超高層建筑結構設計要點探討
——以某中心為例

楊宜良

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266073）

南京綠地金茂國際金融中心位于江蘇省唯一的國家級高新區(qū)——南京江北新區(qū)中央商務區(qū)核心位置，位于江北定山大街與橫江大道交匯處，是綠地集團繼紫峰大廈之后在南京投資建設的又一地標性建筑（效果圖如圖1 所示）。由綠地與金茂強強聯(lián)手打造，建筑設計由華東建筑設計院有限公司擔任，建筑方案由全球頂尖設計團隊SOM 主力設計。塔樓總高度499.80 m，地上104 層，地下5 層，地上建筑面積約27.05 萬m2，地上業(yè)態(tài)涵蓋甲級辦公、總部獨棟、五星級酒店、天幕公館、箐英公寓和精品商業(yè)六大業(yè)態(tài)，地下室包括設備用房、酒店后勤區(qū)、卸貨區(qū)及車庫等，打造成南京江北金融、商業(yè)第一新中心，建成后將與450 m 的紫峰大廈隔江相望造就南京新的天際線，并成為江蘇第一高樓。筆者為了研究超高層建筑的結構設計，尤其是抗震設計與抗風載設計，擬以該項目為例，探討研究超高層建筑的結構設計要點。

圖1 效果圖

根據(jù)住建部的“限高令”，南京綠地金茂國際金融中心亦將成為今后中國超高層建筑的極限高度。本項目塔樓的結構體系由鋼筋混凝土核心筒、巨型框架及拱形轉換桁架斜墻轉換結構等組合而成的“巨型框架結構-核心筒-伸臂桁架”結構體系，屬于超B 級高度且體型復雜的超限建筑，存在剛度突變、構件間斷、樓板不連續(xù)、局部不規(guī)則、承載力突變等超限情況，南京市位于中等烈度地震區(qū)域，有中等強度的風荷載，塔樓采用了剛度延性兼顧的抗側體系，各體系之間相互依存相互協(xié)調，有效地抵抗塔樓的重力和側向力（圖2）。塔樓標志性的拱形造型設計靈感來自于擁有650 年歷史的南京明城墻和氣勢恢宏的城墻、城中星羅棋布的拱橋等城市符號，通過高效的拱結構將重力轉換至角部的八根巨型柱上，實現(xiàn)了材料的最優(yōu)化利用又獲得了最優(yōu)的空間視野效果。

圖2 項目結構體系圖

1 主要設計條件

根據(jù)荷載規(guī)范，南京市基本風壓50 年一遇和100年一遇分別為0.40 kN/m2和0.45 kN/m2，用于結構設計用的風荷載取值依據(jù)風洞試驗結果取值。風洞試驗報告提供每個樓層的X、Y 方向及扭轉風荷載數(shù)據(jù)，并給出了設計使用的各個方向組合系數(shù)，從而在結構設計時考慮塔樓的橫風向效應及扭轉風振效應。風洞試驗還準確提供了塔樓基底的剪力和傾覆力矩。地震荷載作用的確定，依據(jù)抗震專家意見，小震、中震、大震反應譜曲線參數(shù)為：小震按GB 50011—2010（2016 年版）《建筑抗震設計規(guī)范》和安評報告中加速度最大值取值，放大系數(shù)擬取2.3，反應譜形狀參數(shù)按規(guī)范和計算的底部總剪力較大者包絡使用；中震和大震按規(guī)范反應譜取值，但是加速度峰值取安評加速度峰值。可以計算得小震地震影響系數(shù)最大值αmax小震=0.072，中震αmax中震=0.203，大震αmax大震=0.367。小震、中震、大震的反應譜曲線近似于圖3 所示：6 s 后反應譜曲線按6 s 前直線段斜率繼續(xù)下降。小震下塔樓兩個方向的基底剪力和傾覆力矩基本一致。風洞試驗、小震數(shù)據(jù)比較可以看出塔樓風荷載基底剪力和傾覆力矩均高于小震，因此塔樓為風荷載控制（這也是絕大多數(shù)超高層建筑的水平荷載控制經(jīng)驗）。

圖3 小震、中震、大震反應譜曲線

2 塔樓的結構體系

百年大計，質量第一，安全永遠是超高層建筑最關注的問題。下面從幾個專題結合本項目加以分析。

2.1 結構的抗側力體系設計

本項目地上主結構高度478.80 m，塔樓頂冠高度約為21 m，高寬比也達到8；與主樓相連的3 層高裙房部分以抗震縫與主樓分開。這需要高效的抗側力體系以保證主樓在風荷載和地震作用下的安全。超高層建筑中豎向荷載對結構的設計產(chǎn)生重要影響，但是水平荷載（主要是風荷載和地震作用）卻起著決定性重要作用，原因是超高層建筑力學簡化模型，可以視為一根固定在地面上的懸臂桿件，豎向荷載（建筑自重力和樓面使用荷載）在豎向構件中所引起的軸力和彎矩數(shù)值與建筑高度的1 次方成正比，但是在側向荷載為倒三角荷載的水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩以及由此在豎向構件中引起的軸力與建筑高度的2 次方成正比，側移與建筑高度的4 次方成正比。一個好的超高層建筑結構方案是選擇了一個高效的多重（分為主要和次要抗側力體系）抗側力體系結構方案。

因此超高層建筑結構設計首先考慮結構體系的傳力途徑清晰、明了、簡單且直接，特別是豎向荷載傳力途徑。對于超高層建筑很多情況下風荷載成為設計的主控荷載，而風荷載又與建筑外形和結構的動力特性相關，在其作用下既要保證結構有足夠的剛度控制建筑的水平變形和頂部加速度，更應從建筑方案源頭解決問題選擇合適的建筑體型以降低風荷載作用。

同樣是水平荷載，超高層建筑在地震作用下的變形與風荷載不同，剛度太大會導致地震作用的增加，剛度太小又會導致過大的變形而倒塌，那么如何選擇剛度則是尤為重要的問題。“小震不壞、中震可修、大震不倒”是抗震設計的最基本原則，也是任何超高層建筑抗震設計的基礎理論依據(jù)，本項目也是以此為依據(jù)建立地震模擬模型進行試驗的，使該項目的結構既有足夠的承載力又有合適的剛度及良好的延性，則需要綜合考慮抗風和抗震需求。如果選擇不當產(chǎn)生較大的側向變形會使結構構件開裂變形，而且因P-△效應產(chǎn)生附加彎矩使非結構構件如隔墻、幕墻、電梯井道等產(chǎn)生過大變形，甚至使結構產(chǎn)生整體失穩(wěn)。主要抗側力體系為核心筒-外巨柱-伸臂體系，塔樓在角部每個位置設置2 個巨柱并通過深框架梁，總共設置8 個巨柱，這些巨柱和深梁組合成的框架在遭遇較高震級時提供額外的延性。豎向每隔大約30~35 層設置一道外伸臂，總共4道外伸臂，連接巨柱與核心筒形成空間抗側力工作機制。次級抗側力體系，結合拱形建筑造型設置折線形環(huán)形桁架和大量的柱間支撐，提高外框承擔的地震剪力比，則外框架剛度得以極大地提升。

2.2 塔樓的重力結構系統(tǒng)設計

塔樓重力結構系統(tǒng)采用位于周邊框架和中央核心筒之間的鋼梁。在辦公區(qū)3 m 間距的鋼梁支撐組合樓板、在公寓與酒店區(qū)鋼梁間距為4.5 m，與房間開間一致。混凝土核心筒采用鋼筋混凝土梁板系統(tǒng)。辦公等典型建筑空間的結構板厚為125 mm，核心筒內外均采用鋼梁和壓型鋼板組合樓蓋，典型加強層如避難轉換層的樓板厚度為200 mm，核心筒內外均采用鋼梁和鋼筋桁架樓承板，與豎向構件一起形成整體空間受力機制，在大震作用下通過連梁的塑形變形消耗能量。本項目的一個設計特點是為了發(fā)揮材料的最大效能，沿塔樓一定高度將周邊柱轉換到建筑的角部，通過這種轉換將支撐重力所需的柱子材料放在對建筑抗側剛度最有效的位置。

2.3 拱結構設計

對于重力荷載的轉換通過3 個空中大堂層的拱結構來完成。拱的結構形式簡單高效地轉換重力荷載，并在空中大堂形成無柱空間（圖4）。這種結構構件只承受壓力，可以充分發(fā)揮材料的性能。通過這種轉換使得周邊柱子的尺寸在600 mm 左右，與100 m 高的塔樓柱子接近，極大地增加了空間使用效率。塔樓周邊柱子每隔一定樓層均采用一道拱進行轉換，由上方的柱子和荷載經(jīng)過拱受力計算可以確定拱的具體形狀，使之只受壓力不受彎，材料的效率則最高。

圖4 拱形造型結構模型圖

因為地震和風荷載等水平荷載不像重力那么穩(wěn)定，拱結構形式易于受力不理想，故為增加結構安全和提供更多保險系數(shù)，在拱轉折的位置設置了兩根斜桿連接到巨柱，形成了拱桁架。同時為了增加整體剛度和較強地震作用下的安全在拱的下方設置了環(huán)形桁架，在拱結構的低端設置水平拉桿，這樣與拱相連的巨柱和巨柱背后的撐桿一起承擔全部的水平力，提供300%的安全保證。拱上方的框架結構之間設置空腹桁架可以承擔全部重力荷載，在極端條件下拱結構失去承載力，整個結構體系亦不會倒塌。拱腳節(jié)點設計比較復雜，高強度的Q390GJ 鋼結構和混凝土應力采用了有限元分析，保證了地震作用下節(jié)點不先破壞并具有塑性變形耗能的能力，為塔樓的正常工作和抵抗水平風荷載與地震荷載提供了保障。

2.4 豎向變形和非荷載效應問題研究

本項目的建筑高度接近500 m，豎向構件由于豎向荷載引起的壓縮變形也是需要考量的。由于采用混合結構體系，鋼筋混凝土筒體與鋼骨混凝土柱（SRC）之間由于軸壓應力不同會產(chǎn)生較大的差異變形，在伸臂桁架、樓面大梁間產(chǎn)生附加內力，同時豎向構件的壓縮變形不均勻性使得對水平梁、伸臂桁架等又產(chǎn)生二次內力影響從而對于樓面標高控制、豎向井道的使用、幕墻等構件產(chǎn)生巨大的影響，有的影響甚至是破壞性的。同時還需要考量豎向結構的徐變和溫度變形，會對相應構件產(chǎn)生附加內應力或內力重分布，有時施工順序或施工堆載的影響也會產(chǎn)生內力重分布，在本項目結構設計或結構模型試驗中充分考量了這些因素。

2.5 扭轉效應和結構頂部加速度

本項目從建筑方案開始就重視這一結構問題，建筑方案采用了質量、剛度分布均勻平面布置（圖5）、豎向剛度盡量均勻變化的豎向結構形式，盡量減少豎向不規(guī)則形式，不至于產(chǎn)生過大的扭轉作用。過大的扭轉作用對抗側向剛度構件亦會產(chǎn)生巨大的附加內力。在橫風向作用下結構頂部震動加速度與結構頂部幅值成正比，該震動加速度的大小影響建筑的使用舒適度和居住者的心理承受能力。一般是采用消能減震阻尼裝置減小建筑的荷載效應，風引起的結構頂部舒適度和結構的總抗側剛度與阻尼的平方根成反比，但是該項目未使用傳統(tǒng)的阻尼器，而是通過地震振動臺和風洞試驗模擬地震和風的作用，為抗水平荷載設計提供了基礎依據(jù)，設置2 道設防控制體系和一系列構造措施，基本保證50 年一遇的大風和地震沒有任何問題，100年一遇的會有短暫不適和局部破壞，但是安全沒有問題，可以經(jīng)過維修鑒定后正常使用。本項目獨立做了2個動力彈塑性時程分析，都表明在重現(xiàn)期大約2 000年一遇的地震作用下，拱結構未進入塑性，其他結構損傷程度也不大，結構的性能明顯優(yōu)于規(guī)范規(guī)定的“大震不倒”的目標。

圖5 南京綠地國際金融中心平面示意圖

2.6 深基礎和基坑的支護設計

超高層建筑由于結構整體穩(wěn)定和抗傾覆要求，基礎埋深需滿足結構高度的1/20。該項目采用地下5 層結構，加5.5 m 厚的大筏板（約3.4 萬m3混凝土72 h不間斷連續(xù)澆筑完成），滿足了整體穩(wěn)定和抗傾覆的設計要求。塔樓荷載通過核心筒及外圍8 根巨柱傳至樁伐基礎，由于持力層低于筏板底部約20~30 m，所以采用樁基礎將塔樓重力傳至微風化巖或中風化巖。綜合地勘報告、施工難易程度、工程造價及施工工期等多種因素，塔樓采用1 200 mm 直徑的鉆孔灌注樁，持力層采用微風化砂質泥巖、微風化細沙巖或中風化砂質泥巖、中風化洗砂泥巖。對于砂巖樁端進入中風化巖3~5 d；對于泥巖樁端宜以微風化泥巖為持力層，部分中風化泥巖層較厚進入5~7 d。樁端采用后注漿工藝，提高了樁基承載力和成樁質量。塔樓采用了群樁筏板，筏板厚度5 500 mm。

3 結構整體分析計算簡介

3.1 質量和周期計算

采用2 種軟件ETABS 和PMSAP 計算出地震質量（即不含地下室的質量）和結構的自震周期。地震質量取為重力荷載代表值及X，Y，扭轉3 個結構自震周期，2 個計算軟件比較接近，可以證明其可靠性。

3.2 層間位移角

經(jīng)2 種軟件計算，在風荷載和常見小震作用下，層間位移角均遠小于規(guī)范限值，結構的剛度和延性足夠好。

3.3 剪重比

塔樓X，Y 方向的剪重比均小于剪重比控制值λ=1%，其中X 方向的最小剪重比為λ=0.81%，Y 方向的最小剪重比λ=0.81%。

3.4 外框承擔的剪力比

經(jīng)專項分析外框巨柱承擔的剪力比均滿足8%的要求，在底部區(qū)域的角柱截面尺寸比上部大，提高了底部區(qū)域樓層的抗剪承載力。

3.5 塔樓結構設計特點分析及關鍵技術應用

3.5.1 巨柱設計

巨柱采用Q390GJC 高建鋼混凝土柱形式，盡量減小其截面尺寸，鋼板焊接成工字型，含鋼率控制在4%以內，巨柱邊緣構件內部采用C50~C70 自密實混凝土，計算器正截面承載力后表明構件可以安全承受重力荷載和水平荷載。

3.5.2 巨型節(jié)點設計

本工程環(huán)形桁架、支撐與主框架剛性連接設計，形成聯(lián)合抗側力體系，傳力清晰，采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS 進行分析，從鋼結構和混凝土結構應力云圖結果表明節(jié)點內鋼結構和混凝土部分均在強度允許范圍內。環(huán)帶桁架、支撐、與型鋼混凝土柱連接節(jié)點相對復雜，節(jié)點區(qū)桿件多，板件之間間距小，要保證其平面內剛度，節(jié)點制作和加工相對困難。

3.5.3 結構構件試驗

本工程針對整體結構及主要構件進行了一系列縮尺試驗和理論分析，進行了整體結構振動臺試驗。抗震試驗是由中國建研院承擔，在建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室的建筑抗震實驗室進行的，歷經(jīng)9 個月的模型加工，試驗縮尺模型比例1∶40，測試其在不同水準地震作用下的動力反應，經(jīng)7 烈度甚至7.5 烈度地震試驗已經(jīng)達到了預定的抗震性能指標（已經(jīng)超規(guī)范要求）。塔樓試驗模型如圖6 所示。

圖6 塔樓試驗模型

同時也對巨柱承載力、巨柱組裝焊縫、巨柱抗火以及巨型節(jié)點承載力進行了專項試驗，均達到了良好的預期目標。

4 超高層建筑抗水平力設計要點

計算總體分析要求，利用結構概念設計的理論要求總體判斷，建立合適的結構模型是根本指導原則。在此基礎上，選擇合適的計算參數(shù)，按實際受力特點進行計算假定，計算結果出來后應進行分析其合理性（絕對不能完全依賴電腦）。

計算參數(shù)選取應重點關注的內容有，連梁的單元形式（桿單元或殼），巨柱采用桿單元或殼，強單元最大單元尺寸，樓板單元的選取形式，阻尼比選擇，連梁剛度的折減，周期折減系數(shù)，最不利地震方向（正方形增加45°），最不利風荷載方向，嵌固端的選取，是否考慮P-△效應，偶然偏心影響，定義特殊構件，混凝土柱的計算長度系數(shù)（地下室、懸臂梁）以及施工模擬方式等。計算結果出來后的總體判斷內容，包括質量和荷載沿高度分布的合理性分析，振型、周期、位移形態(tài)和量值合理性分析，沿高度方向的地震作用分布合理性分析，單工況下總體和局部力學平衡條件是否滿足，對稱部位構件的內力及配筋是否相近，不同軟件計算結構對比，受力復雜構件（如轉換構件等）內力與應力分布與概念、經(jīng)驗是否一致等等。下面就幾個核心問題加以分享。

（1）嵌固端的選取。超高層建筑嵌固端的選擇非常重要，是整個建筑的固定端，保證結構構件在外力如風荷載、地震作用下圍繞固定端部不發(fā)生偏移或控制在規(guī)范允許范圍內。一般以地下室頂板作為嵌固端，但是需要具備幾個條件。地下室頂板高度與室外地坪盡量一致，地下室的埋置深度應大于地下室層高的1/3。地下室柱子每一側的縱向鋼筋截面面積比地上一層對應的柱子相應側的縱向鋼筋截面面積之比在1.1 以上，目的是框架柱在嵌固端屈服時是地上一層先于地下部分屈服，地下室頂板的梁柱節(jié)點設計不同于普通地上層梁柱節(jié)點設計，規(guī)范要求下柱上端和左右梁端三處加起來抗震受彎承載力應大于地上一層柱下端的抗震受彎承載力的1.3 倍。地下室抗震墻墻肢端部的邊緣構件的總配筋量不小于地上一層相應位置邊緣構件的配筋量。地下室頂板現(xiàn)澆且厚度大于180 mm，混凝土強度等級要大于C30，雙層雙向配筋且各層每個方向的配筋率大于0.25%，不要開大洞口。

（2）地震波的選擇要求。每條時程曲線計算的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法求得的65%，也不應大于振型分解反應譜法求得的135%，多條時程曲線計算的結構底部剪力平均值不應小于振型分解反應譜法求得的80%。時程曲線數(shù)量在超高層建筑中一般不少于7 組。還要考慮長周期地震波對超高層結構的影響。

其他重要關注點還包括樓層剛度比、阻尼比、平面與豎向不規(guī)則分析、巨型結構體系等內容，讀者可以類似總結出具體可操作的一些設計要點。

5 結束語

通過分析該項目的結構設計全過程，包含風洞試驗、地震臺抗震分析，與業(yè)內專家溝通交流，初步掌握了超高層建筑結構設計基本理念、結構設計基本步驟、風荷載的取值（規(guī)范荷載與試驗值的取值關系）、300~500 m 超高層結構設計的要點等內容，整理出來給大家分享。在超高層建筑結構設計中，重視結構選型和結構概念布置，優(yōu)先比較水平荷載選出主導性荷載，超過百米的超高層建筑一般都是以風荷載為水平控制荷載，正確選取其系數(shù)，譬如風壓高度變化系數(shù)、風荷載體型系數(shù)、順風向風振和風振系數(shù)、橫風向和扭轉風振等。目前超高層建筑為復雜結構，有高位轉換、豎向大收進或大凸出，結構上屬于超限建筑，基本上都是采用混合結構，譬如SRC 柱、鋼梁、混凝土內筒結構，鋼管樁、鋼梁、混凝土內筒結構等，這些都需要專業(yè)工程師多積累工程經(jīng)驗，總結項目的自身特點，梳理出結構設計要點，改進或優(yōu)化結構設計方案。