带异形钢结构塔冠的超高层建筑动力特性分析

章 静

(上海天华建筑设计有限公司，上海 200235)

1 概述

在南昌市的城市发展规划中，坐落于西湖区桃花镇的朝阳洲板块，是未来南昌中心城区八大片区之一。本项目用地位于南昌市朝阳洲内，南临城市主干道路，西、东、北临次干道路，地势平坦，用地面积15 813.00 m2，计容积率面积55 345.5 m2。该区域紧邻南昌市老城区，北临赣江，与红角洲新区隔江相望，地理位置优越。

整个项目仅有一栋超高层办公楼，塔楼总高185 m，不设裙房。办公楼底层为大堂、银行、休息区等功能，层高8.4 m，2层～35层均为办公区，层高4.2 m。其中14层，26层为避难层，设置避难区域，层高4.8 m。屋顶设有最高处39.8 m高的幕墙塔冠构架。

2 地震动参数及场地地震危险性分析

2.1 规范值

拟建场地按照国家规范为6度区，其场地地表50年超越概率63%，10%，2%，阻尼比0.05的水平向设计地震动加速度反应谱参数特征值如表1所示。三维模型见图1。

表1 6度区水平向设计地震动反应谱特征参数值

2.2 地震安评结果

按照江西省规定，超高层建筑须进行地震安全性评估，根据地震安评的结果其场地地表50年超越概率63%，10%，2%，阻尼比0.05的水平向设计地震动加速度反应谱参数特征值如表2所示。

表2 新力中心地震安评提供的地表水平向设计地震动反应谱特征参数值

工程场地的基岩水平向峰值加速度见表3。对于峰值加速度贡献最大潜在震源区为工程场地所在的南昌潜在震源区。

表3 新力中心工程场地基岩水平向加速度峰值 gal

两者相比，地震安评的结果明显不利，我们在设计中需要按照不利的情况去考虑。

3 结构体系及抗震等级

经分析比较，本项目主楼上部结构采用钢筋(部分为型钢)混凝土框架—钢筋混凝土筒体结构。本工程型钢混凝土柱仅为减小柱子尺寸和增加抗震延性。

主楼核心筒采用钢筋混凝土结构;地上17层及以下框架柱采用型钢混凝土(采用十字形钢骨)，地上17层以上框架柱采用钢筋混凝土;底部加强区周边环向框架梁采用型钢混凝土，与核心筒相连的径向框架梁采用钢筋混凝土结构。塔楼抗震等级的选取见表4。

表4 塔楼抗震等级

型钢混凝土柱典型截面示意图见图2。

图1 三维模型简图

图2 型钢混凝土柱典型截面示意图

考虑到型钢混凝土梁柱节点复杂，特别是钢筋穿越及锚固问题往往给施工带来不少难度，故本工程型钢混凝土柱截面主要采用十字形钢骨，其翼缘与环向钢骨混凝土梁连接，该梁基本是构造钢筋，构造简单;而径向混凝土梁钢筋配制较多，则与钢骨腹板侧连接，钢骨柱混凝土区域已能满足锚固长度要求;由于径向采用混凝土梁，避免了在核心筒墙体中设置钢骨，其构造与普通混凝土结构相同。

4 超限情况

塔楼存在以下方面的结构超限内容:1)结构高度超限;2)扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2;3)地上2层楼板不连续，开洞面积大于30%;地下夹层顶存在错层大于梁高;4)地上14层往上外围框架柱均为斜柱;5)塔楼大屋面以上存在39.8 m高的幕墙支承钢构架(塔冠)。

可见这是一个带异形钢塔冠的、超限严重的混合结构超高层，而塔冠分析则是重中之重。

5 塔冠分析

5.1 结构布置

塔冠自大屋面(标高152.4 m)升起，高度10 m～39.8 m变化，顶边线呈螺旋状，最高点标高为192.2 m;由玻璃幕墙及其支撑系统构成(开口)。支撑系统主要由24榀高度不等的竖向桁架、5榀水平桁架及人字撑组成，如图3所示。

图3 塔冠结构布置图

图4 风荷载作用下塔冠位移图（单位：mm）

12榀竖向桁架的外立柱1由外框柱升起，通过可靠的构造实现节点刚接;间隔布置的另外12榀竖向桁架的外立柱2则落于外框梁上，节点视为铰接;竖向桁架的内斜柱柱底均支承于核心筒上(核心筒升至162.2 m标高);外立柱与内斜柱间设置水平腹杆(间距2.5 m)，形成空腹桁架。

152.4 m～162.2 m高度范围内外立柱设置2道水平系杆及2道与核心筒连接的水平撑杆;162.2 m～192.2 m高度范围内设置5道水平桁架以增强各榀桁架间的整体性;由于塔冠敞口，在外立面内设置了人字撑以增强塔冠结构的扭转刚度。塔冠的杆件均采用热轧无缝钢管，材料Q345B;杆件的截面、计算长度及长细比如表5所示。

表5 塔冠基本构件特性

5.2 动力特性分析

塔冠结构整体计算分析空间结构模块分析;模态分析显示:第1 周期为0.385 s，根据《抗规》13.2.2 条，塔冠建入模型进行整体结构抗震设计;前3个振型均为平动，扭转振型出现在第4阶，周期为0.229 s，说明塔冠结构具备良好的抗扭刚度。水平荷载作用下，主要杆件的应力比如表6所示。

表6 塔冠主要杆件应力比

风荷载作用下，竖向桁架最大位移为62 mm，挠度为1/473，满足规范限值要求，说明塔冠结构具备合适的侧移刚度(见图4)。

5.3 抗震措施

根据《抗震规范》，6度区钢框架(＞50 m时)抗震等级取为四级;考虑到塔冠所在位置较高，将抗震等级提高为三级。杆件容许长细比、圆管外径与壁厚比限值等构造要求如表7所示。

表7 杆件构造要求

塔冠钢结构部分抗震性能要求:小震满足规范各项要求;中震弹性;大震允许进入屈服，钢材应力可超过屈服强度，但不能超过极限强度。

6 塔楼整体动力特性分析

塔楼整体弹性时程分析如下:

根据《高规》5.1.13要求，本工程为B级高度建筑，应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算;按照《地震安全性评价报告》，多遇地震弹性时程分析时，选取卓越周期约为0.40 s的3条地震波进行计算:人工波ArtWave-RH4TG040，天然波Nenana Mountain，Alaska-NO-2089，天然波 Imperial Valley-06-NO-172。由于结构基本周期较长，天然波在长周期段反应谱值衰减较快，因此对各条波的峰值放大至26 cm/s2。

6.1 频谱分析

对比分析表明，在结构基本振型的周期点上，时程波(3组平均)与规范谱的地震影响系数相差小于20%，满足规范“统计意义上相符”的要求;同时，在其他低阶的周期点上，地震波与规范谱的地震影响系数也较为一致，说明采用对地震波峰值放大的方法合理、有效(见图5)。

图5 规范谱与反应谱对比图

6.2 底部剪力对比

时程分析法与规范反应谱法结构底部剪力对比表明:每条地震波的计算值大于反应谱法的65%且小于反应谱法的135%，3条地震波的平均值大于反应谱法的80%且小于反应谱法的120%，满足规范“安全性和经济性”的要求(见表8)。

表8 底部剪力对比表kN

上述分析表明，所选取的这组地震波满足规范的要求，设计时地震作用效应取时程法计算结果的包络值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

6.3 地震响应分析

时程分析法结构楼层位移、层间位移角与规范反应谱法的结果进行对比分析见表9。

表9 最大层间位移角对比

三条时程曲线计算所得的层间位移角与反应谱法结果差距不大，均满足规范要求，两个方向的最大楼层位移曲线、最大层间位移角曲线的分析结果与规范反应谱法计算结果趋势基本一致，没有出现异常情况;薄弱层(首层)参数满足规范要求。

三条时程曲线与CQC法各层剪力对比发现:19层以下CQC法楼层剪力较大，19层以上时程分析法楼层剪力包络值较大。

7 结语

从以上的分析可以看到，对于有比例较大的钢结构塔冠的超高层建筑，是否将钢结构塔冠建入整体模型中，对其动力特性有明显的改变，尤其是对于阻尼比、周期等重要参数。一般来说阻尼比会较原混凝土塔楼的要小，而周期也变大，结构刚度减弱。从设计角度来说，对于控制结构的整体指标还是建议整体建模后看其整体的地震响应;而对于塔冠结构的内力分析，则需要分为单独模型和整体模型两者分别计算，并取大值包络，这样才是安全的。

[1] 建质[2010]109号，超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[Z].住房和城乡建设部，2010.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].