大连绿地中心结构设计

提 要：大连绿地中心为超高层建筑，建筑高度518m，结构高度400.8m，采用巨型框架支撑+核心筒+伸臂桁架结构体系。根据结构体系和受力特点，提出了具体的结构抗震性能目标和抗震加强措施。整体结构弹性分析和弹塑性时程结果表明，结构整体指标和抗震性能均满足规范和抗震性能目标的要求。对特殊部位的结构和关键问题，包括减小风荷载、支撑和伸臂桁架效率、酒店区结构体系和剪重比控制等进行分析和探讨，为结构设计提供充分的依据，同时也为同类工程和问题提供参考。

关键词：超高层建筑，风荷载，伸臂桁架，剪重比

1 工程概况

大连绿地中心项目（图1）位于大连湾东港区，毗邻国际会议中心和大剧院，由一幢超高层塔楼、商业裙房和地下室组成，主要功能为办公、公寓和酒店，总建筑面积为29.95万m2，地上建筑面积为22.03万m2，地下建筑面积为7.92万m2。超高层塔楼地上83层，地下5层，建筑塔冠高度为518m，结构高度400.8m。裙房地上4层，地上部分与塔楼之间设抗震缝脱开。建筑设计与结构设计均由华东建筑设计研究总院承担。

超高层塔楼平面（图2）为具有弧形切角的等边三角形，底部切角较小，顶部切角较大。L1~L37层，楼层平面大小沿高度先略微增大再略微减小，切角三角形边长在51.2m~53.3m之间变化；L39至顶层切角三角形边长逐渐收缩，切角三角形平面边长从51.2m减小为32.7m。塔楼核心筒呈六边形，长边边长约为29m，高度约34m，主要功能为高速电梯、设备用房和服务用房。

本工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，抗震设防类别属乙类建筑。设计基本地震加速度峰值为0.1g场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4s。根据本项目的地震安全性评价 告，多遇地震加速度峰值为46gal，为规范为1.3倍。本工程为风敏感性的超高层结构，基本风压为0.65 kN/m2，地面粗糙度为A类，设计风荷载和楼顶加速度需通过风洞试验确定。

2 结构体系

塔楼主体结构采用巨型框架支撑+核心筒+伸臂桁架结构体系，形成了双重抗侧力体系来抵抗水平风和地震产生的作用，如图3所示。

核心筒在平面居中布置，从基础筏板顶面延伸至结构顶层，贯通建筑全高。核心筒外围墙肢厚度为1400mm~400mm，中部墙肢厚度为800mm~600mm。从筏板顶面到28层，外围墙肢内埋置钢板，形成组合钢板剪力墙，中部墙肢以及28层以上的外围墙肢内设置型钢，形成组合钢骨剪力墙。核心筒混凝土强度等级底部为C60，高区为C50 。

巨型框架由6根巨型柱、6道环形桁架、巨型钢支撑及框架梁组成，39层以下，在平面的长边布置6根中柱，减小环形桁架跨度。巨柱采用型钢混凝土截面（图4），含钢率为4.0%~5.0%。巨柱底部截面面积约19m2，沿高度逐渐内收，外侧保持平齐，顶部截面面积约8m2。环形桁架承担次框架传来的竖向荷载，并与巨型柱形成巨型框架抵抗水平力。为提高外围巨型结构的抗侧刚度，增加外围框架承担地震剪力的比例，在50层以下的三组巨型角柱之间设置巨型支撑。

为协调核心筒与巨型框架的变形，提高结构的整体刚度，沿塔楼高度设置了4道2层高伸臂桁架（图5）。伸臂桁架延伸到核心筒墙体内，提高伸臂桁架整体性。

次框架每10-18层一段，由次柱和边梁组成，采用钢框架结构。次柱和边梁刚接，用来将竖向荷载传递给环形桁架和巨型柱，同时提供部分抗侧刚度，增大周边框架的抗侧能力。次框架顶部与上部环形桁架设置长圆孔螺栓实现竖向滑移，避免环形桁架上部的竖向荷载传递给次框架柱。

塔楼地上楼盖采用钢梁-组合楼板体系，楼板为压型钢板-混凝土组合楼板。标准层楼板厚120mm，加强层为200mm。

3 基础设计

塔楼基础采用天然地基+筏板基础，筏板厚度4.5m。塔楼基础埋深28.6m，为结构高度的1/14。塔楼基础持力层主要为中风化板岩，承载力特征值为2500kPa。塔楼地基持力层局部含有构造破碎带，承载力特征值约为500 kPa -800 kPa，构造破碎带埋深大部分位于底板以下7m范围内，设计中对底板以下7m范围内的构造破碎带进行挖除，并回填C30混凝土。

裙房和纯地下室采用天然地基+筏板基础，筏板厚度1m。由于地下水位较高，抗浮设计水位为-2.75m，裙房和纯地下室区域的底板存在抗浮问题。结合当地常用的抗浮措施、施工条件和经济性，采用岩石锚杆进行抗浮。

4 整体结构弹性分析

整体结构采用通用有限元软件ETABS进行分析，并采用MIDAS作为补充校核。

4.1 主要分析结果

结构前3阶自振周期为6.85s，6.61s，3.68s。第1，2阶分别为49度方向和139度方向的平动主振型，第3阶为扭转主振型。第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.54，小于规范限值0.85。

不同地震水准和风荷载作用下结构的基底剪力和层间位移角见表1和表2。本项目风荷载较大，风荷载引起的倾覆力矩比中震的结果还大，风荷载引起的层间位移角明显大于小震下的结果，说明整体结构刚度主要是风荷载起控制作用。

最不利地震方向（30度），结构的最小剪重比为0.0135，为规范限值0.0158（0.012×1.31）的85.7%。剪重比小于0.0158的范围为19层及以下，约为全部楼层度的22%。设计中，对小震下全楼的地震效应进行放大，放大系数取1.17。

结构整体稳定验算满足规范要求，但小于2.7，故本工程在弹性计算模型中应考虑重力二阶效应的不利影响。

4.2 小震作用下楼层剪力及倾覆力矩分配

小震作用下外框与内筒楼层剪力及倾覆力矩的分配如图6所示。50层以下（1~4区），外框承担剪力约占同层总剪力的12%~20%，与底部总剪力的比值均大于10%。50层以上（5~6区），外框承担剪力约占同层总剪力的18%~30%，占基底总剪力7%~9%，与51层（5区底部）层剪力的比值均大于10%。从倾覆力矩外框内筒分担情况看，外框承担更多的倾覆力矩，且随着高度的增加，外框承担倾覆力矩的比例更大。

5、结构抗震性能目标及弹塑性时程分析验证

按照性能化设计的思想，针对不同部分构件的重要性提出主要结构构件的抗震性能目标。竖向抗侧构件核心筒墙体的正截面承载力、支撑、伸臂桁架和次框架柱的抗震性能目标提高到中震弹性，墙体大震下满足抗剪截面条件；巨柱、环形桁架含有转换功能的构件，抗震性能目标提高到大震不屈服；其余构件如连梁和次框架梁允许中震屈服耗能。

小震和中震下结构的性能作为结构承载力验算的依据。大震下的抗震性能通过弹塑性动力时程分析来验证。结构的弹塑性时程分析采用了有限元分析程序LS-DYNA。地震时程波采用了2组天然波和1组人工波，且每组地震波均含三个分量。

在罕遇地震下，塔楼在两个方向的最大层间位移角之平均值为1/200和1/206，满足1/100的限值要求。核心筒包括底部加强区总体处于弹性，仅与伸臂连接的局部墙肢出现轻微的塑性变形，混凝土未出现明显不利的受压状态。核心筒连梁部分出现明显的塑性铰，但塑性程度总体不高。巨柱、中柱和环带桁架均处于弹性范围内，伸臂桁架出现一定程度的塑性变形。外框梁总体处于弹性，仅第二道伸臂以上的部分外框梁出现较轻的塑性铰。塔冠构件总体处于弹性，仅部分柱脚处出现较轻的塑性变形。弹塑性时程分析结果表明，罕遇地震下结构整体刚度未明显退化，仍具有稳定的承载力，各主要构件的性能均满足抗震性能目标的要求。

6 设计关键问题及策略

6.1 减小风荷载

大连绿地中心建筑高度较高，基本风压较大，结构刚度由风荷载控制。在塔楼体型基本确定的前提下，通过风洞试验研究，采取措施尽量减小塔楼的风荷载。

本项目从初步方案开始，即关注建筑物的空气动力学优化，结构工程师与建筑师、风工程顾问紧密合作对建筑体型进行了多轮抗风优化，采取了包括沿高度不断变化的体型，角部切角处理和增加塔楼表面粗糙度措施，破坏漩涡脱落沿建筑物的相关性。风洞试验结果显示，本项目空气动力学外形较好，在极端风情况下，结构设计荷载主要由顺风向控制风荷载，横风向效应不明显。

大连绿地中心塔冠高约105m，塔冠高度高，且造型为下部主体建筑的延续，迎风面非常大，塔冠风荷载引起的基底倾覆力矩占整体塔楼的30%以上。设计中，对塔冠造型进行调整，包括在三个凹面开大洞，在三个垂直面设置透风孔。对不同透风孔开孔率下塔冠的风荷载进行研究，当塔冠开孔率由25%增加到50%时，塔冠风荷载减小26%。

6.2 支撑与伸臂效率分析

为研究伸臂桁架和支撑的作用，对四种不同的结构方案进行对比分析。四种方案的结构体系及其在50年Y向风荷载下的比较结果如下表3所示。方案B的周期明显小于方案A，说明支撑显著提高结构刚度。方案C的周期也明显小于方案B，说明伸臂桁架可有效提高结构整体刚度。方案D的周期明显小于方案C，说明伸臂桁架的刚度对提高结构整体刚度有显著的影响。设置支撑和伸臂桁架后，整体结构水平变形明显减小，伸臂桁架对减小结构层间位移角作用更为显著，伸臂桁架的刚度也对整体结构的水平变形有较大影响。

不同结构在Y向风荷载下外框承担的剪力与结构底部总剪力的比例与承担的倾覆力矩见图8~9。设置支撑后，对底部4区，外框承担的水平剪力比例明显增加，对5区和6区，由于没有支撑，外框承担的水平剪力几乎没有变化。设置伸臂桁架后，外框承担的水平剪力略有减小，倾覆力矩明显增加，而且伸臂桁架刚度越大，外框承担的水平剪力越低，倾覆力矩越大。

支撑对提高结构刚度、减小结构变形和提高外框承担地震剪力比例有明显帮助。伸臂桁架对提高结构刚度效果明显，由于带动外框一起抵抗倾覆力矩，外框承担的倾覆力矩也显著增加。随着伸臂桁架刚度的增大，结构整体刚度有明显增加。

6.3 酒店区结构抗侧体系及加强措施

大连绿地中心塔楼6区为酒店区，从67层到83层，整个区结构高度81m。由于酒店区建筑平面布置要求，核心筒的外围墙肢无法向上延伸，结构刚度明显降低。而6区以上到塔冠顶部还有约200m高度，风荷载非常大，对结构刚度仍有较高要求。结合结构刚度和外框承担水平剪力的比例，对酒店区的结构体系进行比较分析，确定合理的结构体系。酒店区可以采用的三种结构体系如表4所示。

不同结构体系在Y向风荷载的层间位移角见图10。若对应外圈墙肢位置（即外圈筒）不设置任何抗侧结构，6区的最大层间位移角约1/350，外圈筒采用框架结构，6区的最大层间位移角约1/420，外圈筒采用密柱深梁结构，6区的最大层间位移角约1/514。

由于6区以上结构仍有200mm高，风荷载非常大，外圈筒无法延伸上去，6区刚度削弱太大，结构变形无法满足要求。外圈筒的刚度对6区整体刚度有重要影响，外圈筒刚度需足够大，才足以减小风荷载下6区的变形。综合以上分析的结果，为了提高6区的抗侧刚度，最后选择了密柱深梁方案。

6.4 剪重比控制

超高层建筑结构的剪重比控制一直是抗震设计的一个难点。本项目场地类别为Ⅱ类，特征周期较小为0.4s，剪重比较小，难以满足规范要求。

本项目平面为切角三角形，地震最不利输入角度为30度，最不利方向的地震剪力约55MN，是X和Y向剪力的1.08倍，本项目抗震审查会上，考虑本项目特殊平面，专家同意用最不利地震方向的楼层剪力计算剪重比。

塔楼的质量由三部分组成：结构构件自重、附加恒载（建筑面层、隔墙、吊顶、幕墙、设备管道等）和活载。设计中，采取了以下减轻自重的措施：结构布置中取消内部墙肢WC（图12），以容重更轻的砌块墙体代替，减小公寓和酒店区的隔墙容重，优化构件截面。减轻自重后，结构的剪重比稍有提高，底部最小剪重比为0.0135，约为规范限值的85.7%，超过规范最小剪重比的要求的85%，基本达到了设计要求。

7 结语

本工程属于高度超限结构，根据结构体系和受力特点，制定了合理的结构抗震性能目标和加强措施，对关键部分构件提出了比规范要求更高的抗震要求，确保整体结构的抗震性能。结构整体弹性分析和弹塑性分析结果表明结构性能能满足规范和抗震性能目标的要求。

对本工程特殊部位结构和关键问题进行深入分析，得到一些结论可供同类工程参考。

（1）超高层结构刚度往往受风荷载控制，减小风荷载应由建筑、结构和风工程等专业共同配合，在方案阶段加以考虑。大连绿地中心通过建筑体型优化和在塔冠开洞、开孔，有效减小横风向效应和塔冠承担的风荷载。

（2）设置支撑能有效提高外围巨型结构的抗侧刚度，减小结构变形，增加外围框架承担地震剪力的比例，形成二道防线。

（3）巨型框架-钢筋混凝土核心筒结构设置伸臂桁架对提高结构刚度效果明显，并能带动外框一起抵抗倾覆力矩，外框承担的倾覆力矩也会显著增加。

（4）超高层结构的剪重比一般较难满足规范要求，可考虑减轻结构自重对提高剪重比有一定效果。

参考文献

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S]. 北京：中国建筑工业出版 ，2010.

[2] 建筑结构抗震设计规范(GB 50011-2010)[S]. 北京：中国建筑工业出版 ，2010.

[3] 大连绿地中心抗震审查 告[R]. 上海：华东建筑设计研究院有限公司，2014.