本风压小、设防烈度低，由其引起的结构响应小，墙肢承载力富余度很大、利用率低。从节约材料、节能减排的角度出发，经抗震审查专家和施工图审查单位同意，针对核心筒墙体，在施工图设计时采用抗规附录M中的方法，按中等延性构造进行设计，对应要求如表4所示。

对于混凝土构件，延性细部构造主要指箍筋、边缘构件和轴压比等，不包括影响正截面承载力的纵向受力钢筋的构造要求。因而在设计中不减少纵筋数量，仅在计算边缘构件配箍率和轴压比时将7度调整为6度，对应的抗震等级由一级变为二级。调整前后对墙肢配筋率影响较大的相关指标如表5所示，在这3个指标中，轴压比限值的降低对经济性能的贡献最大，底部1—6层的墙体厚度可减至1 300mm，可节省大量混凝土和钢筋（纵筋和箍筋）。

采用中等延性构造调整墙体厚度后，仍按一级抗震构造措施配置纵筋，将小震作用下的水平地震影响系数放大一倍（中震和大震作用不调整），重新计算墙肢承载能力，在有小震参与的组合工况下，大部分墙肢的承载力有富余，个别墙肢需增配少量钢筋，但仍少过调整前的纵筋（墙体减薄后按墙体面积计算的构造配筋减少的缘故）。图12是塔楼底部1—6层北侧筒体外墙中间墙肢承载力的计算结果，可见墙体厚度和钢筋数量调整后，墙肢利用率提高明显。

 降低墙体延性构造的措施会带来较好的经济效果，经统计，本工程中：1）混凝土和钢筋分别减少约2 400m3和500t（折算到单位面积约3 kg/m2），直接减少了材料成本；2）结构自重减少约6 300t，利于结构抗震和基础设计，间接提升塔楼经济性能；3）全部楼层剪力墙厚度不同程度减小，底部1~ 20层核心筒外墙平均减薄约150mm，楼面进深相应增加，塔楼使用面积增加600m2左右，提高了建筑品质。

6  基础方案

 本工程所处场地为岩溶强发育地段。设计时充分研究了地质条件，对建筑选址和地下室的深度进行优化（塔楼整体向西移动，西塔地下室由5层减少为4层），针对多种溶洞分布提出不同处理方案，确定两栋塔楼的基础方案如下：

 (1)西塔核心筒区域采用筏板基础，厚度为3 000mm，外框架柱下采用人工挖孔墩基础，单柱单墩，各墩用承台连接，承台厚度2 000mm，基础平面布置图如图13(a)所示。

(2)东塔核心筒区域采用桩箱基础，桩为人工挖孔扩底桩，共设38根，长短不一，最大桩长为30m，箱基底板厚度1 000mm，顶板厚度500mm；外框柱区域采用钻孔桩，布桩96根，长短不一，最大长度约45m，桩上承台厚度3 600mm，基础平面布置如图13 (b)所示。为消除沉渣对钻孔桩的不良影响，对沉渣厚度不能达到要求的桩采用桩端后注浆。

7  结语

 贵阳花果园D区双子塔楼高度超过了300m，楼层数量多，为节省结构材料造价，选择了钢筋混凝土结构。充分利用了当地风荷载小、设防烈度低的有利设计条件，挖掘高强钢筋的承载潜力，选取高效的筒中筒结构体系和高承载力的钢管混凝土叠合柱，又进一步采用了中等延性构造的核心筒剪力墙减小墙厚，在保证结构安全可靠的前提下，最大限度地减少了结构材料用量，成功实现了对结构材料造价的控制目标。

 虽然塔楼采用了钢筋混凝土结构，但地上部分的重量也仅为17 kN/m2左右，并未给基础设计增加过多负担。整栋塔楼结构构件的含钢率仅为110kg/m2左右（型钢和钢筋的总用量，包括地下室和基础部分），取得了优良的经济性能。

 该双子塔楼的结构设计和顺利建造是采用钢筋混凝土结构建造超过300m的高层建筑的又一成功案例。双子塔楼分别于2015年6月和9月封顶，目前正在施工顶部幕墙钢架，进行内部装修。