長沙國金中心T1塔樓總體結構設計

黃 良

（華東建筑設計研究院有限公司，上海200002）

長沙國金中心T1塔樓總體結構設計

（華東建筑設計研究院有限公司，上海200002）

摘 要長沙國金中心T1塔樓建筑高度452 m，結構高度440．45 m，地上共92層；塔樓還存在斜柱轉換、高位梁托柱轉換等超限問題。論述了塔樓采用的結構體系及針對超限的相關結構對策；介紹了風荷載及地震作用的取值方法；闡述了塔樓基礎的選型問題；歸納了塔樓彈性分析的主要結構指標，計算結果能夠滿足規范和超限審查專家的要求。考慮非荷載效應的塔樓施工模擬分析表明，巨柱與核心筒、巨柱與角柱等之間的豎向變形差對伸臂桁架及環帶桁架的影響很小。塔樓核心筒剪力墻在中震下總體處于受壓狀態。彈塑性時程分析顯示，罕遇地震下塔樓的位移滿足規范要求，結構總體處于彈性狀態，證明了結構的安全性。

關鍵詞超高層結構，基礎選型，總體指標，非荷載效應，彈塑性分析

Overall Structural Design of Changsha IFC T1 Tower

Abstract Building height of the Changsha IFC T1 tower is 452 m，and its structural height is 440．45 m．Overground floor number is 92．Beside the structural height，the super high-rise tower exist some other transfinite problems such as inclined column transferring．Structural system of the tower and structural countermeasure to tackle transfinite problem are introduced．Obtaining value method for wind load and seismic action of the structure is put forward．Problem of foundation type selection is discussed．Main structural index of the tower is presented；elastic analysis results can satisfy demands of structural experts and Chinese code．Construction simulation analysis considering the non-load effect of the structure demonstrators that vertical deformation of the column and shear wall has little effect on strength of belt truss and outriggers．Shear wall of the tower is in a state of overall compression under middle seism．Elastic-plastic time-history analysis manifests that drift of the tower under rare earthquake load satisfy Chinese code requirements；overall structure is mostly in an elastic state．

Keywords super high-rise structure，foundation selection，overall index，non-load effect，elastic-plastic analysis

1 工程概況

長沙市國際金融中心項目地處長沙市中心區域，項目所在地塊位于解放路的北側，黃興路和蔡鍔中路之間，由塔樓T1、T2及裙房和地庫組成，總建筑面積超高100萬m2。

其中，塔樓T1地上結構樓層92層，建筑總高度452 m，結構大屋面高度440．45 m，計容建筑面積約28．38萬m2，塔樓地下室為五層。項目的建筑效果圖如圖1所示。

2 塔樓結構體系

2．1 塔樓抗側力體系

圖1　長沙國金項目效果圖Fig．1 Design sketch of Changsha IFC project

T1塔樓抗側力體系為巨柱框架－核心筒－伸臂桁架－環帶桁架體系。其中，核心筒為主要抗側力體系；巨柱框架、環帶和伸臂桁架為次級抗側力體系［1］。框架柱采用型鋼混凝土柱。伸臂桁架將巨柱框架與核心筒相連，增強了框柱對結構整體抗側的貢獻［2］。塔樓抗側力體系示意圖如圖2所示。

塔樓共設置五道環帶桁架和兩道伸臂桁架。塔樓典型加強層環帶及伸臂桁架示意圖如圖3所示。

圖2　塔樓抗側力體系示意圖Fig．2 Lateral resisting system of the tower

圖3　塔樓典型加強層環帶及伸臂桁架示意圖Fig．3 Typical belt truss and outrigger of the tower

2．2 塔樓重力體系

塔樓核心筒采用混凝土現澆梁板結構體系；核心筒與外框架之間的重力結構體系采用鋼梁和組合樓板，典型辦公與酒店樓層的板厚為120 mm。

塔樓低區和高區的典型平面如圖4所示。

圖4　塔樓低區和高區的典型平面Fig．4 Typical low and high zone plane of the tower

3 塔樓基礎選型

T1塔樓結構大屋面440．45 m，基礎埋深37．8 m，基礎底板已進入中風化巖層；埋深為1／11．6，滿足基礎埋深1／15要求［4］。經過多種基礎方案的比選研究，并經專家論證后，最終確定基礎形式為筏基，底板厚度為5 m，如圖5所示。盡管大震下柱與核心筒均未出現拉力，但考慮地震作用的不確定性，在塔樓底板內部周邊布置了抗拔錨桿。

圖5　塔樓筏板基礎示意圖Fig．5 Raft foundation schematic diagram of the tower

4 塔樓超限情況及性能目標

T1塔樓的主要超限情況包括高度超限，樓板不連續，構件間斷，承載力突變等。綜合考慮抗震設防類別、設防烈度、結構自身特性等因素［3］，T1塔樓抗震性能目標定為C類略高：小震時完好、無損壞；中震時基本完好，輕微損壞；大震下中度損壞。關鍵構件的性能目標如表1所示。

表1　塔樓關鍵構件性能目標表Table 1 Performance objective table of the key members

5 塔樓側向荷載

5．1 風荷載

根據抗震超限審查專家意見：用于結構設計的風荷載依據風洞試驗的結果進行取值。

本工程風洞試驗現場如圖6所示。

圖6　長沙國金中心風洞試驗現場照片Fig．6 Wind tunnel test of the tower

風洞試驗的風荷載與《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2001）［5］（注：結構設計時新荷載規范尚未正式頒布）的比較結果見圖7與表2。風洞試驗風荷載為100年重現期，阻尼比2%并考慮了橫風向效應的最大等效靜力風荷載結果；按規范取值時，基本風壓取0．4 kN／m2，體型系數取1．4，未考慮橫風向影響［6］。風洞試驗與規范均按C類地貌取值。

圖7　風洞試驗與荷載規范（2001）風荷載比較結果Fig．7 Comparison result between wind tunnel and Chinese load code（2001）

表2　風洞試驗與荷載規范基底剪力與傾覆力矩比較Table 2 Base shear and overturning mom ent com parison between w ind tunnel and load code

5．2 地震作用

依據抗震審查專家意見，小震、中震和大震反應譜曲線參數為：取安評報告中小震、中震和大震加速度最大值，地震放大系數取2．25，反應譜參數形狀按規范。

可計算得本工程4%阻尼比下，小震地震影響系數最大值αmax，小震＝0．061 8，中震αmax，中震＝0．175，大震αmax，大震＝0．386。

以小震為例，規范小震、安評小震以及抗震審查專家建議曲線的對比結果如圖8所示［7］（均已換算成阻尼比為4%的值）。其中反應譜曲線用于下文中位移、剪重比等主要結構指標的統計。

5．3 風洞試驗、小震和中震數據比較

圖9和圖10中的地震動參數均為依據抗震審查專家要求的地震動參數取值。

T1塔樓風洞試驗、小震及中震下樓層剪力的比較數據如圖9所示。

圖8　規范小震、安評小震以及抗震專家建議曲線的對比結果Fig．8 Response spectrum of the tower

圖9　塔樓風洞試驗、小震及中震下樓層剪力的比較Fig．9 Story shear comparison among different loads

T1塔樓風洞試驗、小震及中震下樓層傾覆力矩的比較數據如圖10所示。

圖10　塔樓風洞試驗、小震及中震下樓層傾覆力矩的比較Fig．10 Story overturning moment among different loads

由圖9和圖10可見，本工程關鍵構件的控制工況均為中震。

6 塔樓彈性分析結果

6．1 質量與周期

塔樓質量與周期計算結果如表3和表4所示［6］。

表3　地震質量（不包括地下室部分）Table 3 Tower mass above ground

表4　結構自振周期Table 4　Natural period of the tower

6．2 層間位移角

風洞試驗與小震下層間位移角曲線如圖11所示，均小于規范限值，表明結構具有較好的剛度。

圖11　塔樓地震和風荷載下層間位移角Fig．11 Story drift of the tower

6．3 剪重比

塔樓X、Y方向剪重比計算結果如圖12所示，剪重比控制限值λ＝0．737%。其中X方向的最小剪重比為0．776%，Y方向的剪重比為0．728%，不滿足規范限值的樓層數，如圖13所示。

塔樓的最小剪重比已超過（X方向）或接近（Y方向）剪重比限值的85%，基本滿足專家的要求；剪重比不滿足的樓層根據剪重比限值進行地震剪力的放大。

圖12　塔樓剪重比計算結果Fig．12 Shear weight ratio of the tower

圖13　不滿足規范限值的樓層數Fig．13 Number of stories code limit exceeding

6．4 外框承擔的剪力比

塔樓外框承擔的剪力比統計結果如圖14所示。在塔樓結構低區，框架在兩個方向承擔的地震剪力比絕大部分大于5%，基本都在7%～8%之間，結構中高框架在兩個方向承擔的樓層地震剪力比例已超過10%；基本滿足審查專家要求，但考慮到低區框架承擔的剪力比相對較低，故設計時提高了核心筒剪力墻的抗震能力，將塔樓低區核心筒承擔的地震剪力放大10%。

6．5 外框承擔的傾覆力矩比

塔樓外框承擔的傾覆力矩比如圖15所示。

圖14　塔樓框架承擔的剪力比Fig．14 Frame shear ratio

圖15　塔樓外框承擔的傾覆力矩比Fig．15 Frame overturning moment ratio

在規定水平力作用下結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構底層地震傾覆力矩的比值在X、Y方向均接近50%。

6．6 剛重比

塔樓X方向的剛重比為1．88，Y方向的剛重比為1．68，均滿足剛重比限值1．4的要求，但需考慮重力二階效應。

7 考慮非荷載效應的施工模擬分析

施工順序是基于塔樓施工進度計劃及標準的超高層建筑施工順序假定［8］，具體的施工順序如圖16所示。混凝土收縮、徐變模型采用歐洲混凝土規范的CEB－FIP模型。

圖16　塔樓施工順序假定Fig．16 Construction sequence assumption of the tower

不同時刻巨柱與核心筒壓縮變形差如圖17所示。

圖17　不同時刻巨柱與核心筒壓縮變形差Fig．17 Difference of compression displacement between SC and core tube at different stages

考慮施工順序和長期荷載效應的伸臂桁架設計荷載為：風荷載、安評小震、重力荷載，及結構封頂后巨柱與核心筒間的豎向變形差工況，如表5所示，能夠滿足設計應力比要求。

表5　考慮豎向變形差異的伸臂桁架應力比Table 5 Outrigger stress ratio considering non-load effect

巨柱與角柱的豎向變形差如圖18所示。

由于巨柱和角柱軸壓比基本一致、尺寸比較接近，巨柱與角柱的最終壓縮變形基本一致，長期壓縮變形對環帶桁架的影響很小。

8 剪力墻中震受拉驗算

圖18　巨柱與角柱之間的豎向變形差Fig．18 Difference of compression displacement between SC and corner column

定義了1．0（D＋0．5L）＋1．3EMid荷載組合進行核心筒剪力墻的中震受拉驗算，其中，D＋0．5L為重力荷載代表值，EMid為中震作用。

經分析，除局部設備洞口附近外，T1塔樓核心筒在中震下主要剪力墻體均未出現拉應力。圖19列出T1塔樓典型樓層在最不利荷載組合下的剪力墻豎向應力分析結果。

圖19　剪力墻中震下總體處于受壓狀態Fig．19 Shear wall in compression under major earthquake

9 動力彈塑性時程分析

在七組VI度（0．05 g）罕遇地震（峰值加速度157 g）記錄、三向輸入作用的彈塑性時程分析下，樓層的最大層間位移角如表6所示，滿足規范要求。

表6　罕遇地震下樓層層間位移角Table 6 Story drift under rare earthquake

核心筒、框架柱、環帶桁架、伸臂桁架等關鍵構件FEMA性能評價如圖20所示［9－10］。

圖20　塔樓關鍵構件的FEMA性能評價Fig．20 FEMA performance judgment of tower members

彈塑性時程分析結果表明，結構在罕遇地震下總體處于彈性狀態。

（1）墻肢混凝土無明顯不利的受壓狀態，核心筒混凝土受拉開裂程度總體較輕。

（2）外框柱總體處于彈性范圍，靠近上部樓層的少量框架柱柱端出現輕微塑性。

（3）環帶桁架與伸臂桁架始終處于彈性范圍。

（4）核心筒連梁多數保持彈性，部分形成塑性鉸。

10 結 論

本工程為建筑高度452 m，結構高度440．45 m的超限高層結構，同時還存在斜柱轉換、高位梁托柱轉換、平面不規則等超限問題。

（1）通過合理布置結構抗側力構件，針對不同結構構件設置不同的抗震性能目標及針對關鍵部位、關鍵構件進行專項分析等應對超限問題。結構彈性分析的主要指標均能滿足規范或者專家的要求。

（2）經過眾多方案比選，并經專家論證后，塔樓基礎確定使用筏基。

（3）考慮非荷載效應的施工模擬表明，框架柱與核心筒的豎向變形對環帶與伸臂桁架的影響較小。

（4）塔樓核心筒剪力墻在中震下總體處于受壓狀態。

（5）結構的動力彈塑性分析表明，結構大震下位移能滿足規范限值的要求；結構在罕遇地震下總體處于彈性狀態。

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收稿日期：2014－06－10