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摘要：本文所介绍塔楼建筑物主体高度250m，核心筒部分及屋顶钢架高度升至280m，高宽比为7.7，属超B级高层建筑，针对本工程的具体特点，文章着重论述了结构设计的策略。分别采用ETABS 和SATWE软件对结构进行了弹性小震场地谱、规范谱分析、时程分析、中震不屈服分析、静力弹塑性分析，通过对计算结果的分析比较，证明结构设计成功解决了结构超限问题，结构设计是安全可靠的。本文的有关方法和结论可为相关工程提供参考。
关键词：超高层；钢管混凝土叠合柱；动力弹塑性分析；时程分析；设计
中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
本文介绍的为深圳某超高层塔楼建筑面积108937（不含避难层）m2，主要包括办公用途，建筑物主体高度250m，核心筒部分及屋顶钢架高度升至280 m（超B级），高宽比为7.7，地上部分65层。工程的结构设计基准期为50年，塔楼的安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，场地特征周期为0.35s，基本地震加速度为0.1g，建筑场地类别为II 类，抗震设防类别为丙类，设计地震分组为一组。
2 结构设计策略
由于本工程地处深圳市，该地区的特点为：风荷载大、地震作用相对较小，因此提高结构的抗侧刚度是结构设计的关键。根据以上特点和建筑功能的要求，钢筋混凝土框架-核心筒结构体系是一种经济可行的结构体系。作者在结构初步设计阶段也曾对该塔楼采用了钢-混凝土混合结构体系，由于钢梁的刚度仅为同高度的混凝土梁的30%左右，计算结果表明，混合结构体系很难满足规范对结构的刚度要求，若要满足要求，则必须设置2~3个加强层，这样将带来结构受力的复杂性和设备层使用的不便性。因此，本塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。
由于核心筒高宽比较大（比值为18.7），如何充分发挥核心筒的抗侧效率工程面临的一个挑战，在设计中通过加厚外围墙体厚度（即筒体翼缘墙体的厚度），以使核心筒获得较大的抗侧刚度，筒体翼缘墙体的厚度随着建筑高度增加逐渐减小（核心筒墙体厚度由1300mm逐渐变化到400mm厚），以获得较大的使用空间。通过以上设计方法，成功满足了规范对结构的刚度要求，且避免了在设备层设置加强层，使得设备管道可以顺利通过，很好的满足了甲方对结构的功能需求。
对于本塔楼采用的框-筒结构体系，外框架体系将作为有效承重支撑，大部分竖向荷载通过轴力的方式向下传送。由于结构的层数较多，外框架柱承受很大的竖向荷载，为了减小框架柱的截面面积，以增加有效使用面积，因此考虑采用钢-混凝土组合结构柱。在组合结构柱的选型上，我们对型钢混凝土柱、钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱[1]进行了深入比较和论证。由于钢管混凝土叠合柱同时具有钢管混凝土和型钢混凝土的优点，具有刚度、强度均大、耐火性能好的优点，因此外框架柱采用了钢管混凝土叠合柱。
考虑到钢筋混凝土与钢管混凝土叠合梁柱节点的施工方便性，本工程根据钢筋混凝土梁的实际配筋开创性的在钢管上开矩形孔洞使梁中纵向钢筋可以顺利通过（管壁开孔的截面损失率不超过50%），较大的方便了施工，可减少施工周期。
3 结构整体计算结果
3.1 弹性计算结果
在设计中使用美国 CSI公司开发的ETABS、中国建筑科学研究院编制的SATWE软件对整体结构的自振特性进行了分析计算。表1给出了两种不同软件的计算结果，从表1的比较结构可见，两个软件计算结果较为接近，结构的主要振型以平动为主，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.67<0.85，满足《高层建筑混凝土结构技术规范》[2]（以下简称《高规》）（JGJ3-2002）的要求。同时，两个分析软件的计算结果较为接近，从侧面反映出结构模型和分析的正确性。
表1周期计算结果
风荷载及小震作用下的结构反应计算是结构设计中的重要内容，表2给出了结构在风荷载及小震作用下结构最大的层间位移，可见，在风和地震作用下的层间位移角满足规范限值。
表2 风荷载及小震作用下结构最大的层间位移
在考虑偶然偏心影响的水平地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与其平均值之比值均小于规范限值，说明结构具有较好的抗扭刚度。
地震作用下楼层剪重比同样是结构整体分析时需要分析的重要内容[2-3]。计算结果表明，在底部11层及13层以下的各层沿X向和Y向的层间地震剪力不能满足规范的最小剪重比要求，因此程序对该部分地震剪力进行了1.15倍调整以提高该部分地震抗剪承载力[4]。基底框架和核心筒X向倾覆力矩分别为1121019kN.m和2349918kN.m，Y向倾覆力矩分别为948767KN.m和2586129KN.m，本塔楼结构中核心筒所占倾覆力矩沿结构高度始终大于50%总地震倾覆力矩[4]。
3.2 弹性时程分析
采用3条地震波，包括一条安评单位提供的地面人工波，以及另外两条天然波，对结构进行弹性时程分析。表3给出了3条地震波和规范反应谱的计算结果，图5对应的层间剪力值与楼层的关系曲线。通过对结构的弹性时程分析结果可以得到：(1) 每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于振型分解反应谱法的80%，地震波的选择满足规范要求；(2) CQC法的层间剪力曲线基本能包络所选的四条地震波对应的平均层间剪力曲线，但在结构顶部少数楼层，CQC法的地震剪力偏小，说明设计反应谱在长周期阶段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足，施工图设计将对顶部楼层的地震剪力进行调整，满足对时程分析法的内力包络。
表 3基底剪力计算结果(KN)
3.3中震不屈服分析
由于本塔楼为超限结构，为确保结构的安全可靠，进行了在中震（设防烈度）下的抗震计算，使这些重要的抗震构件（剪力墙、柱、连梁和框架梁），在中震作用下不屈服。
通过中震不屈服分析和判断可以得到结论为：结构体系中竖向构件在中震下保持着良好的弹性性能，而水平构件，特别是连梁则有较多的进入屈服状态，通过调整连梁和框架梁的配筋和对部分连梁截面调整才使所有主要水平构件不进入屈服。这从设计上保证了中震不屈服概念的具体落实，也体现了地震中各构件的屈服顺序基本上是首先是连梁屈服，其次有部分框架梁屈服，而竖向构件则没有出现屈服的情况。
3.4静力弹塑性分析
虽然规范中仅仅提到了对于适用大震分析的结构进行了界定，但对于大震分析的主要方法所言甚少，本项目采用静力推覆分析研究结构在罕遇地震作用下的工作性能。通过静力推覆分析，可以较好的揭示结构在大震下的屈服发生过程，同时展示出结构构件出现屈服及内力重分布的发展过程直至结构达到预定的变形限值。对不同材料及应用范围的结构构件弹塑性变形性能进行明确规定的国际规范有美国规范ATC 40， FEMA 273，FEMA 357， ACI 318等。通过控制构件塑性变形能力，可以将结构构件变形控制在轻微变形、严重变形等范畴；通过对使用者生命财产的危害程度又可以分为震后可完全使用水准、震后可立即进住水准、生命安全水准、震后不倒塌水准的结构。
通过静力弹塑性推覆分析，得出如下结论[4]：（1）结构方案完全满足规范要求的“小震弹性、中震可修、大震不倒”的抗震设防性能目标；（2）结构方案同时也满足本报告设定的小震弹性、中震中允许部分次要水平构件出现塑性、大震下允许部分连梁和框架梁出现较多塑性铰但不出现危及生命安全的严重变形的抗震设防性能目标。（3）塑性铰主要发生在连梁、部分框架梁局部位置，且主要分布于建筑物的中下部，这在一定程度上与中震分析的结果是吻合的，即中震分析时构件界面利用率最大的部位在推覆分析中将首先出现屈服，且随着推覆的进展部分塑性铰的发展也与中震结果中构件界面利用率具有一定的相关性。（4）从结果文件看，竖向构件中框架柱未出现塑性铰、剪力墙在大震下未出现塑性铰，说明竖向构件具有良好的抗震性能。（5）通过结构在大震下的变形和塑性铰出现位置和发展状态，可以确定现设计是安全的、抗震构造措施是适当的，同时局部位置塑性铰发展较为严重的构件需要改善其延性性能和配筋等以调节其抗震变形能力，尽量将其变形控制在生命安全范围以内。
5 结论
工程设计以力学概念为基础，并根据本工程的具体特点，本塔楼采用钢筋混凝土框-筒结构体系，在1-26层外框柱采用了钢管混凝土叠合柱，通过充分发挥核心筒和外框架的工作效率，成功满足了规范对结构的刚度要求。本文有關设计的思路可为低地震烈度、高风荷载地区且核心筒具有较大高宽比的超高层建筑结构设计提供参考。同时应用线性和非线性有限元软件对结构进行了整体分析和抗震性能研究，同时也对一些重要的构件进行了专项研究，体现出了从整体到局部的设计思路。
参考文献
钢管混凝土叠合柱结构技术规程CECS188:2005[S]，中国计划出版社，2005.
高层建筑混凝土结构技术规范JGJ3-2002[S]，中华人民共和国行业标准，2002
建筑抗震设计规范GB50011-2001[S]，中华人民共和国国家标准，2002
卓越·皇岗世纪中心项目超限结构初步设计抗震设防专项审查申报表与超限可行性论证报告，中建国际（深圳）设计顾问有限公司，2007
关键词：超高层；钢管混凝土叠合柱；动力弹塑性分析；时程分析；设计
中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
本文介绍的为深圳某超高层塔楼建筑面积108937（不含避难层）m2，主要包括办公用途，建筑物主体高度250m，核心筒部分及屋顶钢架高度升至280 m（超B级），高宽比为7.7，地上部分65层。工程的结构设计基准期为50年，塔楼的安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，场地特征周期为0.35s，基本地震加速度为0.1g，建筑场地类别为II 类，抗震设防类别为丙类，设计地震分组为一组。
2 结构设计策略
由于本工程地处深圳市，该地区的特点为：风荷载大、地震作用相对较小，因此提高结构的抗侧刚度是结构设计的关键。根据以上特点和建筑功能的要求，钢筋混凝土框架-核心筒结构体系是一种经济可行的结构体系。作者在结构初步设计阶段也曾对该塔楼采用了钢-混凝土混合结构体系，由于钢梁的刚度仅为同高度的混凝土梁的30%左右，计算结果表明，混合结构体系很难满足规范对结构的刚度要求，若要满足要求，则必须设置2~3个加强层，这样将带来结构受力的复杂性和设备层使用的不便性。因此，本塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。
由于核心筒高宽比较大（比值为18.7），如何充分发挥核心筒的抗侧效率工程面临的一个挑战，在设计中通过加厚外围墙体厚度（即筒体翼缘墙体的厚度），以使核心筒获得较大的抗侧刚度，筒体翼缘墙体的厚度随着建筑高度增加逐渐减小（核心筒墙体厚度由1300mm逐渐变化到400mm厚），以获得较大的使用空间。通过以上设计方法，成功满足了规范对结构的刚度要求，且避免了在设备层设置加强层，使得设备管道可以顺利通过，很好的满足了甲方对结构的功能需求。
对于本塔楼采用的框-筒结构体系，外框架体系将作为有效承重支撑，大部分竖向荷载通过轴力的方式向下传送。由于结构的层数较多，外框架柱承受很大的竖向荷载，为了减小框架柱的截面面积，以增加有效使用面积，因此考虑采用钢-混凝土组合结构柱。在组合结构柱的选型上，我们对型钢混凝土柱、钢管混凝土柱和钢管混凝土叠合柱[1]进行了深入比较和论证。由于钢管混凝土叠合柱同时具有钢管混凝土和型钢混凝土的优点，具有刚度、强度均大、耐火性能好的优点，因此外框架柱采用了钢管混凝土叠合柱。
考虑到钢筋混凝土与钢管混凝土叠合梁柱节点的施工方便性，本工程根据钢筋混凝土梁的实际配筋开创性的在钢管上开矩形孔洞使梁中纵向钢筋可以顺利通过（管壁开孔的截面损失率不超过50%），较大的方便了施工，可减少施工周期。
3 结构整体计算结果
3.1 弹性计算结果
在设计中使用美国 CSI公司开发的ETABS、中国建筑科学研究院编制的SATWE软件对整体结构的自振特性进行了分析计算。表1给出了两种不同软件的计算结果，从表1的比较结构可见，两个软件计算结果较为接近，结构的主要振型以平动为主，扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.67<0.85，满足《高层建筑混凝土结构技术规范》[2]（以下简称《高规》）（JGJ3-2002）的要求。同时，两个分析软件的计算结果较为接近，从侧面反映出结构模型和分析的正确性。
表1周期计算结果
风荷载及小震作用下的结构反应计算是结构设计中的重要内容，表2给出了结构在风荷载及小震作用下结构最大的层间位移，可见，在风和地震作用下的层间位移角满足规范限值。
表2 风荷载及小震作用下结构最大的层间位移
在考虑偶然偏心影响的水平地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与其平均值之比值均小于规范限值，说明结构具有较好的抗扭刚度。
地震作用下楼层剪重比同样是结构整体分析时需要分析的重要内容[2-3]。计算结果表明，在底部11层及13层以下的各层沿X向和Y向的层间地震剪力不能满足规范的最小剪重比要求，因此程序对该部分地震剪力进行了1.15倍调整以提高该部分地震抗剪承载力[4]。基底框架和核心筒X向倾覆力矩分别为1121019kN.m和2349918kN.m，Y向倾覆力矩分别为948767KN.m和2586129KN.m，本塔楼结构中核心筒所占倾覆力矩沿结构高度始终大于50%总地震倾覆力矩[4]。
3.2 弹性时程分析
采用3条地震波，包括一条安评单位提供的地面人工波，以及另外两条天然波，对结构进行弹性时程分析。表3给出了3条地震波和规范反应谱的计算结果，图5对应的层间剪力值与楼层的关系曲线。通过对结构的弹性时程分析结果可以得到：(1) 每条时程曲线计算所得结构基底剪力均大于振型分解反应谱法的65%，三条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值均大于振型分解反应谱法的80%，地震波的选择满足规范要求；(2) CQC法的层间剪力曲线基本能包络所选的四条地震波对应的平均层间剪力曲线，但在结构顶部少数楼层，CQC法的地震剪力偏小，说明设计反应谱在长周期阶段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足，施工图设计将对顶部楼层的地震剪力进行调整，满足对时程分析法的内力包络。
表 3基底剪力计算结果(KN)
3.3中震不屈服分析
由于本塔楼为超限结构，为确保结构的安全可靠，进行了在中震（设防烈度）下的抗震计算，使这些重要的抗震构件（剪力墙、柱、连梁和框架梁），在中震作用下不屈服。
通过中震不屈服分析和判断可以得到结论为：结构体系中竖向构件在中震下保持着良好的弹性性能，而水平构件，特别是连梁则有较多的进入屈服状态，通过调整连梁和框架梁的配筋和对部分连梁截面调整才使所有主要水平构件不进入屈服。这从设计上保证了中震不屈服概念的具体落实，也体现了地震中各构件的屈服顺序基本上是首先是连梁屈服，其次有部分框架梁屈服，而竖向构件则没有出现屈服的情况。
3.4静力弹塑性分析
虽然规范中仅仅提到了对于适用大震分析的结构进行了界定，但对于大震分析的主要方法所言甚少，本项目采用静力推覆分析研究结构在罕遇地震作用下的工作性能。通过静力推覆分析，可以较好的揭示结构在大震下的屈服发生过程，同时展示出结构构件出现屈服及内力重分布的发展过程直至结构达到预定的变形限值。对不同材料及应用范围的结构构件弹塑性变形性能进行明确规定的国际规范有美国规范ATC 40， FEMA 273，FEMA 357， ACI 318等。通过控制构件塑性变形能力，可以将结构构件变形控制在轻微变形、严重变形等范畴；通过对使用者生命财产的危害程度又可以分为震后可完全使用水准、震后可立即进住水准、生命安全水准、震后不倒塌水准的结构。
通过静力弹塑性推覆分析，得出如下结论[4]：（1）结构方案完全满足规范要求的“小震弹性、中震可修、大震不倒”的抗震设防性能目标；（2）结构方案同时也满足本报告设定的小震弹性、中震中允许部分次要水平构件出现塑性、大震下允许部分连梁和框架梁出现较多塑性铰但不出现危及生命安全的严重变形的抗震设防性能目标。（3）塑性铰主要发生在连梁、部分框架梁局部位置，且主要分布于建筑物的中下部，这在一定程度上与中震分析的结果是吻合的，即中震分析时构件界面利用率最大的部位在推覆分析中将首先出现屈服，且随着推覆的进展部分塑性铰的发展也与中震结果中构件界面利用率具有一定的相关性。（4）从结果文件看，竖向构件中框架柱未出现塑性铰、剪力墙在大震下未出现塑性铰，说明竖向构件具有良好的抗震性能。（5）通过结构在大震下的变形和塑性铰出现位置和发展状态，可以确定现设计是安全的、抗震构造措施是适当的，同时局部位置塑性铰发展较为严重的构件需要改善其延性性能和配筋等以调节其抗震变形能力，尽量将其变形控制在生命安全范围以内。
5 结论
工程设计以力学概念为基础，并根据本工程的具体特点，本塔楼采用钢筋混凝土框-筒结构体系，在1-26层外框柱采用了钢管混凝土叠合柱，通过充分发挥核心筒和外框架的工作效率，成功满足了规范对结构的刚度要求。本文有關设计的思路可为低地震烈度、高风荷载地区且核心筒具有较大高宽比的超高层建筑结构设计提供参考。同时应用线性和非线性有限元软件对结构进行了整体分析和抗震性能研究，同时也对一些重要的构件进行了专项研究，体现出了从整体到局部的设计思路。
参考文献
钢管混凝土叠合柱结构技术规程CECS188:2005[S]，中国计划出版社，2005.
高层建筑混凝土结构技术规范JGJ3-2002[S]，中华人民共和国行业标准，2002
建筑抗震设计规范GB50011-2001[S]，中华人民共和国国家标准，2002
卓越·皇岗世纪中心项目超限结构初步设计抗震设防专项审查申报表与超限可行性论证报告，中建国际（深圳）设计顾问有限公司，2007