建筑结构丨全方位解读全球最大来福士项目——重庆来福士广场
雄伟壮观，犹如一艘远航的巨轮
项目与朝天门两江的浑厚的气魄交相辉映，看起来雄伟壮观。8座塔楼临水北向，最高的两座约360米；其他6座高约250米。与朝天门广场连为一体，犹如一艘扬帆起航的“巨轮”。
250米高空水晶廊桥带你赏江景
最有个性的莫过于它250米高的水晶廊桥了，象征重庆“梯坎”面貌的水晶廊桥长达300米，宽约30m，将4栋塔楼彼此连接，在夜晚犹如一条璀璨的琉璃锦带立于朝天水域。有观景台、无边泳池、会所和餐饮娱乐设施等，今后这里必将成为赏重庆夜景的绝佳选择。
漂浮在江风里的空中花园
为了让科技感与柔美共存，整个大楼的北边将种满绿色植物，远远望去，像一座绿色的空中花园，也将成为南望渝中半岛一处标志性的立体绿墙。
每3~5层楼变换一个角度
8座超高层塔楼每一座都有一定的弧度，像被风吹得微微弯曲的桅杆。采用钢-混凝土巨型组合结构，有的杆件安装是直的，有的杆件则是倾斜的，根据每座塔楼的不同情况，每3-5层就要变换一个角度。
位于两江交汇处，如何防风、抗震？
采用创新“钢-混凝土组合伸臂系统”，在组合伸臂系统和巨型框架之间，使用了软钢阻尼装置，作用类似于“保险丝”，有很好的延性，即使遇到地震、强风，也可以通过往复变形，消耗地震作用和风荷载，并且不会断裂。另外，大楼每隔几层就有一层避难层，遇到紧急情况时，可以用于人员的及时疏散。
重庆来福士广场项目位于朝天门广场与解放碑之间，即重庆市渝中区渝中组团D分区4-1/02号地块，总建筑面积约为1123000m2，建设用地地形为梯形，北面的东西宽约220m，南面的东西宽约495m，南北长约310m。
项目由8栋高层建筑、6层商业裙房和3层地下室组成，是集大型购物中心、高端住宅、办公楼、服务公寓和酒店为一体的城市综合体项目。8栋塔楼的建筑外立面形似中国古代舰队，其中T1，T2，T3S，T4S，T5，T6高度基本相同，统称南塔；T3N，T4N统称北塔，塔楼信息见图1。
图1 塔楼信息示意
T1，T6结构高度为227m，典型层高为3.5m，东西向平面尺寸为31m，南北向北面呈帆形，平面尺寸沿结构高度为45~61m不等，为46层高端住宅；T2，T3S，T4S，T5高为238m，东西向平面尺寸为31.8m，南北向北面呈风帆形，平面尺寸沿结构高度为44~61m不等，其中T2，T5为高端住宅，典型层高为3.5m，T3S，T4S为办公楼（T4S有一半用作3.5m层高的公寓），层高4.3m。
T2，T3S，T4S，T5在屋顶通过一座空中花园连桥彼此相连，连桥长约300m，宽约30m，离地面约250m。平顶层的大型空中花园提供了别样丰富的室外活动空间。
T3N，T4N高约360m，东西向平面尺寸为38m，南北向北面呈帆形，平面尺寸沿结构高度为32~45m不等，为72~75层的综合商住楼。T3S和T3N之间、T4S和T4N之间分别有一宽约7m和宽约20m的小连桥连接。
目前该项目桩基施工大部分已完成，图2为2016年1月19日拍摄的施工现场照片。
图2 施工现场照片©Arup
1 南塔概况
T2，T5结构采用带加强层（伸臂桁架、腰桁架）的框架-核心筒体系。地震作用和风荷载产生的剪力及倾覆力矩由周边框架、核心筒和伸臂桁架组成的整体抗侧体系共同承担，其中框架柱在加强层处由伸臂与核心筒连接形成了共同作用的整体，腰桁架协调框架柱之间的差异变形，使得伸臂桁架和腰桁架在加强层保持协调。
T3S，T4S结构体系与T2，T5类似，但由于核心筒尺寸较小，且除了空中走廊，屋顶还有通向北塔的连桥，荷载较重，伸臂桁架数量比T2，T5多。
与T2，T5相比，T1，T6外形及层高基本相同，但由于屋顶没有连桥相连，结构体系为框架-核心筒-腰桁架，经过伸臂敏感分析并考虑成本控制，未设置伸臂桁架。
2 南塔项目特点
南塔各塔楼典型楼层平面图如图1所示。
图1 南塔各塔楼典型楼层平面图
各塔楼相似的外形和结构形式为屋顶连桥的支座具备相似的刚度提供了良好的前提，南塔存在多重复杂超限。以T2，T5塔楼为例，南塔塔楼主要有以下特点：
(1)立面曲线，所有外框柱均为单方向弯曲曲线，斜度约0°~15°，裙房顶处直柱变斜柱处的角度最大，个别可达到20°，T1，T2，T5，T6塔楼开洞说明如图2所示。
图2 T1，T2，T5，T6开洞说明
(2)由于塔楼建筑平面布置及机电通风需要，核心筒开洞在各楼层不能相互对齐，与外框柱呈相似的曲线布置，同时在立面开洞位置的平面上也存在开洞。
(3)T2，T3S，T4S，T5顶部由连桥相连，各塔楼之间存在一定的相互影响。
(4)嵌固层在筏板顶部，并与一定范围的裙房相连，而且在S5层整个项目连接成一体，组成箱体来提高整体刚度，防震缝设置示意如图3，4所示。
图3 防震缝设置示意图
注：图中红线处为防震缝。
图4 裙房防震缝示意图
1 北塔结构体系
北塔（T3N 和T4N）两栋塔楼高度一致，立面造型也一致，只是功能不同。北塔楼为超 B 级高层建筑，结构体系采用核心筒+伸臂腰桁架+外框4巨柱+外部次框架体系，是目前国内第一栋四巨柱无大支撑的超高层结构。
两栋塔楼核心筒和结构平面布置对称，塔楼底部平面尺寸约为38m×38m，其南北向尺寸在中上部沿立面突出，在约 34 层附近达到最宽，平面尺寸约为44m×38m，南北向平面尺寸向上逐渐减小，顶层最窄处约为34m×38m。钢筋混凝土核心筒基本位于结构正中，整体结构布置规则、对称、无凹进。T3N塔楼典型楼层平面布置图见图1。
图1 T3N塔楼典型楼层平面布置图
（1）核心筒
核心筒从承台面向上延伸至塔楼顶层，承担了竖向及水平向荷载。核心筒平面基本呈方形，位置居中，质心和刚心基本重合。T3N塔楼核心筒典型平面布置图见图2。
图2 T3N塔楼核心筒典型平面尺寸
（2）巨柱
巨柱位于塔楼平面四角并贯通至结构顶部，在各区段与转换桁架、组合伸臂及框架钢梁相连，形成结构整体的巨大刚度。巨柱典型截面示意图如图3所示。
图3 巨柱典型平面布置示意图
（3）抗侧体系
带有腰桁架的巨型外框+伸臂系统+钢筋混凝土核心筒组成的整体抗侧体系（图4）。
图4 抗侧体系示意图
（4）竖向传力体系
重力荷载经楼板传递给核心筒和周边外框。核心筒和外框向下延伸，穿过地下室，直达基础。传递给次框架的荷载通过转换桁架传递给4根巨型角柱，最终传递给基础。原方案中，次框架柱在每个区段顶层与转换桁架通过长圆孔螺栓实现竖向滑动连接，造成外框刚度较弱，地震剪力分配过小，如图5所示。故外部次框架只传递竖向荷载，对水平抗侧刚度的贡献几乎可以忽略。
图5 次框架柱连接示意图
2 外框架剪力分配优化措施
根据前面的分析可以看出，在设计大震（低烈度）下结构抗震性能能满足要求，但是在极限大震下，由于外框剪力分配能力较低，核心筒承担较多的地震力，局部损伤较严重，结构抗二次倒塌的能力不足。参考抗震专项审查中要求：大部分楼层框架剪力分配能满足8%，经过大量敏感性分析，外框剪力分配优化可以通过以下结构优化措施实现。
（1）加大次框架柱截面并全部落地
在原方案的基础上调整次框架体系：外框SRC小柱全部落地（将原本次框架柱与腰桁架下弦竖向释放连接改为连续连接），在不影响建筑表达的裙房和地下室部分（地下3层～裙房顶）外框小柱尺寸由原方案的1 200×1 200加大至1 500×1 500，1层至塔楼顶外框小柱尺寸由原方案的850×550加大至850×1 200。
（2）次框架与巨柱体系相连
原方案次框架柱每隔15层在腰桁架处断开，该区次框架柱基本只承担本区竖向荷载且不提供水平抗侧刚度。为增加外框冗余度和刚度，外框架柱在腰桁架处刚性相连，从底到顶；次框架柱连续贯通，与巨柱形成完整外框抗侧体系。
（3）长墙开洞
塔楼核心筒尺寸较大，应削弱核心筒部分墙肢（外墙加大洞口，去掉部分内墙），北塔楼削弱墙肢示意图见图6。
图6 塔楼墙体开洞图
（4）优化顶部伸臂
因塔楼整体刚度相对较大，刚重比和剪重比均有一定富余，层间位移角也远小于规范限值，故可取消顶部伸臂。取消伸臂后，高区变形由以弯曲型为主趋向于以剪切型为主，使得外框剪力分配进一步提高，进一步发挥外框抗侧力作用，见图7。
图7 有无顶部伸臂高区外框剪力分配
根据专家建议，采取一系列优化措施后，外框刚度明显增强，地震剪力分配明显增加，通过不同程度的地震作用下结构受力性能弹塑性分析可知，整体结构在设计大震+1度工况下，外框架柱损伤减弱，中高区剪力墙损伤明显减小，有效避免极限大震下结构发生局部倒塌的安全问题。
1 空中连桥结构体系及与塔楼连接
奥雅纳的诸多工程项目中也有许多包含连桥的结构，其中较为著名的是北京央视总部大楼和新加坡滨海湾金沙酒店，如图1所示。前者采用了完全固接的整体连接形式；后者采用平板滑动支座和防震缝结合的独立连接形式。而重庆来福士广场项目空中连桥采用了一种动态连接方式。
图1不同连接形式建筑结构
1.1 空中连桥与塔楼连接
在250m高空连接4座塔楼，是目前较为复杂和困难的结构设计问题。从位移需求、剪力需求、用钢量以及塔楼和连桥间的相互影响等多方面，确定了动态连接（抗震支座与阻尼器组合）方式作为最终连桥支座方案，如图2所示。将不同连接方案的计算结果进行比较，通过饼状图将各个方案的塔楼和连桥间的剪力、相对位移以及整个模型用钢量的增加展示出来，结果表明方案4最为合理。
图2支座连接不同方案比较
连桥安放于4个塔楼上，每个塔楼上均安装6个隔震支座。两组阻尼器于左右两侧控制东西和南北方向变形。在塔楼顶部5m，设有转换结构，支座安装在3m宽、5m深的转换梁上，如图3所示。
图3空中连桥与塔楼连接示意图
1.2 空中连桥结构体系
连桥的主桁架为3组东西向连续桁架并跨越4个塔楼，垂直于主桁架方向大约每4.5m安装一梯形次桁架连接3组主桁架。连桥上下各浇筑250mm混凝土组合楼板。连桥构件主要于反弯点(塔楼两侧)断开，设置连接点方便施工后期连接中间段。两组从连桥主结构悬挑出的小连桥作为连桥与北塔楼之间的建筑通道，但结构上小连桥与北塔楼之间设置防震缝。
主桁架主要构件为方钢管，增强局部抗扭能力。次桁架主要由工字钢组成，方便施工连接。连桥的结构体系如图4所示。
（a）塔楼桁架结构
（b）桁架构件示意图
图4 空中连桥结构体系示意图
2 减隔震支座连接节点设计
在4栋连体塔楼的顶端分别设置巨梁，用于支承连桥并放置支座。建立三维实体有限元模型，考察在控制工况下巨梁与混凝土墙肢之间连接是否可靠；混凝土应力、应变状态；钢板与混凝土能否协同工作等。同时根据分析结果对节点区提出相应构造加强措施，如图5所示。
图5 支撑连桥与支座巨梁节点示意图
巨梁(分两种，一种为普通巨梁，一种为缺口巨梁)截面高度5m，跨度8~10m，为深梁。巨梁一端支撑在截面为650×5000、跨度为7.8m的窄深梁上，窄深梁内配置钢板；巨梁另一端支承在内筒400mm厚的剪力墙上，与巨梁相交处局部墙体增厚为800mm。按规范深梁公式，验算巨梁和窄深梁抗剪、抗弯、裂缝、挠度、局压等各项指标，根据结果配置钢筋，建于有限元模型中。如图6所示。
图6 混凝土与钢筋有限元模型
1 典型组合伸臂系统
目前国内外超高层建筑的伸臂系统采用钢桁架形式较为典型，已建成的实例也不在少数，如香港国贸、北京国贸三期、广州东塔、天津117等。这种传统设计虽然能为塔楼整体提供较好的抗侧刚度和延性，但其钢结构工期较长、单价较高、施工较困难等方面的弊端也较为突出。图1为典型钢桁架伸臂系统。
图1 典型钢桁架伸臂
2 创新组合伸臂系统及设计分析
2.1 伸臂系统选型
伸臂系统自身的刚度和延性（地震区）对超高层塔楼的整体特性具有重大意义。图2和表1为重庆来福士广场北塔楼伸臂选型过程，对6种不同的伸臂形式从构件效率、用钢量、单个构件尺寸、节点连接形式、钢筋用量等方面给出了比较。前4种方案为纯钢结构方案，无论是结构刚度还是单个构件尺寸都较方案5（混凝土与钢构组合伸臂形式）利用率低。方案6为纯混凝土方案，虽然结构刚度高、用钢量少，但是混凝土在中、大震下开裂与损伤不可避免，降低了该伸臂形式的可行性，并且还要考虑机电层管线与设备的走向及布置，实际操作性较差。在相同刚度的前提下，通过对比6种方案的效率、用钢量及实际操作性进行选择，见表1。
图2 不同伸臂概念选型
从总体上来看，方案5为一种较为合理的形式，钢伸臂段为机电预留足够管线空间，同时通过“结构保险丝”的引入保护混凝土的应力、应变发展，提升了中、大震情况下伸臂系统的性能。
2.2 创新组合伸臂系统
依据伸臂系统的选型，伸臂系统设计如图3所示。该系统包括连接于外框柱上的软刚剪切耗能件、从核心筒角部延伸出的钢筋混凝土伸臂墙、连接剪切耗能件和混凝土伸臂墙的钢支撑（该钢支撑贯穿混凝土伸臂墙并和核心筒内的预埋钢环梁相连以使传力直接）以及围绕核心筒一周的钢筋混凝土环梁（保护核心筒）。
图3 组合伸臂系统
该系统利用混凝土伸臂墙刚度较大的特点以提高结构的整体刚度，且通过系统构件合理屈服顺序的设计，使得剪切耗能件在大震情形下屈服，起到保险丝的作用，利用其屈服后的延性和耗能能力保护混凝土伸臂墙和核心筒。另外，非混凝土伸臂墙段的空间也给建筑走道和机电管线提供了必要空间。
2.3 设计分析
根据前述的设计分析模型及性能目标，对该组合伸臂系统及构件进行了弹塑性有限元分析。建立的组合伸臂系统整体有限元模型如图4所示。
图4 组合伸臂系统有限元模型
总的来说，构件的屈服顺序由先到后应分别为剪切耗能件、钢伸臂、混凝土墙身段、混凝土核心筒。性能目标梯度见图5。
图5 组合伸臂系统构件性能目标梯度
3 节点试验
3.1 剪切耗能件试验
共制作11个试件对剪切耗能件进行低周往复试验，试验的缩尺比例采用1：6，图6为其中一个试件加工完成的图片。试验结果表明，剪切耗能件的设计满足组合伸臂系统总体设计对剪切耗能件延性和抗剪承载力的要求，与有限元分析结果较为接近，且在延性方面有较大富余。
图6 典型剪切耗能件试件
3.2 组合伸臂系统试验
组合伸臂系统试验（2组）试件包括外框柱、组合伸臂系统以及1/4核心筒墙体，采用1：8比例。图7为该组试件的加工图片。结果表明，试验中构件屈服荷载和次序与设计和分析的屈服次序吻合，有一定安全度，且与有限元分析和剪切耗能件试验的结果较为吻合。
图7 组合伸臂系统试件
4 新型组合伸臂系统在北塔楼结构中的应用
两栋北塔楼由于重量和核心筒大小不同，分别有3道和4道组合伸臂，沿塔楼高度均匀分布。塔楼抗侧体系由带有腰桁架巨型外框架+伸臂系统+钢筋混凝土核心筒组成，组合伸臂为塔楼的关键抗侧构件，提高了塔楼抗侧与抗倾覆能力。由于每个加强层的组合伸臂承载力设计值各有不同，建筑和机电设计要求不同，每个组合伸臂的形状及各构件截面尺寸也有所不同。在此仅提供其中一个组合伸臂的部分设计信息作为参考，见图8。
图8 典型组合伸臂结构详图
重庆来福士广场塔楼位置筏板厚度为3.0m（T1，T2，T3S，T4S，T5，T6塔）和4.0m（T3N，T4N塔），混凝土强度等级为C40；裙房位置筏板厚度为0.5~0.65m，混凝土强度等级为C40。
场地西侧部分塔楼区域采用大直径人工挖孔桩，基桩将塔楼的竖向荷载全部传递至潜在滑动面以下稳定岩层，桩端嵌入稳定中风化层；裙楼区域采用较小直径的抗拔或抗压灌注桩，桩端嵌入中风化岩层。东侧填土较深塔楼区域采用大直径人工挖孔桩，裙楼区域采用较小直径抗拔或抗压灌注桩，桩端均嵌入稳定中风化岩层。桩基平面布置示意见下图。
桩基平面布置示意图
更多内容详见2015年第24期《建筑结构》杂志奥雅纳工程顾问专栏相关文章：
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