深圳地王大厦：高楼钢结构体系与工程实例

1.建筑概况

（1）深圳市于1996年建成的地王商业大厦，按其使用功能可分为办公大楼（主楼）、公寓楼（副楼）、商场和地下车库四部分，总建筑面积为27.3×10⁴m²，总投资约38亿港元。

（2）主楼地下3层；地面以上79层，高325m；典型楼层的层高为3.75m，建筑面积为2160m²；总建筑面积为16×10⁴ m²。副楼地面以上33层，高120m，公寓面积为4.5×10⁴m²。主楼和副楼的连接体是贯通5层的共享空间式商场，面积为3.4×10⁴ m²。地下车库共3层，拥有868个停车位。

（3）主楼采取在矩形平面两端附加半圆的船形平面，建筑平面的纵向和横向总长度分别为68.55m和35.5m，芯筒的宽度为12m，等于房屋总宽度的1/3。芯筒外缘至外圈框架柱之间的跨度为11.75m。大厦主楼的高宽比值为8.8。图5-191为地王大厦建成后的主楼外观。

（4）大厦的抗震设防烈度为7度。大厦位于台风侵袭区，控制结构设计的是风荷载。大厦建筑场地的基本风压w₀＝1.1×0.7kN/m²，地面粗糙度属C类。

2.结构体系

（1）大厦主楼采用以矩形钢管混凝土柱为框架柱的“芯筒-框架”体系。型钢混凝土芯筒的平面轴线尺寸为12m×43.5m，内设4道横墙。楼面外圈框架由钢梁和矩形钢管混凝土柱构成，楼面中段，外柱的位置与芯筒各片横墙对齐，柱距为8.7m；楼面两端的半径为11.75m的半圆形部分，沿外缘均匀地布置5根外柱。主楼的典型层结构平面示于图5-192。

图5-191 建成后的深圳地王大厦外观

图5-192 深圳地王大厦的典型层结构平面

（2）作为主楼主要抗侧力构件的芯筒，沿房屋纵向、横向的高度比分别为6.8和23，很显然，横向偏弱。为了增强主楼横向的抗推刚度，采取了以下3项措施：

1）于第2、22、41、66层的设备层和避难层，顺芯筒的各道横墙，即沿轴线～，各设置一棍整层楼高的、横贯房屋全宽的型钢伸臂桁架，与外圈框架柱连接（图5-192和图5-193a）。从而使外圈框架各柱与芯筒共同组成一个整体竖向抗弯构件，抵抗整座大楼水平荷载引起的倾覆力矩。伸臂桁架的截面高度为6.7～7.5m，竖向间距为68～90m。伸臂桁架埋置于芯筒横墙内的杆件改用2条带形钢板。

2）同样于4个避难层，沿轴线①和⑥，自轴线至，各设置一道整层楼高的纵向钢桁架（图5-192），以协调各柱的轴向压力和变形。

3）于轴线和，在①—②和⑤—⑥两个柱间内，各设置一列由型钢斜杆组成的竖向支撑（图5-193b），以提高、轴线构件因负担半圆形楼面水平荷载而需加强的抗推刚度和承载力。因为采用的是单斜杆轴交支撑，所以，同一轴线上的两列竖向支撑对称布置。

（3）沿主楼楼面的南、北两端半圆弧均匀排列的5根外柱，仅承受重力荷载。

（4）各层楼盖，根据承重要求按一定间距布置轧制H型钢次梁，为适应楼板所采用压型钢板的跨度要求，次梁的中心距为2.18m。镀锌压型钢板搁于次梁上，并加焊栓钉，上浇筑100mm厚的混凝土面板，形成组合楼板。

3.构件截面尺寸

（1）主楼的型钢混凝土芯筒，是在芯筒的转角、纵横墙交接处及洞口两侧设置H型钢暗柱，与各层洞口工字形焊接钢梁，构成钢框架，并在型钢框架外面包以钢筋混凝土墙体；H型钢暗柱的截面尺寸为300mm×300mm×15mm。芯筒各片墙体的厚度：第40层以下为750mm，第41层以上为600mm，芯筒内型钢暗柱及钢梁的布置见图5-194。

图5-193 深圳地王大厦的结构剖面

a）图5-192轴线、、、 b）图5-192轴线、

（2）轴线①、⑥外框架的角柱和边柱，其底部截面尺寸分别为1500mm×2500mm和1150mm×1300mm，向上逐段减小，至结构顶部，分别为800mm×800mm和600mm×600mm。位于②、⑤轴线阴角处的4根外柱，其截面尺寸由底部的1100mm×1300mm向上分段减小到顶部的600mm×600mm。钢管最大壁厚为90mm。

（3）楼面外围的各根矩形截面钢管柱，在第58层以下，全部逐段自底部开孔向钢管内压灌C45混凝土，形成钢管混凝土柱；第59层以上，则不再充填混凝土。钢管的运输、安装分段长度为15m，即4个典型楼层的总高度，每段钢管的下端留有混凝土的泵送口。底层以下大部分框架柱转换为型钢混凝土柱。

图5-194 芯筒内型钢暗柱及钢梁的布置

（4）自钢管底部向管内压灌的混凝土具有较大压力，为保证矩形钢管壁板的侧向稳定以及与混凝土的粘结，在钢管内壁加焊水平加劲肋和栓钉（图5-195）。

（5）轴线、处竖向支撑的斜杆采用焊接H型钢，截面高度为800～900mm，翼缘板最大厚度为55mm。第22层伸臂桁架的上、下弦杆和V形斜腹杆均采用焊接矩形钢管，截面尺寸（mm）分别为500×300×28×16和700×300×28×16。

（6）框架梁、柱及竖向支撑的钢材牌号为美国标准Gr·50（Ksi），次梁的钢材采用美国标准的Gr·A36。

4.转换层及转换桁架

（1）结构平面的①及⑥轴线是建筑的主要立面，为了获得高达30m的空间中厅效果，及轴线标高为31.59m处各有2根柱子不能落地，相应地需要设置转换桁架。为减小转换桁架的跨度，在转换桁架的下弦中点设置A形支撑（图5-196）。又为了增强该部位纵、横向的结构侧向刚度，在建筑平面的四角和转换桁架下弦（标高为31.59m）以下，设置4个L形剪力墙。

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图5-195 矩形钢管混凝土柱的管壁加劲肋和栓钉

（2）A形支撑的斜柱及中间横杆均采用箱形截面，并在斜柱内浇灌混凝土（图5-197）。在两根斜柱的柱脚部位设置拉杆，拉杆截面厚度为45mm、宽度为1400mm的宽带钢板。斜柱伸入L形剪力墙内时，箱形截面经田字形截面过渡至十字形截面，后两种截面的翼缘板上均焊接圆柱头栓钉。

图5-196 轴线①和⑥的转换桁架及A形支撑立面

5.地下室结构和基础

（1）沿建筑红线以直径1.2m、间距1.8m的人工挖孔桩构成基坑护壁，并作为地下室承受土压和重力荷载的主要外墙构件。

（2）地下室的3层楼盖均采用无梁楼板，顶层板厚800mm，其余两层楼板，厚450mm。

（3）主楼基础采用28根人工挖孔桩，以微风化花岗岩为桩端持力层，基岩设计承载力为1000kPa。桩径为1.6～4.5m，灌筑C35混凝土。直径4.5m桩的设计荷载为21×10⁴kN。

6.结构抗震分析

（1）地王大厦按7度远震进行抗震设防，场地属Ⅱ类。钢-混凝土组合结构的阻尼比，计算值取2.5%，实测值为4.4%。

（2）结构自振周期的计算值和实测值见表5-60。

（3）鉴于日本阪神地震时具有明显“柔弱楼层”建筑的大量倒塌，进行地王大厦的结构设计时，要求各楼层剪切刚度不超出上、下楼层剪切刚度的0.5～2.0倍。

（4）按规范反应谱曲线进行结构抗震第一、第二阶段设计时，地震影响系数最大值α_max分别取0.08和0.5。采用5条符合场地地质条件的实际地震波和人工地震波，对结构分别进行弹性时程分析的楼层剪力验算和弹塑性时程分析“柔弱楼层”的层间侧移验算时，地震波峰值加速度分别取35Gal和220Gal。各项验算结果均符合规范要求。

图5-197 转换桁架及A形支撑详图

表5-60 深圳地王大厦结构自振周期 （单位：s）

7.结构风荷载侧移

（1）大厦主楼横向在风荷载作用下，第57楼层，按层间侧移差计算出的标志性层间侧移角达到1/274，超出规范限值。

（2）若从第57层的层间侧移差中扣除因第57层楼板倾斜、楼层刚体转动引起的侧移差，即从标志性层间侧移角中扣除第57层楼板的倾角，计算所得的第57层的受力层间侧移角为1/2900，则远小于规范限值。

8.风振响应计算

（1）以高、柔为特征的地王大厦，用一般分析方法很难正确计算出它在气边界层湍流中的风振响应。需要通过风洞试验取得反应参数，再按实际建筑的结构动力特性进行计算，则可得到比较正确的大厦风振响应预测。

（2）高层建筑的风洞试验，传统的气动弹性模型的制作费用昂贵。随着风洞技术的快速发展，运用测力天平技术的刚性模型，已能取得比较满意的结果。刚性模型是以轻质材料制成，外形尺寸正确；对测力天平的刚度和灵敏度，则有比较严格的要求。地王大厦主楼的风洞试验就是采用此种刚性模型。

（3）装置在测力天平上的地王大厦主楼模型及其周围主要建筑物，一并安装在旋转平台上，为模拟风向改变，平台每旋转15°，测定一次。在风洞模拟的风边界层湍流中，利用测力天平技术，通过信号处理系统进行数据分析，即可取得模型底部沿横向、纵向的剪力、横向力矩、纵向力矩及扭矩的瞬间值、最大值、平均值、标准差及功率谱。然后，根据结构的动力特性，运用随机理论，计算出风作用下的结构侧移和振动加速度。

（4）风洞试验结果显示：①某些风向，地王大厦的横风向风振反应，大于其顺风向风振反应，并对结构抗风设计起着决定作用；②尽管大厦主楼的平面和刚度是对称的，任何方向的风都会引起扭转振动，而且是与大楼的横向、纵向振动同时发生的。结构分析中必须考虑其耦合作用。

（5）分别按下述两种风气候，结构阻尼比取2.5%，对大厦主楼在阵风（脉动风）作用下的顶部风振反应预测作了计算：①澳门的风气候，50年重现期500m高度处（梯度风）的极端风速为47m/s；②按GB 50009《建筑结构荷载规范》，50年重现期325m高度处的极端风速为60m/s。计算结果列于表5-61。

表5-61 地王大厦主楼顶部的风振加速度计算结果 （单位：Gal）

（续）

（6）从表5-61计算结果可以看出：①大厦主楼在澳门风气候重现期为10年的风速作用下，顶部加速度值小于20Gal，表明满足风振舒适度要求；②不同重现期的风速作用下，主楼顶部加速度的数值有着较大的差别。