免責聲明：該份文件來源于網絡奧雅納公司關于《天津高銀117大廈: 細長體型的結構解決方案》作者：劉鵬、何偉明、李志铨等，版權歸原作者所有，本次僅用于學習分享！

天津高銀117大廈建築高597米，是中國在建的屋頂高度最高的建築物，結構高寬比達到約9.5，使其形态非常纖細。為滿足抗震與抗風的技術要求，結構采用了含有巨型組合柱的外框架以及含有組合鋼闆混凝土混合的結構體系。結合新的抗震規範要求，在整體剛度控制、材料與構件選型、性能化設計、巨型柱設計、防倒塌及穩健性分析、彈塑性動力時程分析等方面均體現了許多新的特點和設計要求。在克服了結構設計種種挑戰的同時，成功實現了建築師及業主方的設計意圖。

關鍵詞：巨型框架、地震帶、巨型柱、組合鋼闆剪力牆

高銀117大廈從結構屋頂高度測量将會成為中國第一高樓。此項目位于天津市，為一幢寫字樓為主附有六星級酒店及相關設施的大型超高層建築。總建築面積約37萬平方米，建築高度約為597米，共117層（地上結構樓層共126層），由天津海泰新星房地産開發有限公司投資開發。

巨塔平面為正方形，外形随高度變化，各層周邊建築輪廓随着斜外立面逐漸變小，塔樓首層建築平面尺寸約65米×65米，漸變至頂層時平面尺寸約45米×45米（見圖1）。

塔樓結構高度為584米，高寬比約9.5，大大超過中國抗震規範7.0的限值要求，因此必須通過國家專家審查。

由于天津處于中國北方地震高烈度區（7度0.15g），且所在場地覆蓋層較松軟，根據中國規範要求必須采取更為嚴格的控制标準，因此結構抗震設計面臨更為嚴峻的技術要求和條件。

圖1 整體效果圖

圖2 首層結構平面圖

圖3 結構體系三維示意圖

建築平面

設計過程中通過與建築師和機電專業工程師的不懈協調，最終實現了結構平面及核心筒幾乎雙軸對稱的格局，如圖2所示。

周邊結構

為實現建築布局并确保結構安全，結合工程經濟性充分發揮鋼與混凝土兩種材料的優勢。塔樓高寬比對巨塔的要求迫使采用更為高效的支撐布置形式。經過與業主及建築師協調，除底部節間考慮建築主入口的要求為人字支撐外，其餘節間采用交叉撐的形式，此舉明顯提高了結構整體剛度，最大程度地發揮了構件效率，從而滿足了結構抗震及抗風的一系列技術要求。

由于外框架剛度在大部分樓層超過了鋼筋混凝土内筒，因此伸臂桁架對于提高結構整體剛度的作用不明顯，最終予以取消。

最終的結構穩定體系，如圖3所示，是分别由鋼筋混凝土核心筒，帶有巨型支撐筒、巨型框架構成的周邊結構構成的多重結構穩定體系（見圖4），提供了強大的側向剛度，共同抵抗水平地震及風荷載。

圖4. 多重抗側力穩定體系

由于城市規劃部門和業主弱化交叉支撐視覺效果的要求，因此設計中采取了将斜撐與周邊次框架在平面上錯開的方案，這還可簡化重力荷載路徑（見圖5）。

為防止可能的連續倒塌，一旦副架的下層柱遭到破壞，上部需有另一條傳力路徑，通過長圓孔節點來連接柱體和帶狀桁架，一旦下層柱失效，節點則會被激活（見圖6）。帶狀桁架設計用于橫向/豎向高地震荷載的綜合要求。而且這一簡單的構造在不增加額外成本的同時，還提升了重力系統的魯棒性與安全性。

核心筒

核心筒從承台面向上伸延至大廈頂層，貫通建築物全高，其平面基本呈長方形。底部尺寸約為34米×32米，直至核心筒于層67完全呈現正方形。

塔樓核心筒采用内含鋼骨的型鋼混凝土剪力牆結構，并在下部采用内嵌鋼闆的組合鋼闆剪力牆結構，以防止大震下的剪切破壞，如圖7所示。此體系自北京國貿三期在國内首次采用後在超高層建築中得到了廣泛的應用。一旦證明牆體的抗剪強度很高，可以改善普通混凝土牆的延性，同時組合牆體也不像純鋼闆牆在受力時可能發出聲音。組合牆體的采用提高了構件抗壓、抗剪承載力，有效降低結構自重及質量。

核心筒周邊牆體厚度由1400mm從下至上逐步均勻收進至頂部300mm；牆體内的鋼闆布置由底部的兩塊35mm厚鋼闆到約層32處的單塊25mm鋼闆。

巨型柱

巨型柱位于建築物平面四角并貫通至結構頂部，在各區段分别與水平杆、轉換桁架及巨型斜撐連接。其平面輪廓結合建築及結構構造連接要求，呈六邊菱形，底部截面約為45m2（見圖8），沿高度并配合建築要求分多段内收，柱體外側平齊。

巨型角柱與轉換桁架及巨型斜撐連接，其設計也經過了不斷的演化，特别是對型鋼混凝土柱和鋼管混凝土柱之間進行了各方面的比對，權衡利弊。根據相關試驗結論，柱内各孤立的鋼骨間必須采取全高的強連接的方式，避免出現類似格構柱的分離式的布置，确保柱的整體延性。最終考慮将鋼闆在周邊外置，内部鋼闆根據構造要求相互連接，獨立分割，如圖所示，形成了多腔體的6邊形鋼管混凝土組合構件，獲得巨大的拉壓彎及抗剪扭承載力，以抵抗豎向荷載及風、地震産生的側向荷載。

巨形柱非節點區整體含鋼率約為4%~6%，鋼材采用Q345GJ(或Q390GJ)。由底至頂内填高強混凝土，強度C70~C50。各腔體内布設鋼筋，在提高構件強度的同時，有效降低混凝土收縮徐變産生的不利影響。在各腔體内側對稱布設縱向内肋闆，并用水平拉結鋼筋連接，約束鋼闆面外屈曲。

巨型柱結構設計，綜合平衡了建築布局、結構整體剛度、構件受力性能、節點連接、工程造價、制作加工、施工可行性等各方面

圖7. 複合鋼闆剪力牆圖表

圖8. 底部典型樓層巨型角柱45m2截面構造示意圖

的要求，達到最優的綜合經濟技術性能。

巨型支撐和轉換桁架

巨型支撐設置于大廈四邊的垂直立面上，采用焊接箱形鋼截面并與巨型柱連接。巨型斜撐與邊梁柱相互脫開，為樓面系統提供了側向支持以控制巨型支撐平面外的屈曲。

轉換桁架配合建築及機電專業要求，設置于避難及設備層。由9組沿塔樓每12~15層均勻分布。轉換桁架承擔其間隔樓層豎向荷載并将其轉換至角柱，并與四角的巨型柱共同作用，提供部分抗側剛度，增加大廈的抗扭性能。在罕遇地震下，轉換桁架将成為防止樓面局部倒塌，确保安全的重要構件，還考慮了大跨結構豎向地震作用，提高其性能化設計水準至大震不屈服。

樓闆體系

塔樓核心筒外，樓面梁采用了常見的組合樓闆體系，間距為三米的簡單支撐鋼梁，跨度由高至低約為6～13m，兩端鉸接，鋼梁典型間距為3m，包括金屬面闆在内的總樓闆厚度辦公樓層為120mm、酒店樓層為130mm。

為确保水平剪力在核心筒與外框架、主塔樓與裙樓間以及主體結構和結構大底盤之間的可靠傳遞，樓闆固層厚度為200～300mm。基礎體系

結構共有4層地下室,埋深約26米.塔樓采用鑽孔灌注樁-平闆式筏闆基礎,筏闆尺寸為86m*86m,厚度6.5m,混凝土強度C50.塔樓下總樁數941根,有效樁長約76m, 樁徑1m,混凝土強度C50.為進一步提高單樁承載力并控制沉降,樁側樁底采用了後壓漿,結合塔樓下不均勻樁反力分布,單樁設計承載力采用分區設計,巨型柱下最大單樁承載力特征值達到1650噸以滿足抗震和抗風的設計要求。

整體性能彈性分析

基本參數

塔樓結構設計基準期及設計使用年限為50年，耐久性為100年，建築抗震設防烈度7度，地震加速度為0.15g。

塔樓主體結構風荷載的确定，按照“強度控制按100年規範風速風洞試驗，位移控制按50年規範風速風洞試驗荷載”原則進行。抗震性能化設計要求

由于結構超限較多，按照性能化設計的思想，經過與超限審查專家組的多次讨論，明确了結構整體和各構件抗震目标。對于彈塑性時程分析明确了大震下的抗震性能目标。

彈性分析

彈性分析采用了ETABS和MIDAS。彈塑性分析除采用LS-DYNA，同時應用ABAQUS進行了第三方的比對分析。

結構前三個自振周期分别為9.06，8.97，3.46s，前兩振型均為平動，第三振型為扭轉。

傾覆彎矩、層剪力和剪重比

小震和風荷載作用下底部剪力如下所示。結構地震下的位移根據最小底部剪力進行了調整，大于風荷載下的位移。因此結構的側向剛度主要受地震荷載控制（見圖9）。

位移

如圖10所示，采用50年一遇的風荷載，最大層間位移角為1/667，小震下層間位移角計算考慮了剪重比和豎向地震放大的影響，最大層間位移角為1/516（放大前為1/614），均處于建築層97，在中國設計規範限制的1/500以内。

小震彈性時程分析

小震分析采用了七組強震加速度記錄作為動力時程分析，其中兩組為人工波，其餘五組為天然波。七條時程曲線的基底剪力均大于反應譜法的65％，平均值大于反應譜法的80％，滿足規範要求。結構設計取時程波在各層的平均值，在反應譜基礎上将内力值進行放大調整，進行構件的補充驗算。

内外框架剪力與傾覆力矩

外框筒承擔了标準樓層約70％以上的剪力，明顯大于核心筒（見圖11）。在結構加強層，由于外框筒剛度在該樓層的顯著增大，導緻外框筒吸收的地震剪力出現突變，同時伴随水平力在内外筒間進行傳遞。

圖9. 樓層剪力和小震剪重比分布圖

圖10. 地震及風作用下層間位移角

圖11. 剪力及傾覆彎矩在内外框架分布示意圖

外框筒分擔了各層約80％的傾覆力矩。

從層剪力和傾覆力矩内外筒分擔比例分析看，帶有巨型支撐的巨型框架結構體系提供了大部分剛度，而内部核心筒則成為“次級”體系。這種布置的好處是對内部核心筒的抗震性能要求可以降低。

風舒适度分析

塔樓風洞試驗分别由英國BMT公司和汕頭大學風洞試驗室完成，兩個試驗結果是一緻的，顯示本工程的最高住人樓層加速度為20.3mill-g，滿足國家規範要求。

軸向縮短分析

高層建築在重力荷載下高度會有所縮短，并且在收縮和徐變效應下也會彈性化的變化。初步的建設方案模拟分析被用于估算軸向縮短量并評估額外産生的受力。其結果顯示，巨型框架的内力由于巨型柱的縮短而增大，而這些巨型柱已被進行适當的受力能力檢查。

罕遇地震彈塑性時程分析

為實現在罕遇地震作用下防倒塌的抗震設計目标，工程采用了美國FEMA356（建築抗震修複預标準及其說明)和ATC40 所提供的結構構件彈塑性變形可接受限值，以及所建議的結構非線性地震分析方法與步驟。結構的非線性地震反應分析采用了通用非線性動力有限元分析軟件LS-DYNA 進行計算，考慮了幾何非線性與材料的非線性。

對于組合鋼闆剪力牆，把鋼闆和混凝土剪力牆分别建成共節點的非線性殼單元，保證鋼闆與混凝土協同作用。大震對彈塑性整體分析模型的質量及周期振型等信息與ETABS模型相比較，确保了彈性兼容性的動力特性。

圖12顯示了罕遇地震下，7條時程波在彈塑性動力分析中，結構整體在X和Y方向上層間位移角的分布情況，均滿足規範1/100的要求。

設計研究和建議

整體剛度控制與結構選型

塔樓結構高近600m，在風及地震作用下，整體剛度合理定量控制成為結構設計最重要的内容之一。因而剛重比、剪重比、結構層間位移角及風載頂點加速度（舒适度）這4項指标同時成為結構整體剛度的控制性因素，特别是超高層建築“剪重比不能超越規

圖12. 罕遇地震彈塑性動力時程分析結構整體層間位移角

範限值太多”的要求下，控制結構整體重量，采用更高效的抗側力體系和構件布局成為設計的關鍵性因素。結構整體采用鋼-混凝土混合結構，有效地将鋼及混凝土進行組合，既具有鋼結構的技術優勢又具備混凝土造價相對低廉的特點，結構剛度大，防火性能好，與純鋼結構相比具有明顯的優勢，成為了塔樓最為經濟合理的結構形式。

材料選擇

經統計，結構地震質量的30％來源于混凝土核心筒，剪力牆軸壓比成為核心筒全高的控制性指标。考慮一定的延性要求，混凝土材料等級被控制在C60，因此嵌入鋼闆的這種構造，提高了結構整體剛度、抗剪及延性等性能。

外框架結構形态選擇

由于塔樓采用巨型框架＋交叉支撐的結構形式，外框架整體剛度明顯大于内筒。

外筒剛度的增大，使得内外筒均呈現整體彎曲變形的特征，兩者變形相對協調，伸臂桁架對協調兩者變形的效能降低，對結構整體剛度幾乎無貢獻。

性能化設計

在規範體系框架下，采用抗震概念設計并輔以罕遇地震下彈塑性時程分析和整體模型振動台試驗仍舊是中國對于複雜超限建築抗震設計主要的方法，對于重要構件的強度要求則根據特點相應采用更高的抗震性能目标。例如本塔樓巨型柱、轉換桁架要求滿足大震性能，而核心筒（拉壓彎）和巨型斜撐則按照中震性能進行複核。對于巨型柱的拉壓彎構件校核，則分别考慮了小震、中震以及百年風作用不同的内力組合，而在大震下，結構自重不能平衡地震作用産生的軸拉力，因而使巨型柱在大部分高度範圍内出現受拉工況。随着地震設計内力水準的顯著提高，高震區超高層建築中拉彎作用有可能成為相關構件設計的控制性因素，因而巨型柱的型鋼和鋼筋同時根據校核結果設計抵禦此軸拉作用。此外在非線性分析中，同時考慮了巨型柱内由于混凝土受拉開裂構件剛度退化産生的相應影響。

總結

對于天津高銀117大廈這樣一個高纖細建築的結構設計，在中國規範基礎上采用相應的抗震性能化設計貫穿了整個設計過程。基于大量的線性與非線性反應譜和動力時程進行的抗震分析與抗風工況分析确保了整個結構滿足相應的性能目标。在現有中國規範體系下，實施并接受真正的性能化設計仍舊存在一些障礙。但考慮當前中國建造超高層建築急速發展的環境，目前的設計方法是在現行規範下較為實際和穩妥的。

免責聲明：該份文件來源于網絡奧雅納公司關于《天津高銀117大廈: 細長體型的結構解決方案》作者：劉鵬、何偉明、李志铨等，版權歸原作者所有，本次僅用于學習分享！

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