轉(zhuǎn)載自建筑結(jié)構(gòu)《北京CBD 核心區(qū)Z15 地塊中國尊大樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究》作者：劉鵬,， 殷超， 程煜,， 朱巖松,， 劉允博， 吳海,，李夏,， 楊名流， 劉浩,， 李振興

［摘要］ 北京CBD 核心區(qū)Z15 地塊中國尊大樓是目前世界上8 度抗震設(shè)防烈度區(qū)的在建的最高建筑,，建筑高度為528m，體型呈中國古代用來盛酒的器具“尊”的形狀,。為滿足結(jié)構(gòu)抗震與抗風(fēng)的技術(shù)要求,，中國尊在結(jié)構(gòu)上采用了含有巨型柱、巨型斜撐及轉(zhuǎn)換桁架的外框筒以及含有組合鋼板剪力墻的核心筒,，形成了巨型鋼-混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)體系,。為配合建筑外輪廓，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用了BIM 技術(shù)特別是結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)和分析手段,，滿足了建筑功能的要求,，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)性和安全性的統(tǒng)一。

［關(guān)鍵詞］ 中國尊大樓; 超高層; 巨型結(jié)構(gòu); 巨型柱; 結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

北京CBD 核心區(qū)Z15 地塊中國尊大樓( 簡稱中國尊) ( 圖1) 為一棟集甲級(jí)寫字樓,、高端商業(yè),、觀光等功能為一體的大型超高層建筑，總建筑面積約35萬m2,，建筑高度約為528m( 至塔冠幕墻頂) ,，共108層。中國尊是繼北京國貿(mào)三期A 塔樓后北京規(guī)劃設(shè)計(jì)并建造的最高建筑物,，是目前世界上位于8 度抗震設(shè)防烈度區(qū)的在建的最高建筑,。中國尊塔樓外形以中國古代用來盛酒的器具“尊”為意象，塔樓平面基本為方形,，底部平面尺寸約為78m × 78m,，中上部平面尺寸略收進(jìn),，“腰線”( 平面最窄部位) 約位于結(jié)構(gòu)標(biāo)高385m 處，平面尺寸為54m × 54m,，向上到頂部平面尺寸又略放大,，但頂部平面尺寸小于底部平面尺寸，約為69m × 69m,。

圖1 中國尊建筑效果圖和幾何尺寸

2 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

( 1) 中國尊結(jié)構(gòu)高度約為522m( 至主要屋面) ,，首層結(jié)構(gòu)寬度為72. 7m( 至首層巨型柱結(jié)構(gòu)外皮) ，高寬比約為7. 2( 圖1) ,。由于其高度大大超過《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50011—2010) ［1］ ( 簡稱抗規(guī)) 和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3—2010) ［2］( 簡稱高規(guī)) 中8 度區(qū)的限值要求,，須進(jìn)行超限結(jié)構(gòu)專項(xiàng)審查。如何在高烈度區(qū)保證這樣高度的結(jié)構(gòu)在各個(gè)抗震設(shè)防水準(zhǔn)下的安全性,，是最大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),。

( 2) 中國尊塔樓整體建筑呈獨(dú)特的曲線造型，結(jié)構(gòu)整體外框架構(gòu)件布置和走向須盡量貼合建筑外輪廓幕墻,，以盡可能滿足建筑室內(nèi)的功能布局和景觀效果,。如何合理布局結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)構(gòu)件，以達(dá)到建筑美學(xué),、功能要求和工程經(jīng)濟(jì)性的完美統(tǒng)一,，對(duì)于超高層建筑的設(shè)計(jì)是個(gè)極具挑戰(zhàn)的課題。

3 結(jié)構(gòu)平面布置與構(gòu)件設(shè)計(jì)演進(jìn)

本結(jié)構(gòu)是由含有組合鋼板剪力墻的鋼筋混凝土核心筒和含有巨型柱,、巨型斜撐及轉(zhuǎn)換桁架的外框筒組成的雙重抗側(cè)力體系,。

3. 1 結(jié)構(gòu)平面布置

結(jié)構(gòu)平面呈正方形，結(jié)構(gòu)典型平面布置如圖2所示,，結(jié)構(gòu)平面長寬比為1∶ 1,，基本對(duì)稱。鋼筋混凝土核心筒位于結(jié)構(gòu)正中,，整體結(jié)構(gòu)布置規(guī)則,、對(duì)稱，以利于結(jié)構(gòu)整體抗震及抗風(fēng),。同時(shí)通過在核心筒墻體上合理開設(shè)結(jié)構(gòu)洞口使其雙方向形成連梁,，在保證剛度的條件下提高其延性，并形成良好的耗能機(jī)制,。

3. 2 外框筒

為實(shí)現(xiàn)建筑布局并確保結(jié)構(gòu)安全,，設(shè)計(jì)中采用組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件以充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的優(yōu)勢。在方案的早期,，為了滿足業(yè)主對(duì)建筑功能的要求,，曾經(jīng)考慮采用上部密柱、下部巨型斜撐框筒的混合體系( 圖3( a) ) ,，但在后期確認(rèn)全樓使用空間基本為辦公樓層的情況下,，外框筒的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)確定采用圖3( b) 所示的全高巨型斜撐框筒,。從下到上由避難層、機(jī)電層分隔為八個(gè)功能分區(qū)( 稱為第0區(qū)至第7 區(qū)) ,，自然形成外框筒的分節(jié),。由巨型柱、巨型斜撐和轉(zhuǎn)換桁架組成的巨型斜撐框筒主要為軸向受力,，可以高效地為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度,。在每個(gè)分節(jié)內(nèi)由邊梁和小柱組成的次框架負(fù)責(zé)將豎向荷載通過轉(zhuǎn)換桁架傳遞至四角的巨型柱( 圖4) ,。

圖2 結(jié)構(gòu)典型平面布置圖

在方案設(shè)計(jì)階段,，結(jié)構(gòu)工程師配合業(yè)主和建筑師經(jīng)歷了數(shù)輪研究與方案演變，借助BIM 技術(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模方法以及分析手段,，進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)定量數(shù)據(jù)研究,。一系列的分析表明，確定合理的底盤尺寸,、腰線高度以及頂部放大尺寸等參數(shù),，對(duì)于結(jié)構(gòu)高寬比和整體剛度控制、內(nèi)外筒在腰部的剪力和傾覆力矩的合理分配,、結(jié)構(gòu)整體P-Δ 效應(yīng)及其在彈塑性分析中的性能表現(xiàn)都有著重大影響,。以上因素的合理調(diào)控為整體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了非常有利的條件。

最終確定的外框筒幾何定位使得巨型柱的質(zhì)心在空間上保持了同一直線,，柱外皮與幕墻之間在主要功能分區(qū)實(shí)現(xiàn)了最大程度的貼合,，在滿足建筑功能的同時(shí)，整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮了最大的效率,，提供了強(qiáng)大的側(cè)向剛度來抵抗水平地震及風(fēng)荷載,。

為方便建筑室內(nèi)功能，同時(shí)考慮重力體系和抗側(cè)力體系整合更為有效,，將巨型斜撐與次框架均布置于同一傾斜平面上,。通過次框架柱與巨型斜撐剛接、邊梁與柱和斜撐鉸接的連接方式避免次框架承擔(dān)實(shí)質(zhì)上的抗側(cè)力作用,。次框架頂部與上部的轉(zhuǎn)換桁架通過長圓孔螺栓實(shí)現(xiàn)豎向滑動(dòng)連接( 圖5( b) ) ,，使得次框架在圖5( a) 所示的極端破壞工況下，可形成第二傳力途徑,，提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性和安全性,。

3. 3 核心筒

核心筒從承臺(tái)面向上伸延至塔樓頂層，位置居中,，底部尺寸約為39m × 39m,。連梁在平面和立面上分布都比較規(guī)則、均勻,。核心筒墻肢間典型部位還特別設(shè)置了鋼筋混凝土或型鋼混凝土雙連梁,，以提高連梁的延性,，從而提高結(jié)構(gòu)的整體耗能，同時(shí)有利于提高機(jī)電風(fēng)管出筒標(biāo)高,，增加筒外走道及辦公區(qū)的建筑凈高,。

核心筒采用內(nèi)含鋼骨的型鋼混凝土剪力墻，剪力墻全高采用C60 混凝土,，并在下部采用內(nèi)嵌鋼板的組合鋼板剪力墻,。組合鋼板剪力墻抗剪強(qiáng)度很高，可以改善普通鋼筋混凝土剪力墻的延性問題,，同時(shí)以較小的墻身厚度滿足軸壓比的要求,。混凝土的剛度大,，耐火性能良好,，初始造價(jià)和后期維護(hù)的費(fèi)用都較低。這種組合結(jié)構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的抗壓,、抗剪承載力,，有效降低結(jié)構(gòu)了自重及地震質(zhì)量［3，4］,。

從下至上核心筒周邊剪力墻墻體厚度由1 200mm逐步均勻收進(jìn)至頂部的400mm,，核心筒筒內(nèi)剪力墻墻體厚度則由500mm 逐漸內(nèi)收至400mm，在各墻肢內(nèi)均勻布置了型鋼暗柱,，核心筒典型平面布置示意圖見圖6,。

圖5 外框筒立面布置圖和頂部滑動(dòng)連接節(jié)點(diǎn)

圖6 核心筒典型平面布置示意圖

底部加強(qiáng)區(qū)取至10 層頂板。剪力墻內(nèi)的鋼板厚度由首層的60mm 減至41 層的30mm,。由于周邊結(jié)構(gòu)在105 層底板以上不再延伸,，在核心筒出屋面部分主要墻肢內(nèi)也設(shè)置了鋼板。在塔樓腰部區(qū)域( 55 ～ 77 層) 核心筒周邊墻肢內(nèi)的型鋼暗柱間另外增設(shè)了型鋼暗撐,，以增強(qiáng)塔樓相對(duì)薄弱部位在罕遇地震下的抗震性能,。

3. 4 巨型柱

巨型柱位于建筑物平面四角并延伸至結(jié)構(gòu)頂層，在各區(qū)段分別與轉(zhuǎn)換桁架( 腰桁架) ,、巨型斜撐及次框架鋼梁連接,，結(jié)構(gòu)整體剛度巨大。為避免巨型柱雙向偏心對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,，各區(qū)段巨型柱質(zhì)心在平面投影上均沿一條直線分布,。

除最底部的第0 區(qū)外，巨型柱平面輪廓為矩形,，沿建筑高度向上平面尺寸逐漸縮小,，截面面積由7層的約19. 2m2 縮小到頂層的約1. 5m2。從第1 區(qū)開始，每個(gè)角部巨型柱由一個(gè)分成兩個(gè),，并沿建筑外立面的幕墻內(nèi)邊向上彎曲延伸至屋面,。考慮到相應(yīng)廠家的鋼板出廠規(guī)格,，巨型柱的短邊尺寸基本控制在4m 以內(nèi),，避免鋼板的豎向拼接。

巨型柱為鋼管混凝土柱,，根據(jù)與轉(zhuǎn)換桁架及巨型斜撐的連接及相應(yīng)構(gòu)造要求,，內(nèi)部型鋼各鋼板連為整體，內(nèi)填混凝土,，以獲得巨大的拉,、壓、彎及抗剪扭承載力,，抵抗豎向荷載,、風(fēng)荷載及地震產(chǎn)生的側(cè)向荷載。

巨形柱非節(jié)點(diǎn)區(qū)整體含鋼率約為5%,，由底至頂內(nèi)填高強(qiáng)混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50 ～ C70,。為在進(jìn)一步提高巨型柱結(jié)構(gòu)延性的同時(shí)降低巨型柱內(nèi)混凝土收縮和徐變的不利影響,，巨型柱內(nèi)各腔體利用人孔還設(shè)置了鋼筋籠以及鋼筋暗柱。在各腔體內(nèi)側(cè)對(duì)稱設(shè)置縱向內(nèi)肋板,，并用水平拉結(jié)鋼筋連接,，約束鋼板面外屈曲( 圖7) 。

巨型柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮了建筑布局,、結(jié)構(gòu)整體剛度,、構(gòu)件受力性能、節(jié)點(diǎn)連接,、工程造價(jià),、制作加工、施工可行性等諸多因素,，以獲得最優(yōu)的綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能,。由于巨型柱在設(shè)防地震和罕遇地震下除承受壓彎荷載外尚有可能出現(xiàn)凈拉力情況，鋼管可以更好地對(duì)內(nèi)部混凝土提供約束,，提高結(jié)構(gòu)在往復(fù)荷載下的延性性能; 此外采用鋼管混凝土還可避免普通巨型柱大量箍筋綁扎形成的復(fù)雜構(gòu)造以及節(jié)約模板支護(hù)等工序和時(shí)間,。鋼管內(nèi)部的混凝土又可以有效地防止鋼管發(fā)生局部屈曲，因而構(gòu)件的材料利用率得以提高,，在軸壓比控制條件下,，可有效減小截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重,。

隨建筑外形的曲面變化,，每個(gè)角部的兩個(gè)巨型柱在結(jié)構(gòu)底部匯交在一起,，形成結(jié)構(gòu)底部4 根面積為60. 8m2 的多腔體鋼管混凝土巨型柱( 圖8) 。在天津高銀117 大廈中已采用過類似構(gòu)件,，采取了很多構(gòu)造加強(qiáng)措施并進(jìn)行了一系列相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,，在施工中也積累了相應(yīng)的成功經(jīng)驗(yàn)［5］。

3. 5 巨型斜撐

巨型斜撐設(shè)置于結(jié)構(gòu)四邊的垂直立面上,，采用焊接箱形鋼截面,。次框架梁柱與巨型斜撐置于同一傾斜平面內(nèi)，次框架柱與巨型斜撐剛接,，次框架梁與巨型斜撐鉸接,。樓面梁與巨型斜撐拉接，對(duì)其面內(nèi)外進(jìn)行約束,，降低其計(jì)算長度,，確保其與結(jié)構(gòu)整體的協(xié)調(diào)變形。

3. 6 轉(zhuǎn)換桁架和角部桁架

轉(zhuǎn)換桁架( 腰桁架) 布置于避難層及設(shè)備層,，沿塔樓豎向建筑功能節(jié)間分布,，連同頂部的帽桁架共8 組，在轉(zhuǎn)換桁架所在樓層四角設(shè)置角部桁架,。轉(zhuǎn)換桁架承擔(dān)其間隔樓層豎向荷載并將其傳遞至巨型柱,，同時(shí)與巨型柱和角部桁架共同提供部分抗側(cè)剛度，增加塔樓的抗扭性能,。在罕遇地震和極端情況下,，轉(zhuǎn)換桁架將成為防止樓面局部倒塌、確保結(jié)構(gòu)安全的重要構(gòu)件,，在設(shè)計(jì)時(shí),，充分考慮大跨結(jié)構(gòu)豎向地震作用，提高其性能化設(shè)計(jì)水準(zhǔn)至大震不屈服,，巨型柱,、巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架和角部桁架關(guān)系示意見圖9,。

3. 7 樓板

塔樓核心筒內(nèi)外樓板典型厚度為120mm,。樓面梁兩端鉸接，鋼梁典型間距為3m,。為確保水平剪力在核心筒與外框筒間的可靠傳遞,，加強(qiáng)層( 轉(zhuǎn)換桁架所在樓層) 樓板厚度為200mm，首層及嵌固層樓板厚度為250mm,，在加強(qiáng)層的樓面梁之間增設(shè)水平支撐,。

圖7 底部典型樓層20m2 巨型角柱 截面構(gòu)造示意圖

圖8 巨型柱截面構(gòu)造示意圖

圖9 巨型柱、巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架 和角部桁架關(guān)系示意圖

3. 8 塔冠

結(jié)合建筑造型要求,，塔冠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成“內(nèi)尊”的整體造型,，塔冠建筑效果圖及結(jié)構(gòu)布置示意圖見圖10。在結(jié)構(gòu)分析時(shí)應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)提供的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行了抗風(fēng)設(shè)計(jì),?？紤]高階振型的不利影響，對(duì)于主要塔冠構(gòu)件的地震內(nèi)力進(jìn)行了放大調(diào)整,。

圖10 塔冠建筑效果圖及結(jié)構(gòu)布置示意圖

3. 9 基礎(chǔ)和地下室

地下6 層( 局部7 層) ,，埋深約38m。塔樓采用樁筏基礎(chǔ),，其下筏板厚度為6. 5m,，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。為均勻分布巨型柱的巨大重力,，結(jié)合建筑布局,，在巨型柱雙向設(shè)置了結(jié)構(gòu)翼墻，塔樓基礎(chǔ)平面布置示意見圖11,。

圖11 塔樓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面布置示意圖

為提供足夠的承載力并控制沉降,，基礎(chǔ)筏板下采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1,，1. 2m,，樁端持力層為卵石/圓礫層，有效樁長為40m 和45m,，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，采用樁端樁側(cè)后壓漿,，單樁承載力特征值分別為14 500kN 和16 000kN,。

4 抗震性能化設(shè)計(jì)要求

由于結(jié)構(gòu)超限較多，按照性能化設(shè)計(jì)的思想和超限審查專家意見,，確定了結(jié)構(gòu)整體和主要抗側(cè)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo),，見表1。通過使核心筒連梁在罕遇地震條件下最早進(jìn)入塑性,，同時(shí)確保巨型柱和轉(zhuǎn)換桁架兩個(gè)最重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕遇地震下相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能,，實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)具備多道設(shè)防和耗能機(jī)制的設(shè)計(jì)原則［6］。

5 整體性能彈性分析結(jié)果

5. 1 計(jì)算分析

計(jì)算分析采用了多種軟件和自編程序,，包括ETABS,，MIDAS 和盈建科等軟件。奧雅納采用LSDYNA進(jìn)行罕遇地震下的彈塑性分析,，同時(shí)采用第三方應(yīng)用軟件ABAQUS 進(jìn)行了對(duì)比分析,。

模型中定義了豎向和水平荷載工況，整體結(jié)構(gòu)考慮了重力二階效應(yīng)，組合鋼板剪力墻和巨型柱在模型中按等效剛度均質(zhì)構(gòu)件的方法進(jìn)行模擬,。巨型斜撐,、轉(zhuǎn)換桁架桿件匯交點(diǎn)與巨型柱中心線通過附加剛臂連接( 圖12) 。

塔樓整體分析時(shí)選取嵌固部位為地下1 層,，該樓層以上塔樓總地震質(zhì)量為65. 8 萬t,，即1m2 約

圖12 巨型結(jié)構(gòu)分析模型示意

1. 83t。結(jié)構(gòu)第1,，2,，3 階自振周期分別為7. 30，7. 27,，2. 99s,，豎向振動(dòng)主振型周期為0. 60s，前兩階振型均為平動(dòng),，扭轉(zhuǎn)與平動(dòng)周期比值為0. 41,。由于對(duì)結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性進(jìn)行了嚴(yán)格控制，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)得到了較好控制,。

5. 2 傾覆力矩,、層剪力和剪重比

由于中國尊位于8 度地震區(qū)，地震作用成為本工程的主控荷載,。由于加速度反應(yīng)譜在長周期段下降較多,，計(jì)算剪重比取0. 02。按要求對(duì)多遇地震下結(jié)構(gòu)位移和地震內(nèi)力均進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整,。多遇地震下塔樓底部剪力由約130 000kN 提高至約154 000kN,，風(fēng)洞試驗(yàn)得到的50 年一遇的底部剪力最大值約為49 000kN。

5. 3 層間位移角

50 年一遇風(fēng)荷載作用下最大層間位移角為1 /999,，多遇地震下層間位移角計(jì)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 /513，層間位移角限值確定為1 /500,。地震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角見圖13,。計(jì)算結(jié)果表明，地震對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移角的影響遠(yuǎn)大于風(fēng)荷載的,。

注: 計(jì)算時(shí)包括地下的2 層,。 圖13 地震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角

5. 4 外框筒和核心筒的剪力與傾覆力矩

由于結(jié)構(gòu)外框筒全高設(shè)置了巨型斜撐，外框筒剛度得到了顯著提高,。對(duì)于一般樓層,，外框筒承擔(dān)的剪力占相應(yīng)樓層的剪力約40% ～ 50%。結(jié)構(gòu)大多數(shù)樓層外框筒承擔(dān)的剪力超過底部剪力的20%,，絕大部分樓層外框筒承擔(dān)的剪力也超過了底部剪力的8%( 圖14) ,，為提高外框筒作為二道防線的安全儲(chǔ)備,，對(duì)主體結(jié)構(gòu)中不滿足20% 底部剪力的樓層設(shè)計(jì)剪力放大到基底剪力20%的水平。

在傾覆力矩方面,，外框筒分擔(dān)了各層約67% 的傾覆力矩,。

注: 計(jì)算時(shí)包括地下2 層。 圖14 各樓層層間剪力及外框筒承擔(dān)的剪力分布圖( X 向)

從圖14 可以看出,，中國尊塔樓所選取的帶有巨型柱,、巨型斜撐及轉(zhuǎn)換桁架的外框筒，顯著緩解了傳統(tǒng)鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)中“混凝土內(nèi)筒強(qiáng),，型鋼外筒弱”對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,。在實(shí)現(xiàn)多道設(shè)防的前提下，降低了混凝土核心筒在罕遇地震下剛度退化,、內(nèi)力重分配對(duì)型鋼外框架的不利作用,，提高了結(jié)構(gòu)的整體安全儲(chǔ)備。

5. 5 風(fēng)洞試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)舒適度分析

塔樓風(fēng)洞試驗(yàn)由加拿大ＲWDI 公司完成并由中國建筑科學(xué)研究院風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了獨(dú)立第三方復(fù)核,，試驗(yàn)采用高頻測力天平( HFFB) 的試驗(yàn)方法,，模型比例為1∶ 500，阻尼比為2%,。試驗(yàn)根據(jù)場地周圍建筑物情況考慮兩種不同情況,，并按最不利情況進(jìn)行包絡(luò)考慮，同時(shí)考慮了北京當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)氣候環(huán)境數(shù)據(jù)和主導(dǎo)風(fēng)向,。

由于結(jié)構(gòu)自身剛度較大,，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在1. 5%阻尼比10 年回歸期下,，本工程的結(jié)構(gòu)頂部樓層加速度為0. 10m/s2,，滿足高規(guī)要求。

6 罕遇地震彈塑性時(shí)程分析

為實(shí)現(xiàn)在罕遇地震作用下防倒塌的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo),，工程采用了以抗震性能為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思想和以位移為基準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)方法,，應(yīng)用美國ASCE /SEI41-06［7］，ATC 40［8］所提供的結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈塑性變形可接受限值及所建議的結(jié)構(gòu)非線性地震分析方法與步驟,，根據(jù)材料和構(gòu)件的拉、壓應(yīng)變數(shù)值對(duì)剪力墻進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),。結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析采用了通用非線性動(dòng)力有限元分析軟件LS-DYNA 進(jìn)行計(jì)算,，考慮了幾何非線性與材料的非線性。

梁,、柱等構(gòu)件采用纖維模型進(jìn)行截面承載能力,、彎矩-曲率曲線及變形限值計(jì)算。剪力墻采用了非線性殼元+ 非線性桿元模型進(jìn)行模擬,，即在兩端用桿單元模擬邊緣構(gòu)件,，中間用非線性殼元模擬墻體,，可滿足不同的構(gòu)造要求。對(duì)于組合鋼板剪力墻,，鋼板和混凝土剪力墻分別建成空間位置一致,、共節(jié)點(diǎn)的非線性殼單元，保證鋼板與混凝土協(xié)同作用,。

地震時(shí)程波采用了五組天然波和兩組人工波,。整體性能的評(píng)估從彈塑性層間位移角、剪重比,、結(jié)構(gòu)頂部位移和底部剪力時(shí)程曲線,、塑性發(fā)展過程及塑性發(fā)展的區(qū)域來評(píng)估。根據(jù)構(gòu)件塑性變形與其限值的關(guān)系,，采用關(guān)鍵部位的關(guān)鍵構(gòu)件塑性變形情況來對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估,。經(jīng)計(jì)算，罕遇地震下,，結(jié)構(gòu)整體X 向的層間位移角均滿足高規(guī)要求的1 /100,。

7 特殊樓板有限元分析

轉(zhuǎn)換桁架在將重力傳遞至巨型柱的同時(shí)，也產(chǎn)生了層間剛度的突變,，以致核心筒與外框筒之間出現(xiàn)較大的剪力轉(zhuǎn)移,。對(duì)這些樓層采取了加強(qiáng)措施并做了應(yīng)力分析。除采用C40 混凝土,、全截面構(gòu)造現(xiàn)澆樓板以及雙層雙向配筋等常規(guī)措施外,，在核心筒與外框筒間的樓板下還布置了水平鋼支撐。

8 設(shè)計(jì)研究和建議

8. 1 整體剛度控制和結(jié)構(gòu)與構(gòu)件選型

在我國北方8 度地震區(qū)域建造超高層建筑,，地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力和變形均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)荷載產(chǎn)生的,，所以對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度和延性提出了較高要求。巨型框筒體系無疑是此類超高層建筑最優(yōu)的結(jié)構(gòu)選型,，而含有型鋼或鋼板的鋼筋混凝土核心筒組成的混合結(jié)構(gòu)體系,，是當(dāng)前較為經(jīng)濟(jì)的選擇。外框筒巨型柱的合理設(shè)計(jì)及選型則對(duì)結(jié)構(gòu)整體用鋼量和工程經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生很大影響,。如果巨型柱采用鋼骨混凝土截面,，由于內(nèi)部型鋼需要形成連續(xù)的強(qiáng)連接，與鋼管混凝土截面在節(jié)點(diǎn)和焊接方面的難度相當(dāng),，又要面臨鋼筋綁扎,、模板支護(hù)等一系列問題，因此最終本項(xiàng)目選用鋼管混凝土截面,。

8. 2 長周期結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和剪重比

超高層建筑高柔結(jié)構(gòu)在現(xiàn)行的加速度反應(yīng)譜設(shè)計(jì)條件下一般均難以滿足抗規(guī)對(duì)剪重比的要求,。很多時(shí)候初始剪重比成為衡量結(jié)構(gòu)整體剛度的主要指標(biāo)。在設(shè)計(jì)過程中我們的思路是優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體布局和構(gòu)件選型,，努力降低結(jié)構(gòu)自重( 特別是結(jié)構(gòu)中上部質(zhì)量) ,，采用合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)等方式對(duì)剛度指標(biāo)和構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行平衡,。而對(duì)于高柔結(jié)構(gòu)，抗規(guī)和高規(guī)中加速度反應(yīng)譜和兩階段的時(shí)程分析仍是當(dāng)前超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本手段,。

8. 3 結(jié)構(gòu)材料的選用

本工程結(jié)構(gòu)選用了國產(chǎn)材料,。結(jié)構(gòu)整體剛度和構(gòu)件強(qiáng)度的需求使得高強(qiáng)材料在本項(xiàng)目中得到了普遍應(yīng)用。型鋼強(qiáng)度等級(jí)采用了Q345 ( GJ) 和Q390( GJ) ,，對(duì)于厚度方向受力的較厚鋼板指定了Z15 或Z25 的厚度方向性能,，主要抗側(cè)構(gòu)件質(zhì)量等級(jí)選用C 級(jí)，轉(zhuǎn)換桁架均位于設(shè)備層和避難層,，環(huán)境條件與室外基本相同,，鋼材選用質(zhì)量等級(jí)D 級(jí)。塔樓各構(gòu)件型鋼鋼板厚度不超過60mm; 全樓混凝土強(qiáng)度等級(jí)除底部巨型柱選用C70 外,，其他均為C60 及以下,。由上可知，塔樓雖然超高且內(nèi)力巨大,，但仍通過選用常規(guī)材料滿足了相關(guān)規(guī)范的各項(xiàng)指標(biāo),。

隨著構(gòu)件計(jì)算、構(gòu)造以及承載力校核的深入,，各抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了異常多樣的控制特點(diǎn),。除強(qiáng)度、剛度以及延性外,，各類構(gòu)件的截面設(shè)計(jì)顯示了不同的控制特點(diǎn),，因而在材料和構(gòu)造上采取了不同的策略。例如巨型柱和巨型斜撐構(gòu)件鋼板厚度明顯受控于局部穩(wěn)定要求,，因而對(duì)于巨型柱則采用了設(shè)置豎向肋板和對(duì)拉鋼筋的方式,，避免大幅度加大鋼板厚度，而其填充混凝土形成的組合截面滿足了結(jié)構(gòu)特別是中上部的剛度要求,，與巨型斜撐類似,，在型鋼選擇上可不必采用過于高強(qiáng)的材料。對(duì)于剪力墻的設(shè)計(jì),，中下部剪力墻受壓控制而頂部剪力墻則明顯為受剪控制,，因此核心筒全高均采用了C60 混凝土，同時(shí)在相應(yīng)部位還設(shè)置了組合鋼板墻,。

8. 4 時(shí)程波的選取對(duì)彈塑性分析的影響

工程經(jīng)驗(yàn)表明,，動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析中時(shí)程波的選擇對(duì)分析結(jié)果將產(chǎn)生很大的影響。除了一般要求的有效持時(shí),、原始峰值、主次方向,、基底剪力外,，時(shí)程波尤其是天然波記錄的波譜特性在主要周期點(diǎn)與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的差距水平也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生相當(dāng)大的影響,。在本項(xiàng)目的彈塑性分析中即觀察到由于塑性開展后結(jié)構(gòu)自振周期延長，正好遇到頻譜峰值,，出現(xiàn)彈塑性時(shí)程的基底剪力大于彈性分析結(jié)果的情況,。彈塑性分析結(jié)果的判別和使用仍是需要業(yè)界重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

8. 5 工程經(jīng)濟(jì)性分析和用鋼量的控制

對(duì)于超高層建筑,，結(jié)構(gòu)安全總是需要與建筑功能要求和工程經(jīng)濟(jì)性尋求平衡的,。工程經(jīng)濟(jì)性是材料造價(jià)、工期,、建筑面積使用率等因素的綜合指標(biāo),，而不應(yīng)該只是材料造價(jià)。

例如,，超高層建筑結(jié)構(gòu)墻柱一般截面較大,，巨型柱適當(dāng)提高含鋼率，可減小截面面積,，節(jié)省的使用面積及其帶來的經(jīng)濟(jì)收益可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所增加的材料成本,。再如次框架小柱，同條件下,，其采用箱形截面可減少建筑截面,，增加有效面積，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可能超過其對(duì)施工帶來的不利因素,。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師往往需要超越本專業(yè),，站在不同角度，權(quán)衡各種因素,，作出有利于工程總體經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)選擇,。

8. 6 BIM 技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)

在中國尊結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的模型數(shù)量達(dá)到數(shù)百個(gè),，結(jié)合BIM 技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù),，在每次的方案比較中均可以比較快速地提供定量或半定量的數(shù)據(jù)支撐，這為本項(xiàng)目在初始結(jié)構(gòu)體系及體形優(yōu)選方面提供了有利的依據(jù),。

本項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)過程中,，還進(jìn)行了巨型柱和巨型斜撐的屈曲模態(tài)分析、施工模擬和溫度分析,、節(jié)點(diǎn)有限元分析,、整體抗震和抗風(fēng)消能減振和樓板振動(dòng)舒適度分析、結(jié)構(gòu)材料用量和工程經(jīng)濟(jì)性分析等一系列專項(xiàng)研究以及全面的構(gòu)件抗震性能化分析和承載力校核工作,。整體結(jié)構(gòu)還進(jìn)行了模擬振動(dòng)臺(tái)等相關(guān)試驗(yàn)分析,。

注: 本工程建設(shè)單位為中信和業(yè)投資有限公司，奧雅納工程顧問負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)方案和初步設(shè)計(jì),，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司負(fù)責(zé)施工圖設(shè)計(jì),，中信建筑設(shè)計(jì)研究總院為設(shè)計(jì)復(fù)核單位,，華東建筑設(shè)計(jì)研究總院為結(jié)構(gòu)顧問單位，建研科技股份有限公司進(jìn)行了獨(dú)立第三方彈塑性分析和風(fēng)工程校核工作,。本工程已于2013 年2 月通過了全國超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會(huì)的審查［9,， 10］。

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