超高層建筑群塔樓結構設計研究

何世鐵

（一方設計集團有限公司，廣東 陽江 529500）

1 項目概況

本塔樓的平面呈正方形，地上部分高度約為195.2m，地上38 層，地下5 層，主屋面高度為164.8m。塔樓立面分成五個相對扭轉的模塊單元，下部六層為一模塊單元、其他模塊以八層為一單元，模塊單元之間的扭轉角度為6°。地面第一個單元左下角設置四層高的邊庭，其余單元從右下角開始按逆時針依次設置六層高的邊庭，造成邊庭角部立柱不連續。邊庭外墻采用雙層單索幕墻。

2 荷載條件

（1）建筑物抗震設防類別乙類，抗震設防烈度為Ⅶ度；設計基本地震加速度為0.15g；場地類別為Ⅲ類，地震分組為第一組。

（2）基本風壓值W0=0.60kN/m2（100 年一遇），用于主體結構設計；W0=0.55kN/m2（50 年一遇），用于幕墻結構設計。地面粗糙度為B 類。主體結構的體型系數取1.4；屋頂塔架部分體型系數取0.2。

（無核心筒部分）和0.92（有核心筒部分）。

（3）基本雪壓值S0=0.35kN/m2（50 年一遇）。

（4）活荷載如下：商店為5.0kN/m2；停車庫為4.0kN/m2；塔樓辦公區域為5.0kN/m2（按《建筑物及其他結構的最小設計荷載》中國際甲類寫字樓荷載標準取值，含隔墻、吊頂等荷載）。

3 結構體系

2 號塔樓采用雙重抗水平力結構體系，即核心筒（一重）和周邊外框架（二重）組成。核心筒與外框架柱之間通過樓層的主梁和位于設備層（避難層）的加強桁架聯系在一起，并因此提高抗水平力（風作用及地震作用）的能力。外框架柱為矩形鋼管混凝土框架柱，框架梁為工字鋼梁。

4 樓面結構體系

（1）鋼筋混凝土核心筒內的樓面結構為現澆鋼筋混凝土梁板。

鋼筋混凝土核心筒與外圍柱之間由工字鋼梁連接，樓面結構考慮采用鋼筋桁架模板系統。

主要構件截面和材料的選用：①樓層及墻、柱、加強桁架信息如表1 所示。②樓層鋼梁、支撐結構、加強桁架結構構件如表2 所示。

（2）工字鋼梁、支撐斜桿、加強桁架、支撐柱材質為Q345B，箱形截面混凝土柱的混凝土強度等級為C40～C30。

5 反應譜法主要計算結果（程序SETWE）

動力反應譜分析運用《建筑抗震設計規范》的方法進行。分析包括了足夠的振型，使建筑物質量參與度超過90%，每一振型的峰值反應均采用CQC 法組合。分析了多方向的水平地震效應[1]。

（1）周期、地震力與振型輸出文件。

計算得到前6 階模態的振動周期結果。

第3 振型對應的周期T3=2.434 為扭轉為主的第一自振周期，第1 振型對應的周期T1=3.8433 為平動為主的第一周期，二者之比T3/T1=2.285/6.457=0.633<0.9，說明該建筑不屬于扭轉不規則的建筑。

（2）反應譜法計算得到的結構最大響應位移結果如表3 所示。

表3 反應譜法結構最大響應計算結果

由表3 可看出，層間位移角均滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》中關于層間位移角不宜超過1/755 的要求[2]。

主體結構最大位移146.58mm，建筑物高度164.8m，二者比值為1/1124，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》的要求[3]。

地下5～地下2 層地震作用下的剪重比均在正常范圍內，滿足《建筑抗震設計規范》5.2.5 條規定的最小地震作用2.26%的要求；地下5～地下2 層地震剪力不滿足《建筑抗震設計規范》5.2.5 條要求，需要調整。

（3）結構抗震性能的綜合評價。

本工程屬于平面及立面不規則的超限高層建筑。由于在結構設計時采取了較為合理的結構布置，并對結構的薄弱處采取了有效的構造措施，從而減小了體型不規則帶來的不利影響，使得結構仍具有良好的抗震性能，計算結果滿足現行規范和規程的要求。

從結構的三維整體分析結果來看，結構沿高度方向的剛度基本是均勻變化，無明顯突變[4-5]。

6 結構體系中采用兩種不同材質構件的經濟性比較

為實現結構使用材料的最合理性，2 號塔樓采用兩個方案計算比較，即矩形鋼管混凝土框架柱-鋼筋混凝土簡體結構體系、勁性鋼骨混凝土柱-鋼筋混凝土筒體結構體系。兩個方案的平、立面結構布置相同。以下從造價、建筑構件尺寸、單方基礎主結構自重、施工工期及施工對周圍環境影響等綜合因素作全面、系統地分析不同材料對項目經濟效益的優劣。初步分析結果如下。

6.1 工程量分析

（1）矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結構體系計算所得工程量如表4 所示。

表4 矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結構體系計算所得工程量

（2）鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結構體系計算所得工程量如表5 所示。

表5 鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結構體系計算所得工程量

6.2 結構造價分析

各結構材料費如表6 所示。

表6 各結構材料費

由表6 可知，從材料總體造價比較，采用矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結構比采用鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結構要高3211.84 萬元。

7 結構工期

矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結構因框架柱、梁為工廠加工、現場吊裝，其在工期、對周圍環境影響這方面的優勢明顯，而鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結構的造價低但工期長30%，時間成本相對要高，工期效益就顯得較低。施工工期對整體成本的影響主要體現在“時間即是成本”的關系上。施工工期的縮短，可使建筑物提早投入使用，縮短貸款建設的還貸時間，并且能提早出租增加租金收益，另外，矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結構建筑品質及精確度也較高。

8 結語

因此，業主對2 號塔樓結構材料方案進行評估時，可綜合上述比較，從總體經濟效益上考慮兩個方案的優劣。鋼結構成本較混凝土結構成本高，但是綜合構件尺寸、基礎造價、施工周期，鋼結構方案占有一定優勢。