免責聲明：文章來自建築結構《蘇州某超高層塔樓結構分析和設計》作者：王瑞峰， 朱希等

［摘要］ 蘇地2014-G-70 号地塊超高層塔樓高度419. 7m，由于其獨特的對稱幾何“鑽石”造型，采用平面和豎向雙混合的結構體系，即低區結構體系為巨柱 鋼筋混凝土核心筒，高區結構體系為巨柱 鋼框架-支撐體系。對本工程主要的結構設計特點進行了闡述，介紹了其抗震超限設計的主要措施; 設計中對加強層數量和位置進行研究，優化了結構方案; 對外框斜柱變斜率處節點進行有限元分析，保證了關鍵構件的安全; 通過整體彈性屈曲分析和大震彈塑性穩定分析來保證外框巨柱的整體穩定。結果表明，結構可滿足預定的抗震性能目标。

［關鍵詞］ 混合結構; 鋼管混凝土巨柱; 鋼框架-支撐結構; 加強層; 鋼結構節點

蘇地2014-G-70 号地塊超高層綜合體包括一幢超高層塔樓和附屬配套商業裙房，超高層塔樓地上79 層，塔樓5～45 層為辦公區，46 ～ 65 層為公寓區，66～79 層為酒店區，建築高度( 大屋面) 為349. 7m，塔冠頂高度為419. 7m; 商業裙房共四層，建築屋面高度22. 7m; 地下室4 層，地下4 層建築标高－20. 300m; 地上總建築面積為22. 6 萬m2［1］。

圖1 為塔樓效果圖，塔樓立面采用切削、收分的方法，形成對稱幾何“鑽石”造型，各層平面輪廓均随立面變化。圖2 為建築立面和功能分布。

本工程為超B 級高度的高層建築結構，設計基準期為50 年，結構設計使用年限為50 年，結構抗震設防類别為重點設防類( 乙類) ，結構耐久性為50年，結構安全等級為二級。抗震設防烈度為7 度，場地類别為Ⅲ類，特征周期為0. 45s，設計地震分組為第一組［2］。50 年一遇基本風壓0. 45kN/m2［3］，因高度超過200m 且體型特殊，需進行風洞試驗，設計中風荷載采用了風洞試驗和《建築結構荷載規範》( GB 50009—2012) ［3］包絡設計的方法，本項目風洞試驗的風荷載值［4］比規範值大，設計中風荷載采用了風洞試驗的結果。

塔樓區域地下4 層，埋深約為25m，采用樁筏基礎( 圖3) ，樁為樁徑1 000mm 的旋挖成孔灌注樁，有效樁長75m，樁身混凝土強度等級C50; 筏闆厚度4. 2m，混凝土強度等級C40。

圖3 基礎平面示意圖

樁基以14－3粉細砂層為持力層，采用樁端、樁側聯合後注漿技術，樁基承載力特征值11 500kN。

根據以上的樁基承載力，核心筒外需布置工程樁，該部分樁通過底闆剛度的協調與核心筒内的樁共同承擔上部荷載。為減小筏闆内由于協調樁基共同作用而産生的剪力和彎矩，在核心筒外牆外、巨柱處設置翼牆，翼牆的高度為整個地下室高度，翼牆同時也有助于加大地下室抗側剛度，形成對塔樓的有效嵌固。

通過基礎的有限元計算，考慮整體剛度和樁身壓縮的影響，核心筒範圍内樁頂最大沉降計算值為92mm，巨柱處樁頂最大沉降計算值60mm。筏闆的承載力設計中考慮了樁基沉降變形的影響。

各層平面的外包結構輪廓均為58m×58m，立面切削後，各層平面輪廓不斷變化，塔樓各區結構典型平面簡圖見圖4。

基于建築造型的需求，考慮施工可行性，以及參考類似高度的已建建築［5］，選擇巨柱( 直柱/斜柱) 鋼筋混凝土核心筒作為低區( 65 層及以下) 的結構體系，選擇巨柱( 直柱) 鋼框架-支撐體系作為高區( 66 層及以上) 結構體系，同時分别在11 ～ 12 層、33～34 層、45～46 層、54 ～ 55 層、63 ～ 64 層外框架設置五道環帶桁架。

核心筒外的樓面梁采用鋼梁，65 層及以下外框架和核心筒之間鋼梁為鉸接連接，樓面采用壓型鋼闆混凝土組合樓闆。對于66 層及以上部分，由于核心筒内存在全中庭，需要通過結構的懸挑實現，混凝土結構對核心筒滑模施工有較大的影響，出于簡化施工界面和加快施工速度的考慮，以及減輕頂部結構自重、改善結構抗震性能的目的，該部分結構内部筒體采用全鋼結構的框架-支撐體系，在内部交通核周邊設置一圈支撐，支撐的設置要避免對建築門洞的影響并與機電系統協調管線的通過，避免對建築功能的影響，外框柱與内框之間設置兩端剛接的鋼框梁， 66 層及以上樓層以及全樓各加強層樓面采用鋼筋桁架樓承闆; 各區典型樓面結構平面圖如圖5所示。

因此本項目的混合結構體系包括了平面混合

圖4 塔樓各區結構典型平面簡圖

圖5 塔樓典型結構平面圖

( 鋼結構外框 混凝土核心筒) 和豎向混合( 内部筒體在高區轉換為鋼框架-支撐) 。

核心筒混凝土強度等級C60，外牆厚度最大1. 2m; 鋼管混凝土巨柱( CFT 柱) 混凝土強度等級C70，最大直徑2. 3m，鋼材等級Q345GJC; 環帶桁架部分鋼材等級采用了Q390GJC。

圖6 為塔樓整體結構抗側體系示意圖，外框架、核心筒、鋼框架-支撐、5 道環帶桁架、塔冠組成了整體結構抗側體系。

4. 1 超限情況

塔樓大屋面建築高度349. 7m，塔冠頂高度419. 7m，超過《高層建築混凝土結構技術規程》( JGJ3—2010) ［6］( 簡稱《高規》) 規定的混合結構最大高度190m，為高度超限。按建築高度得出的高寬比為7. 20，超過了《高規》規定的7 度區對B 級高度的最大高寬比限值7( 混合結構) ，也超過《高層民用建築鋼結構技術規程》( JGJ 99—2015) ［7］規定的7 度區最大高寬比限值6. 5( 全鋼結構) 。

圖6 結構抗側體系示意圖

在66 層及以上樓層中，由于中庭存在，樓闆寬度與結構尺寸的比為38. 4%，為樓闆不連續; 底部大堂、頂部存在穿層柱，外框柱為斜柱; 除了8 根通高的柱，其他8 根外框柱通過63 ～ 64 層處的環帶桁架轉換， 65 層以上筒體的鋼框架-支撐由下部混凝土筒體轉換而成。

4. 2 性能目标

塔樓的結構設計需采用抗震性能化設計，塔樓的結構抗震性能目标定為C 級，主要抗側構件的性能化設計的具體要求見表1。

4. 3 主要設計措施

1) 針對超限情況，設計了合理的抗震性能目标( 表1) ; 2) 重視多道防線的設計概念; 對重要構件進行抗震等級的提高; 3) 提高關鍵構件的延性，在底層核心筒設置鋼闆、加強區核心筒設置型鋼來增強核心筒延性，外框柱采用鋼管混凝土柱的形式來提高外框架的延性; 4) 在折型環帶桁架相應的樓層内設置面内支撐來提高平面内的整體剛度和承載力; 5)由于結構外形存在内凹，公寓區和酒店區設計中采用外框架梁直線拉結來保證外框架的抗側能力; 6) 通過彈塑性時程分析找出薄弱部位，并針對性加強。

4. 4 關鍵構件抗震等級

針對超限情況，結合抗震性能目标和設計加強措施的要求，本工程主要關鍵構件的抗震等級按表2 設定。

本工程的設計于2017 年7 月通過全國超限高層抗震設防超限審查。

5. 1 加強層的布置和優化

本塔樓的設計中，設置加強層是基于控制抗側剛度的要求，一般結合避難層/設備層設置伸臂桁架或環帶桁架。環帶桁架對建築功能的影響較小，伸臂桁架可更好地協調外框架和核心筒，本工程最初的設計是考慮集合兩種形式的優點，混合使用，在11～12 層、45～46 層、54 ～ 55 層、63 ～ 64 層設環帶桁架，同時在54～55 層設伸臂桁架，其中45 ～ 46 層環帶桁架兼有轉換桁架的功能。

本塔樓的核心筒為八邊形，根據柱位和核心筒關系可以得到兩種可能的伸臂桁架布置方案: 伸臂桁架直接入牆( 圖7( a) ) 、交叉伸臂桁架( 圖7( b) ) 。伸臂桁架直接入牆時，與伸臂桁架聯系的核心筒外牆之間角度較大，傳力效率不高，入牆節點複雜; 交叉伸臂桁架更加順直，效率提高，但仍存在節點交叉、入牆節點複雜等問題。

基于以上伸臂桁架存在的問題，設計優化中考慮加強層全部采用環帶桁架，取消54 ～ 55 層伸臂桁

圖7 伸臂加強層方案

架，在33～34 層增設一道環帶桁架。具體優化方案見圖8。3 種加強層方案的具體計算結果見表3。

根據小震計算結果，三種方案的動力特性、抗側能力總體相當，設計采取了更便于施工的全環帶桁架加強層方案。

對全環帶雙重混合結構體系的整體剛度進行分析，以确保結構的抗側能力和整體穩定性。本結構體系的抗側剛度是按低區混合結構( 65 層及以下)的層間位移角1 /500、高區全鋼結構層間位移角1 /250 來進行控制的。圖9 為地震和風荷載下塔樓結構的最大層間位移角計算結果，結果表明: 地震和風荷載作用下65 層及以下層間位移角的限值要求與常規帶加強層的混合結構的層間位移角限值要求相當， 66 層及以上全鋼結構部分層間層間位移角比混合結構略大，本工程全高範圍内層間層間位移角均能控制在1 /500 以内。

圖8 加強層的優化

為進一步驗證本工程雙混合結構體系的穩定性，采用MIDAS Gen 軟件進行了結構整體屈曲分析。頂部塔冠結構剛度較小，分析時将塔冠結構按集中點荷載( 1. 0 恒載 1. 0 活載) 施加于主體結構頂部，進行下部結構的整體穩定分析。選取1. 0 恒載 1. 0 活載進行主體結構線彈性屈曲分析，分析得到的前2 階屈曲模态，均為整體彎曲失穩，屈曲因子分别為11. 0 和11. 3，相應的屈曲模态見圖10，一階和二階屈曲模态分别為沿Y 向和沿X 向失穩。參考廣東省标準《高層建築混凝土結構技術規程》( DBJ 15-92—2013) ［8］的相關指标，塔樓整體失穩的屈曲系數均大于10，說明結構在重力荷載作用下不會産生失穩倒塌。

采用LS-DYNA 程序對全環帶加強層的結構方案進行大震下的彈塑性分析。分析結果顯示，主體抗側力構件總體未出現明顯的塑性變形，構件抗震性能滿足預期的性能目标。

圖10 整體屈曲模态

5. 2 交叉斜柱變斜率處的設計和節點分析

由于建築功能及立面的要求，塔樓中部的斜柱在11 層處進行了一次斜率的變化，如圖11、圖12所示。為了平衡由于斜柱斜率改變引起的軸力，在11 層樓面内布置了水平支撐構件。圖13 為變斜率斜柱與平衡構件的三維關系圖。

圖14、圖15 為外框柱變斜率處構件關系及節點構造詳圖。圖16 為外框柱變斜率處節點等效應力分析結果。圖17、圖18 分别為平衡構件

入剪力牆節點詳圖、等效應力計算結果。圖16和圖18 的結果顯示，節點能夠滿足性能目标要求。

通過整體分析、節點有限元計算，确保了傳力的可靠性和節點構造的可實施性。同時由于在33 層增設了一道環帶桁架，在一定程度上減小了斜柱的軸力，從而減小了11 層處的附加軸力，對水平平衡構件及相應節點的受力也有所改善。

5. 3 外框柱的計算長度和穩定驗算

塔樓的外框鋼管混凝土柱的穩定性需要各層樓面框架梁來提供約束，如按《鋼結構設計标準》( GB50017—2017) ［9］( 簡稱《鋼标》) 提供的計算長度系數法來計算穩定承載力，那麼計算長度需要有一個合理的取值。本工程塔樓外框架柱采用大直徑圓鋼管混凝土柱，柱剛度遠大于框架梁剛度，因此塔樓外框架柱的計算長度系數取值也有别于一般結構的框架柱。鋼管混凝土框架柱的等效計算長度Le按以下三個步驟确定:

( 1) 對整體模型進行線性屈曲分析，得到結構各階屈曲模态及屈曲因子。

( 2) 檢查各階屈曲模态形狀，确定鋼管混凝土柱發生屈曲失穩時的屈曲因子及屈曲臨界荷載Pcr。

( 3) 由歐拉臨界荷載公式( 1) 反算出構件的等效計算長度Le［10］:

根據上述原則，以低區辦公區框架柱為例，主要的失穩模态見圖19。根據此失穩模态求得的框架柱等效計算長度見表4。

結合表4 的等效計算長度，可以采用《鋼标》給定的方法來驗算框架柱的穩定承載力。通過穩定承載力、整體的彈性屈曲分析、大震彈塑性穩定分析三個層面，共同确保了外框柱的整體穩定。

圖19 辦公區框架柱屈曲模态

( 1) 本項目的混合結構體系包括了平面混合( 鋼結構外框 混凝土核心筒) 和豎向混合( 内部筒體在高區換化為鋼框架-支撐) ，在滿足本工程獨特的外形要求下，可以很好地提供抗側能力，并提供多道抗側防線。

( 2) 設計中通過對加強層的形式和位置進行優化，最終選擇了較容易實施的5 道環帶桁架的加強層方案。

( 3) 外框斜柱變斜率是本項目的設計難點，通過概念設計、整體分析、有限元分析等多種手段保證了節點的可實施性和傳力可靠性。

（4）)通過整體彈性及彈塑性穩定分析、規範計算等方法來共同驗證巨柱的穩定性。

［1］ 陳锴，王瑞峰． 蘇地2014-G-70 号地塊三超限建築結構抗震設防可行性論證報告［Ｒ］．上海: 華東建築設計研究總院， 2017．

［2］ 建築抗震設計規範: GB 50011—2010［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2010．

［3］ 建築結構荷載規範: GB 50009—2012［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2012

［4］ 蘇地2014-G-70 号地塊三和地塊四風洞試驗研究報告［Ｒ］．上海: 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，2017．

［5］ 周健，陳锴，張一鋒，等． 武漢中心塔樓結構設計［J］．建築結構， 2012， 42( 5) : 8-12．

［6］ 高層建築混凝土結構技術規程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2011．

［7］ 高層民用建築鋼結構技術規程: JGJ 99—2015［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2015．

［8］ 高層建築混凝土結構技術規程: DBJ 15-92—2013［S］．北京: 中國建築工業出版社， 2013．

［9］ 鋼結構設計标準: GB 50017—2017［S］． 北京: 中國建築工業出版社， 2018．

［10］ 陳骥． 鋼結構穩定理論和設計［M］． 北京: 科學出版社， 2008．

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