免责声明：文章来自建筑结构《苏州某超高层塔楼结构分析和设计》作者：王瑞峰， 朱希等
［摘要］ 苏地2014-G-70 号地块超高层塔楼高度419. 7m，由于其独特的对称几何“钻石”造型，采用平面和竖向双混合的结构体系，即低区结构体系为巨柱 钢筋混凝土核心筒，高区结构体系为巨柱 钢框架-支撑体系。对本工程主要的结构设计特点进行了阐述，介绍了其抗震超限设计的主要措施; 设计中对加强层数量和位置进行研究，优化了结构方案; 对外框斜柱变斜率处节点进行有限元分析，保证了关键构件的安全; 通过整体弹性屈曲分析和大震弹塑性稳定分析来保证外框巨柱的整体稳定。结果表明，结构可满足预定的抗震性能目标。
［关键词］ 混合结构; 钢管混凝土巨柱; 钢框架-支撑结构; 加强层; 钢结构节点
1 工况概况苏地2014-G-70 号地块超高层综合体包括一幢超高层塔楼和附属配套商业裙房，超高层塔楼地上79 层，塔楼5～45 层为办公区，46 ～ 65 层为公寓区，66～79 层为酒店区，建筑高度( 大屋面) 为349. 7m，塔冠顶高度为419. 7m; 商业裙房共四层，建筑屋面高度22. 7m; 地下室4 层，地下4 层建筑标高－20. 300m; 地上总建筑面积为22. 6 万m2［1］。
图1 为塔楼效果图，塔楼立面采用切削、收分的方法，形成对称几何“钻石”造型，各层平面轮廓均随立面变化。图2 为建筑立面和功能分布。
本工程为超B 级高度的高层建筑结构，设计基准期为50 年，结构设计使用年限为50 年，结构抗震设防类别为重点设防类( 乙类) ，结构耐久性为50年，结构安全等级为二级。抗震设防烈度为7 度，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0. 45s，设计地震分组为第一组［2］。50 年一遇基本风压0. 45kN/m2［3］，因高度超过200m 且体型特殊，需进行风洞试验，设计中风荷载采用了风洞试验和《建筑结构荷载规范》( GB 50009—2012) ［3］包络设计的方法，本项目风洞试验的风荷载值［4］比规范值大，设计中风荷载采用了风洞试验的结果。
2 基础和地下室设计塔楼区域地下4 层，埋深约为25m，采用桩筏基础( 图3) ，桩为桩径1 000mm 的旋挖成孔灌注桩，有效桩长75m，桩身混凝土强度等级C50; 筏板厚度4. 2m，混凝土强度等级C40。
图3 基础平面示意图
桩基以14－3粉细砂层为持力层，采用桩端、桩侧联合后注浆技术，桩基承载力特征值11 500kN。
根据以上的桩基承载力，核心筒外需布置工程桩，该部分桩通过底板刚度的协调与核心筒内的桩共同承担上部荷载。为减小筏板内由于协调桩基共同作用而产生的剪力和弯矩，在核心筒外墙外、巨柱处设置翼墙，翼墙的高度为整个地下室高度，翼墙同时也有助于加大地下室抗侧刚度，形成对塔楼的有效嵌固。
通过基础的有限元计算，考虑整体刚度和桩身压缩的影响，核心筒范围内桩顶最大沉降计算值为92mm，巨柱处桩顶最大沉降计算值60mm。筏板的承载力设计中考虑了桩基沉降变形的影响。
3 上部结构设计各层平面的外包结构轮廓均为58m×58m，立面切削后，各层平面轮廓不断变化，塔楼各区结构典型平面简图见图4。
基于建筑造型的需求，考虑施工可行性，以及参考类似高度的已建建筑［5］，选择巨柱( 直柱/斜柱) 钢筋混凝土核心筒作为低区( 65 层及以下) 的结构体系，选择巨柱( 直柱) 钢框架-支撑体系作为高区( 66 层及以上) 结构体系，同时分别在11 ～ 12 层、33～34 层、45～46 层、54 ～ 55 层、63 ～ 64 层外框架设置五道环带桁架。
核心筒外的楼面梁采用钢梁，65 层及以下外框架和核心筒之间钢梁为铰接连接，楼面采用压型钢板混凝土组合楼板。对于66 层及以上部分，由于核心筒内存在全中庭，需要通过结构的悬挑实现，混凝土结构对核心筒滑模施工有较大的影响，出于简化施工界面和加快施工速度的考虑，以及减轻顶部结构自重、改善结构抗震性能的目的，该部分结构内部筒体采用全钢结构的框架-支撑体系，在内部交通核周边设置一圈支撑，支撑的设置要避免对建筑门洞的影响并与机电系统协调管线的通过，避免对建筑功能的影响，外框柱与内框之间设置两端刚接的钢框梁， 66 层及以上楼层以及全楼各加强层楼面采用钢筋桁架楼承板; 各区典型楼面结构平面图如图5所示。
因此本项目的混合结构体系包括了平面混合
图4 塔楼各区结构典型平面简图
图5 塔楼典型结构平面图
( 钢结构外框 混凝土核心筒) 和竖向混合( 内部筒体在高区转换为钢框架-支撑) 。
核心筒混凝土强度等级C60，外墙厚度最大1. 2m; 钢管混凝土巨柱( CFT 柱) 混凝土强度等级C70，最大直径2. 3m，钢材等级Q345GJC; 环带桁架部分钢材等级采用了Q390GJC。
图6 为塔楼整体结构抗侧体系示意图，外框架、核心筒、钢框架-支撑、5 道环带桁架、塔冠组成了整体结构抗侧体系。
4 结构超限情况及抗震性能目标4. 1 超限情况
塔楼大屋面建筑高度349. 7m，塔冠顶高度419. 7m，超过《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ3—2010) ［6］( 简称《高规》) 规定的混合结构最大高度190m，为高度超限。按建筑高度得出的高宽比为7. 20，超过了《高规》规定的7 度区对B 级高度的最大高宽比限值7( 混合结构) ，也超过《高层民用建筑钢结构技术规程》( JGJ 99—2015) ［7］规定的7 度区最大高宽比限值6. 5( 全钢结构) 。
图6 结构抗侧体系示意图
在66 层及以上楼层中，由于中庭存在，楼板宽度与结构尺寸的比为38. 4%，为楼板不连续; 底部大堂、顶部存在穿层柱，外框柱为斜柱; 除了8 根通高的柱，其他8 根外框柱通过63 ～ 64 层处的环带桁架转换， 65 层以上筒体的钢框架-支撑由下部混凝土筒体转换而成。
4. 2 性能目标
塔楼的结构设计需采用抗震性能化设计，塔楼的结构抗震性能目标定为C 级，主要抗侧构件的性能化设计的具体要求见表1。
4. 3 主要设计措施
1) 针对超限情况，设计了合理的抗震性能目标( 表1) ; 2) 重视多道防线的设计概念; 对重要构件进行抗震等级的提高; 3) 提高关键构件的延性，在底层核心筒设置钢板、加强区核心筒设置型钢来增强核心筒延性，外框柱采用钢管混凝土柱的形式来提高外框架的延性; 4) 在折型环带桁架相应的楼层内设置面内支撑来提高平面内的整体刚度和承载力; 5)由于结构外形存在内凹，公寓区和酒店区设计中采用外框架梁直线拉结来保证外框架的抗侧能力; 6) 通过弹塑性时程分析找出薄弱部位，并针对性加强。
4. 4 关键构件抗震等级
针对超限情况，结合抗震性能目标和设计加强措施的要求，本工程主要关键构件的抗震等级按表2 设定。
本工程的设计于2017 年7 月通过全国超限高层抗震设防超限审查。
5 设计中主要解决的问题5. 1 加强层的布置和优化
本塔楼的设计中，设置加强层是基于控制抗侧刚度的要求，一般结合避难层/设备层设置伸臂桁架或环带桁架。环带桁架对建筑功能的影响较小，伸臂桁架可更好地协调外框架和核心筒，本工程最初的设计是考虑集合两种形式的优点，混合使用，在11～12 层、45～46 层、54 ～ 55 层、63 ～ 64 层设环带桁架，同时在54～55 层设伸臂桁架，其中45 ～ 46 层环带桁架兼有转换桁架的功能。
本塔楼的核心筒为八边形，根据柱位和核心筒关系可以得到两种可能的伸臂桁架布置方案: 伸臂桁架直接入墙( 图7( a) ) 、交叉伸臂桁架( 图7( b) ) 。伸臂桁架直接入墙时，与伸臂桁架联系的核心筒外墙之间角度较大，传力效率不高，入墙节点复杂; 交叉伸臂桁架更加顺直，效率提高，但仍存在节点交叉、入墙节点复杂等问题。
基于以上伸臂桁架存在的问题，设计优化中考虑加强层全部采用环带桁架，取消54 ～ 55 层伸臂桁
图7 伸臂加强层方案
架，在33～34 层增设一道环带桁架。具体优化方案见图8。3 种加强层方案的具体计算结果见表3。
根据小震计算结果，三种方案的动力特性、抗侧能力总体相当，设计采取了更便于施工的全环带桁架加强层方案。
对全环带双重混合结构体系的整体刚度进行分析，以确保结构的抗侧能力和整体稳定性。本结构体系的抗侧刚度是按低区混合结构( 65 层及以下)的层间位移角1 /500、高区全钢结构层间位移角1 /250 来进行控制的。图9 为地震和风荷载下塔楼结构的最大层间位移角计算结果，结果表明: 地震和风荷载作用下65 层及以下层间位移角的限值要求与常规带加强层的混合结构的层间位移角限值要求相当， 66 层及以上全钢结构部分层间层间位移角比混合结构略大，本工程全高范围内层间层间位移角均能控制在1 /500 以内。
图8 加强层的优化
为进一步验证本工程双混合结构体系的稳定性，采用MIDAS Gen 软件进行了结构整体屈曲分析。顶部塔冠结构刚度较小，分析时将塔冠结构按集中点荷载( 1. 0 恒载 1. 0 活载) 施加于主体结构顶部，进行下部结构的整体稳定分析。选取1. 0 恒载 1. 0 活载进行主体结构线弹性屈曲分析，分析得到的前2 阶屈曲模态，均为整体弯曲失稳，屈曲因子分别为11. 0 和11. 3，相应的屈曲模态见图10，一阶和二阶屈曲模态分别为沿Y 向和沿X 向失稳。参考广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》( DBJ 15-92—2013) ［8］的相关指标，塔楼整体失稳的屈曲系数均大于10，说明结构在重力荷载作用下不会产生失稳倒塌。
采用LS-DYNA 程序对全环带加强层的结构方案进行大震下的弹塑性分析。分析结果显示，主体抗侧力构件总体未出现明显的塑性变形，构件抗震性能满足预期的性能目标。
图10 整体屈曲模态
5. 2 交叉斜柱变斜率处的设计和节点分析
由于建筑功能及立面的要求，塔楼中部的斜柱在11 层处进行了一次斜率的变化，如图11、图12所示。为了平衡由于斜柱斜率改变引起的轴力，在11 层楼面内布置了水平支撑构件。图13 为变斜率斜柱与平衡构件的三维关系图。
图14、图15 为外框柱变斜率处构件关系及节点构造详图。图16 为外框柱变斜率处节点等效应力分析结果。图17、图18 分别为平衡构件
入剪力墙节点详图、等效应力计算结果。图16和图18 的结果显示，节点能够满足性能目标要求。
通过整体分析、节点有限元计算，确保了传力的可靠性和节点构造的可实施性。同时由于在33 层增设了一道环带桁架，在一定程度上减小了斜柱的轴力，从而减小了11 层处的附加轴力，对水平平衡构件及相应节点的受力也有所改善。
5. 3 外框柱的计算长度和稳定验算
塔楼的外框钢管混凝土柱的稳定性需要各层楼面框架梁来提供约束，如按《钢结构设计标准》( GB50017—2017) ［9］( 简称《钢标》) 提供的计算长度系数法来计算稳定承载力，那么计算长度需要有一个合理的取值。本工程塔楼外框架柱采用大直径圆钢管混凝土柱，柱刚度远大于框架梁刚度，因此塔楼外框架柱的计算长度系数取值也有别于一般结构的框架柱。钢管混凝土框架柱的等效计算长度Le按以下三个步骤确定:
( 1) 对整体模型进行线性屈曲分析，得到结构各阶屈曲模态及屈曲因子。
( 2) 检查各阶屈曲模态形状，确定钢管混凝土柱发生屈曲失稳时的屈曲因子及屈曲临界荷载Pcr。
( 3) 由欧拉临界荷载公式( 1) 反算出构件的等效计算长度Le［10］:
根据上述原则，以低区办公区框架柱为例，主要的失稳模态见图19。根据此失稳模态求得的框架柱等效计算长度见表4。
结合表4 的等效计算长度，可以采用《钢标》给定的方法来验算框架柱的稳定承载力。通过稳定承载力、整体的弹性屈曲分析、大震弹塑性稳定分析三个层面，共同确保了外框柱的整体稳定。
图19 办公区框架柱屈曲模态
6 结论( 1) 本项目的混合结构体系包括了平面混合( 钢结构外框 混凝土核心筒) 和竖向混合( 内部筒体在高区换化为钢框架-支撑) ，在满足本工程独特的外形要求下，可以很好地提供抗侧能力，并提供多道抗侧防线。
( 2) 设计中通过对加强层的形式和位置进行优化，最终选择了较容易实施的5 道环带桁架的加强层方案。
( 3) 外框斜柱变斜率是本项目的设计难点，通过概念设计、整体分析、有限元分析等多种手段保证了节点的可实施性和传力可靠性。
（4）)通过整体弹性及弹塑性稳定分析、规范计算等方法来共同验证巨柱的稳定性。
参考文献［1］ 陈锴，王瑞峰． 苏地2014-G-70 号地块三超限建筑结构抗震设防可行性论证报告［Ｒ］．上海: 华东建筑设计研究总院， 2017．
［2］ 建筑抗震设计规范: GB 50011—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2010．
［3］ 建筑结构荷载规范: GB 50009—2012［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2012
［4］ 苏地2014-G-70 号地块三和地块四风洞试验研究报告［Ｒ］．上海: 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，2017．
［5］ 周健，陈锴，张一锋，等． 武汉中心塔楼结构设计［J］．建筑结构， 2012， 42( 5) : 8-12．
［6］ 高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2011．
［7］ 高层民用建筑钢结构技术规程: JGJ 99—2015［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2015．
［8］ 高层建筑混凝土结构技术规程: DBJ 15-92—2013［S］．北京: 中国建筑工业出版社， 2013．
［9］ 钢结构设计标准: GB 50017—2017［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2018．
［10］ 陈骥． 钢结构稳定理论和设计［M］． 北京: 科学出版社， 2008．
免责声明：文章来自建筑结构《苏州某超高层塔楼结构分析和设计》作者：王瑞峰， 朱希等，版权归原作者所有，本次仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！
,
