屹立在胶东半岛上的明珠—专家解读青岛国际贸易中心的结构设计

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　青岛国际贸易中心位于青岛开发区长江中路南侧，由三层地下室、六层裙房及A座（55层）、B座（44层）、C座（30层）三栋塔楼组成，总建筑面积约22万平方米。地下三层建筑地面标高-13.8米,裙房屋面标高26.05米,为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构。其中A座塔楼最高，结构总高度为201.5米,主体结构采用钢管混凝土框架—混凝土核心筒混合结构体系，首层钢管混凝土柱延伸至地下二层，楼板采用现浇混凝土楼板，基础采用现浇钢筋混凝土筏板基础；B座塔楼共44层，结构高度138.52米,主体结构为现浇钢筋混凝土剪力墙结构；C座塔楼结构高度97.92米,在地面以上七层设有梁式转换层，主体结构为现浇钢筋混凝土部分框支剪力墙结构。
　　A座塔楼主要柱网尺寸为11.2米×8.4米,标准层平面尺寸L=42米,B=33.6米,L/B=1.25，高宽比为5.93，均符合国家相关规定。单体建筑面积约9.4万平方米，地下三层为车库和设备用房，地上为商业、餐饮、高级写字间和五星级酒店，并在7层、22层、35层和50层设置四个避难层。
　　据山东省冶金设计院有限责任公司高级工程师孙彤介绍，高层建筑结构按材料主要分为钢筋混凝土结构、钢结构、钢—混凝土混合结构。钢筋混凝土结构具有就地取材、造价较低、耐久性和耐火性较好，维护费用低等优点，但具有自重大、构件截面大、延性较差等缺点；钢结构具有构件截面小、自重轻、抗震性能好，工厂化程度高等优点，但存在着造价较高、防火性能差等缺点；钢—混凝土混合结构充分利用钢构件强度高和混凝土的刚度大等优点而实现了造价低和性能高的抗侧力体系。尤其是钢管混凝土结构的出现，使得钢—混凝土混合结构在高层建筑中的应用更为广泛，同时也显示出了较好的综合经济效益。钢管混凝土结构是指在钢管中填充混凝土，将两种不同性质的材料组合而成的结构，它是将纯钢结构和钢筋混凝土结构的优点结合在一起而发展起来的新型结构形式，具有承载高、韧性和延性好，施工时无需支撑模板，施工速度快、周期短，耐火性能优于纯钢结构、工程造价低等优势。
　　孙彤说，钢管混凝土框架—混凝土核心筒体系取—长补短，综合了钢结构和混凝土结构的优点，克服了普通钢筋混凝土结构自重大、构件截面大、延性较差等缺点，同时也提高了钢结构的抗火性能，降低了用钢量，也减小了钢结构与混凝土结构之间的刚度和竖向压缩变形差异。结合该工程的特点以及该地区的自然条件，综合考虑各方面的因素，该工程的主体结构采用了钢管混凝土框架—混凝土核心筒体系。针对钢管混凝土框架—混凝土核心筒体系，在结构选型时，对比了设置伸臂析架和加强层两种结构方案。第一是分别在22层和35层两个避难层设置伸臂桁架和边桁架，不仅用钢量增加，并且由于外框架柱距较大，抗弯刚度小，而核心筒刚度大，层间侧移只减小2%%,效果不显著。伸臂桁架的设置也受建筑使用功能的限制，只能在设备层或避难层设置。第二是在用钢量不增加的情况下，分别在23层、24层、36层,37层和50层设置了钢骨混凝土梁加强层，层间侧移减小10%%,大大提高了结构的抗侧刚度。
　　该工程分别在23层、24层、36层、37层和50层设置五层钢骨混凝土梁加强层，且与核心筒相接。地下三层为钢筋混凝土框架柱，地下一、二层为外包钢管混凝土框架柱，地上部分采用圆钢管混凝土柱，地下一层、二层采用钢筋混凝土框架梁，1层、23层、24层、36层、37层和50层采用钢骨混凝土框架梁，其余层均采用钢梁，并全部采用现浇钢筋混凝土楼板，核心筒采用钢筋混凝土，内置H型钢梁柱。
　　据孙彤介绍，根据国家现行设计规范和《青岛开发区国际贸易中心岩土工程勘察报告》的有关规定：A座塔楼结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度(0.05g)，设计地震分组为第二组，建筑物场地土地类别为II类，建筑抗震设防类别为丙类，但应加强抗震措施，采用CQC振型反应谱法并考虑偶然偏心的影响，阻尼比取0.04；结构安全等级为二级，钢筋混凝土筒体抗震等级为一级，钢管混凝土柱轴压比不大于0.85,层间位移角限值为1/615。
　　刘彤说，对结构自振基本周期、风荷载和地震荷载作用下的底部剪力、倾覆弯矩、层位移、层间位移角、顶点最大风振加速度等分析结果的比较可以看出，三种程序的计算结果基本一致，并均满足高规(JGJ3-2002)的有关规定，从而验证了SATWE模型及其结果的可靠性。结构的第一振型为Y向平动，第二振型为X向平动，第三振型为扭转，累计有效质量系数均大于90%%,所选振型数满足规范要求，T3/T1<0.85，侧向与扭转刚度的控制也满足规范规定。
　　该项工程的基础采用现浇钢筋混凝土板式筏基，厚2500毫米。持力层为第六层中等风化流纹岩或安山岩，变形模量高、绝对沉降量较小。筏板基础混凝土强度等级均为C40，抗渗等级不小于1．0兆帕。基础混凝土分层浇筑，阶梯每层混凝土在初凝前完成上层浇筑，浇筑过程中采取了有效措施控制混凝土的浇筑温度。
　　为减小整体结构的复杂性和各塔楼之间的相互影响，避免因多塔楼质量和刚度相差较大引起的扭转效应增大，结合地下室的范围和上部结构平面布置及高度，通过设置120毫米宽的抗防震缝将A座主楼与裙房自地下室以上分开，各自分成相对规则的结构单元。各塔楼与地下室部分全部连成整体，不设置永久变形缝。
　　为增加楼板水平刚度，楼盖全部采用现浇钢筋混凝土楼板，地下室顶板、加强层楼板和屋顶楼板均适当加厚，其他层楼板均取150毫米厚。为保证楼板的整体性，要求施工时主体钢结构安装先行于钢筋混凝土筒体与楼板的施工，楼板与筒体的混凝土整浇一体，不得在混凝土筒体外周与楼板连接处留设竖向施工缝，以便有效地传递水平剪力，减小剪力滞后；并在钢管混凝土柱的上环板和钢梁上设置了栓钉，确保混凝土与柱以及梁的可靠连接。为避免楼板施工时搭设满堂红脚手架影响施工进度，可通过设置临时支撑钢梁固定楼板模板的工艺，以提高施工速度。
　　此项工程立面比较规则，核心筒和钢管混凝土柱自下而上截面和混凝土强度逐渐交错减小，变化均匀，无明显不规则情况。在接近顶层位置出现立面收缩，平面由方形变为圆形，由于核心筒墙体上下连续，外框架只有局部四根柱子需要转换，相邻层的刚度比十分接近，侧向位移无明显突变，只需在立面收缩层通过钢骨混凝土框架梁和混凝土次梁加强该层的水平刚度。
　　由于核心筒承担绝大部分水平荷载，设计时除了满足其具有足够的强度抵抗地震和风荷载，同时也要采取措施保证其在超越荷载作用下由于开裂刚度下降后的延性工作状态。因此，核心筒墙体采用低轴压比设计，除了满足在地震作用下小震不坏、中震可修外，并保证中震作用下的名义剪应力不超过混凝土抗拉强度。在构造方面，并在核心筒与外框架连接处、角部和门洞口处设置了H型钢柱，一是为了保证核心筒与外框架刚性连接，使钢框架自身成稳定体系，以便先行主体钢结构安装，较好地解决了框架梁与核心筒混凝土墙的安装误差；二是可以提高核心筒的延性，延缓筒体开裂后刚度下降，有利于提高结构的整体抗震、抗风能力，同时也有利于减小核心筒与框架柱之间的变形差。
　　青岛国际贸易中心的结构选型、平面和立面布置以及节点设计，为框筒结构设计和节点补强提供了借鉴。（本文得到了山东省冶金设计院有限责任公司孙彤、王士奇、陈壮善的大力支持。）