西安绿地中心A 座超高层建筑结构设计

［摘要］ 西安绿地中心A 座超高层建筑塔楼高270m，采用钢管混凝土框架+ 伸臂桁架+ 型钢混凝土核心筒混合结构形式。该建筑高度超限，且地处8 度区Ⅲ类场地这样的不利场地条件，结构外框架柱距大，建筑立面切角导致角柱不能竖向贯通，二道防线作用较弱。针对工程特点，重点探讨了从结构选型、结构布置、构造措施、性能目标及整体计算等方面对塔楼所采取的加强措施，并进行了设防烈度下构件的承载力分析及动力弹塑性分析。结果表明，结构各项指标均比较理想，整体设计满足设定的性能目标要求。

［关键词］ 超高层结构; 加强层; BＲB 支撑; 钢管混凝土柱; 分叉柱; 型钢混凝土核心筒

1 工程概况

西安绿地中心位于西安市高新技术产业开发区西区，锦业路与丈八二路交汇处，建成后将成为西北第一高楼和西安高新区标志性建筑。该项目由两幢对称的超高层双子塔楼、4 层裙房及3 层地下车库组成。其中A 座超高层建筑用途为办公与商业，塔楼及其附属建筑建筑面积约为17 万m2，地上共57层，建筑总高度为270m，1 ～ 4 层为商业，层高5. 1m; 5 ～ 57 为办公，层高4. 2m。其中塔楼平面西南角从16 层至幕墙顶部建筑立面存在大切角，导致角柱无法竖向贯通。地下室共3 层，为设备机房及车库。基础埋深为19m，地基基础设计等级为甲级。图1 为工程建筑立面效果及剖面图，典型结构平面见图2。

工程的设计基准期为50 年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0. 2g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0. 45s，抗震设防类别为丙类。50 年

图1 建筑效果图及剖面图

一遇基本风压取w0 = 0. 35 kN/m2，地面粗糙度为B类，结构体型系数、风压高度变化系数、风振系数等

图2 典型结构平面

均按照《建筑结构荷载规范》( GB 50009—2012) ( 简称荷载规范) 取值。

2 结构体系

塔楼采用钢管混凝土框架+ 伸臂桁架+ 型钢混凝土筒体的混合结构体系。其中内筒采用型钢混凝土核心筒，作为塔楼主要抗侧力构件，核心筒周边墙体厚度随楼层高度增大不断向内收进，核心筒外墙厚度自下而上变化范围为1 250 ～ 600mm，内部墙体厚度自下而上变化范围为800 ～ 400mm。核心筒平面尺寸为21m × 21m，其高宽比达12. 5。核心筒承担了很大的水平及竖向荷载，为结构提供了很大的侧向刚度，其抗震等级取特一级。

外围框架采用由钢管混凝土柱与H 型钢梁组成的钢管混凝土框架，柱间距达10. 5m，形成了典型的稀柱框架。外框架圆钢管混凝土柱截面尺寸自下而上变化范围为1 700 ～ 1 300mm，抗震等级为特一级。圆钢管混凝土柱与外围H 型钢梁刚接，形成结构抗侧力的第二道防线。

由于核心筒面积占塔楼楼层面积比例较小( 仅为楼层面积的23%) ，且外围框架柱距较大，在水平地震力作用下，结构的抗侧刚度难以满足《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3—2010) ［1］( 简称高规) 的相关要求，因此，结合塔楼建筑避难层的设置，在结构第29，44 层X，Y 向各设置两道水平伸臂桁架来增加结构的侧向刚度( 图3) 。伸臂桁架采用钢桁架，贯通核心筒与外框柱直接连接，其连接形式采用铰接。同时，为使各外框柱受力均匀，并减小加强层上下楼板翘曲及降低楼板平面内应力，在设置伸臂桁架的同时，在第15，29，44 层避难层外围设置腰桁架( 图4) 。

核心筒与外框柱之间的楼面结构采用钢筋桁架楼承板，楼面梁采用钢梁，通过抗剪栓钉与楼板相连，使楼面形成组合楼盖系统。该组合楼盖系统具有很大的平面内刚度，把塔楼的核心筒与外框架连为一体，在塔楼承受水平荷载时，能够很好地协调核心筒与外框架之间的变形，使外框架与核心筒共同受力。

图3 核心筒及伸臂桁架图 4 外框体系

3 塔楼超限情况以及设计中存在的问题

3. 1 塔楼超限情况

( 1) 塔楼结构高度为248. 5m，高规规定混合结构最大适用高度为150m，该塔楼超过高规定限值65%，高度超限。

( 2) 塔楼SATWE 软件弹性计算结果显示，由于两个伸臂桁架加强层的设置，结构竖向抗剪承载力之比: 43 层比44 层为68%， 28 层比29 层为67%，均小于规范规定的75%，结构属于竖向不规则结构。

( 3) 根据塔楼弹性计算结果，其在X向结构底部剪重比为2. 38%，略小于《建筑抗震设计规范》( GB 50011—2010) ［2］( 简称抗规) 2. 4%的限值。

根据以上分析结果，塔楼属于高度超限、竖向不规则的复杂超限结构。

3. 2 设计中存在的问题

( 1) 由于塔楼建筑立面造型存在大切角，使得结构外框角柱在竖向不能贯通，需采取措施，既能保证结构竖向传力的连贯性，又不至于使结构出现刚度突变。

( 2) 结构外框架属于典型的稀柱框架，且底部几层层高较大，外框架二道防线作用较弱，需采取加强措施增强外框架抗震能力，确保结构整体安全。

4 针对超限情况采取的技术措施

4. 1 塔楼结构采用带加强层的混合结构

由于结构高度超限较多，鉴于工程的重要性及复杂性，应比一般结构有更高的延性要求，同时超高层结构受地震作用很大，而较小的结构自重对降低结构所受地震作用效果明显。钢和混凝土混合结构有较好的抗震性能和延性。混合结构构件也有很高的强度，可使构件的自重较轻，截面尺寸也较小，且混合结构的刚度较大，对于控制结构的位移和舒适度均较为有利。

在第29，44 层设置的伸臂桁架( 图5) 可以提高水平荷载作用下的外框架柱的轴力，从而增加外框架承担的倾覆力矩，同时减小内核心筒承担的倾覆力矩，它对结构形成的反弯作用可以有效地增大结构的抗侧刚度。

4. 2 增强核心筒墙体的延性

核心筒墙体承担很大的水平及竖向荷载，作为上部结构抵抗水平荷载的第一道防线，其承载力及延性对整个结构的安全起着至关重要的作用。因此针对核心筒墙体的延性要求，采取了如下技术措施:1) 严格控制核心筒墙体轴压比，并在核心筒墙体四角及洞口边墙体暗柱内设置型钢柱，在底部加强区楼层处设置型钢暗梁，提高墙体的延性，并控制在中震时核心筒墙体混凝土在偏拉作用下的拉应力，避免墙体混凝土过早发生开裂破坏; 2) 提高墙体约束边缘构件设置范围，约束边缘构件延伸至轴压比≤0. 25 的高度，并根据专家审查意见，在核心筒四角全高设置约束边缘构件; 3) 按照大震不屈服控制剪力墙的受剪截面，避免核心筒墙体在大震下发生剪切脆性破坏; 4) 核心筒周边洞口连梁采用双连梁，提高连梁抗震承载能力，避免出现小跨高比的连梁易发生的剪切破坏。

塔楼高度超限，核心筒面积占楼层面积较小，核心筒墙体作为结构第一道防线在设防烈度地震作用下将出现较大拉应力，此时应控制核心筒墙体名义拉应力不超过2ftk( ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值) 。结构底层核心筒墙体编 如图6 所示，结构底层核心筒墙体名义拉应力验算结果如图7 所示，从图中可以看出，底层核心筒墙体在设防烈度地震下名义拉应力均小于2ftk。

4. 3 增强外框架二道防线的抗震能力

鉴于外框架柱的重要性及其延性要求，外框架柱采用抗震性能较好的圆钢管混凝土柱。由于结构外框架柱距达10. 5m，在底部4 层( 层高5. 1m) 外框架分担的地震剪力占结构底部总剪力的比值仅为4% ～ 6%，外框架抗震承载能力较弱。为提高结构外框架的抗震承载能力，在不影响建筑立面效果及使用功能的前提下，在塔楼底部四层及地下1 层外框架四角设置BＲB 支撑( 图8) 。外框架BＲB 支撑的设置使得外框架作为二道防线的抗震能力大大提高，底部4 层外框架所分担的地震剪力的比值提高到20%以上，满足高规的要求。

同时，上部结构楼层外框架采用钢梁与外框架柱刚接，外框架所分担的地震剪力占底部总剪力的8% ～ 14%，为保证二道防线具有一定的抗震能力，取外框架所分担的地震剪力不小于结构底部总地震剪力的20%及框架部分楼层地震剪力最大值( Vmax)1. 5 倍中的较大值进行调整［3］。在1. 5Vmax的选择中忽略加强层及上下楼层剪力突变的影响，只选择普通楼层进行比较调整。

4. 4 在建筑立面大切角处采用分叉柱

塔楼在16 层以上建筑立面造型上有大切角，使得结构外框架角柱在竖向不能贯通。结构在大切角位置处采用分叉柱( 图9) ，既满足建筑立面造型要求，同时又保障结构竖向构件传力的连续性。分叉柱处仍采用钢管混凝土柱。鉴于分叉柱节点处构造及受力的复杂性，同时要满足强节点、弱构件的设计要求，对分叉柱节点用ABAQUS 软件进行建模分

析，应力分析结果如图10 所示。从图中结果可知，当节点达到极限状态发生屈服时，屈服点出现在杆件根部，分叉节点处并未屈服，可知该节点构造能够满足强节点的要求。

4. 5 风荷载及地震作用取值

对塔楼所在场地进行地震安全性评价，根据场地安评 告对塔楼进行计算，并将计算结果与抗规结果进行对比，取其中不利的一组结果作为结构小震设计依据，计算对比结果如图11 所示。通过比较可知，结构在受多遇地震作用时，其承载力为抗规所规定的地震作用控制。

因塔楼超高，属于对风荷载敏感建筑，为验证风环境对结构的影响，进行了风洞试验，并将风洞试验结果与荷载规范风荷载进行比较，取较大值作为风荷载设计依据，比较结果见图11。从比较结果可以看出，结构在受风荷载作用时，其承载力为荷载规范所规定的风荷载控制。

通过以上比较结果可以看出，结构在地震作用下所受楼层剪力远大于风荷载作用，因此，结构的控制荷载为地震作用。

4. 6 对结构关键构件采用性能化设计

由于塔楼超限较多，鉴于结构的重要性和地震的不确定性，考虑结构在不同烈度地震下刚度、强度以及延性的要求，对结构不同部位关键构件制定相应的性能目标，采取性能化设计［1］，具体结构性能目标见表1。

4. 7 采用两种软件进行结构整体弹性分析

结构整体计算分析采用了SATWE 及MIDAS Building 两种软件进行计算对比。计算中考虑重力二阶效应( P-Δ 效应) 、偶然偏心、双向地震作用，模拟结构的施工顺序; 对结构楼层中有大开洞的楼板及加强层上下楼板按弹性板建模考虑楼板平面内的变形。

多遇地震下，两种软件计算的结构主要自振周期及振型参与有效质量系数见表2。在风荷载及多遇地震作用下，结构位移及基底剪力见表3。

从表2、表3 计算结果可以看出，SATWE，MIDAS Building 两种软件计算结果吻合较好，结构第1 扭转周期与第1 平动周期的比值分别为0. 57，0. 63，均小于规范0. 85 的要求; 结构振型参与有效质量系数均大于90%; 结构在X，Y 向的层间位移角均小于1 /502( 按高规要求内插得到) ，且有一定的安全储备，最大位移比均小于1. 4，满足高规的要求。

4. 8 采用弹性时程分析方法进行多遇地震下结构补

充计算

根据高规规定，采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线。在地震加速度时程曲线的选择时，主要考虑所选择的曲线满足本工程场地地震动的频谱特性、有效峰值和有效持续时间3 个要素的要求。本工程弹性时程计算时选取5 条天然波和2 条人工波，各条波结构基底剪力计算结果见表4，由表可得，7 条波作用下时程分析法的基底剪力均大于反应谱法的65%，平均值大于反应谱法的80%，满足高规要求。

5 设防地震下构件承载力分析

为了验算结构关键构件在设防地震下的承载能力，进行了设防地震下的结构计算。计算时，考虑结构塑性铰的发展，适当考虑结构阻尼比的增加及连梁刚度的折减; 伸臂桁架加强层上下则不考虑楼板的作用; 不考虑风荷载的作用、不考虑与抗震等级相关的内力调整系数。中震弹性计算时，构件材料强度取设计值，中震不屈服时，构件材料强度取标准值。结构底部加强部位典型墙肢及外框架柱在设防地震下承载力复核结果如图12 及图13 所示。从图中可以看出，构件所受内力均在其承载力包络曲线以内，构件在设防地震下承载力均满足所设定的性能目标的要求。

6 罕遇地震下动力弹塑性时程分析

弹塑性时程分析采用MIDAS Building 软件，动力弹塑性分析方法使用Newmark-β 的直接积分法，各分析时间步骤中的构件内力可通过恢复力模型获得，每个分析步骤中都要更新构件的刚度。在模型中墙单元采用纤维模型，纤维模型采用纤维束描述钢筋或混凝土材料，通过平截面假定建立构件截面的弯矩-曲率、轴力-轴向变形与相应的纤维束应力-应变之间的关系。分析过程中考虑结构几何非线性及材料非线性。

对结构进行另外给定的7 组罕遇地震波双向作用下的动力弹塑性时程分析，结构抗震性能总结如下:

( 1) 在完成罕遇地震下弹塑性分析后，结构仍保持直立，X，Y 向的最大层间位移角分别为1 /109和1 /104，满足抗规中最大层间位移角小于1 /100 的要求，整个地震过程中未出现不可恢复的整体变形，达到大震不倒的抗震设防目标。

( 2 ) 主要承重墙

墙肢混凝土塑性发展较为轻微，相对连梁塑性发展较晚，塑性区主要出现在加强层附近;墙体中钢筋应力水平均匀( 图14 ) ，仅墙体底部和加强层区域局部出现少量钢筋进入屈服，剪力墙筒体整体抗震性能良好。

( 3) 钢管混凝土柱在整个地震过程中均处于弹性，未出现塑性发展。可见，钢管混凝土柱在罕遇地震下性能良好，作为二道防线具有可靠的保障。

( 4) 塑性区首先出现在连梁，连梁中混凝土出现开裂、屈服，但未达到极限破坏，在地震作用期间起到耗能作用，有利于整体结构抗震、耐震。

通过以上结果可以看出，结构在罕遇地震下能够实现预期的性能目标，其抗震性能满足高规

的要求。

7 结语

本工程处于高烈度不利场地，而且塔楼高度超限较多、外框架的柱距较大、竖向抗剪承载力突变、核心筒高宽比较大，属于复杂超限结构。通过选用合理的结构形式，适当地加强构造措施，针对不同部位的关键构件制定合理的性能目标，并经过多遇、设防、罕遇三阶段不同设防烈度地震作用下的计算分析可知，结构的各项指标均比较理想，关键构件能够达到预期的抗震要求，整体设计满足设定的性能目标。

参考文献

［1 ］ JGJ 3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． 北京: 中国建筑工业出版 ， 2011．

［2 ］ GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版 ， 2010．

［3 ］ 何伟明，刘鹏，殷超，等． 北京财富中心二期办公楼超高层结构体系设计研究［J］． 建筑结构，2009，39( 11) : 1-8．