长沙国金中心T1塔楼总体结构设计

黄 良

（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002）

长沙国金中心T1塔楼总体结构设计

（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002）

摘 要长沙国金中心T1塔楼建筑高度452 m，结构高度440．45 m，地上共92层；塔楼还存在斜柱转换、高位梁托柱转换等超限问题。论述了塔楼采用的结构体系及针对超限的相关结构对策；介绍了风荷载及地震作用的取值方法；阐述了塔楼基础的选型问题；归纳了塔楼弹性分析的主要结构指标，计算结果能够满足规范和超限审查专家的要求。考虑非荷载效应的塔楼施工模拟分析表明，巨柱与核心筒、巨柱与角柱等之间的竖向变形差对伸臂桁架及环带桁架的影响很小。塔楼核心筒剪力墙在中震下总体处于受压状态。弹塑性时程分析显示，罕遇地震下塔楼的位移满足规范要求，结构总体处于弹性状态，证明了结构的安全性。

关键词超高层结构，基础选型，总体指标，非荷载效应，弹塑性分析

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 工程概况

长沙市国际金融中心项目地处长沙市中心区域，项目所在地块位于解放路的北侧，黄兴路和蔡锷中路之间，由塔楼T1、T2及裙房和地库组成，总建筑面积超高100万m2。

其中，塔楼T1地上结构楼层92层，建筑总高度452 m，结构大屋面高度440．45 m，计容建筑面积约28．38万m2，塔楼地下室为五层。项目的建筑效果图如图1所示。

2 塔楼结构体系

2．1 塔楼抗侧力体系

图1　长沙国金项目效果图Fig．1 Design sketch of Changsha IFC project

T1塔楼抗侧力体系为巨柱框架－核心筒－伸臂桁架－环带桁架体系。其中，核心筒为主要抗侧力体系；巨柱框架、环带和伸臂桁架为次级抗侧力体系［1］。框架柱采用型钢混凝土柱。伸臂桁架将巨柱框架与核心筒相连，增强了框柱对结构整体抗侧的贡献［2］。塔楼抗侧力体系示意图如图2所示。

塔楼共设置五道环带桁架和两道伸臂桁架。塔楼典型加强层环带及伸臂桁架示意图如图3所示。

图2　塔楼抗侧力体系示意图Fig．2 Lateral resisting system of the tower

图3　塔楼典型加强层环带及伸臂桁架示意图Fig．3 Typical belt truss and outrigger of the tower

2．2 塔楼重力体系

塔楼核心筒采用混凝土现浇梁板结构体系；核心筒与外框架之间的重力结构体系采用钢梁和组合楼板，典型办公与酒店楼层的板厚为120 mm。

塔楼低区和高区的典型平面如图4所示。

图4　塔楼低区和高区的典型平面Fig．4 Typical low and high zone plane of the tower

3 塔楼基础选型

T1塔楼结构大屋面440．45 m，基础埋深37．8 m，基础底板已进入中风化岩层；埋深为1／11．6，满足基础埋深1／15要求［4］。经过多种基础方案的比选研究，并经专家论证后，最终确定基础形式为筏基，底板厚度为5 m，如图5所示。尽管大震下柱与核心筒均未出现拉力，但考虑地震作用的不确定性，在塔楼底板内部周边布置了抗拔锚杆。

图5　塔楼筏板基础示意图Fig．5 Raft foundation schematic diagram of the tower

4 塔楼超限情况及性能目标

T1塔楼的主要超限情况包括高度超限，楼板不连续，构件间断，承载力突变等。综合考虑抗震设防类别、设防烈度、结构自身特性等因素［3］，T1塔楼抗震性能目标定为C类略高：小震时完好、无损坏；中震时基本完好，轻微损坏；大震下中度损坏。关键构件的性能目标如表1所示。

表1　塔楼关键构件性能目标表Table 1 Performance objective table of the key members

5 塔楼侧向荷载

5．1 风荷载

根据抗震超限审查专家意见：用于结构设计的风荷载依据风洞试验的结果进行取值。

本工程风洞试验现场如图6所示。

图6　长沙国金中心风洞试验现场照片Fig．6 Wind tunnel test of the tower

风洞试验的风荷载与《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）［5］（注：结构设计时新荷载规范尚未正式颁布）的比较结果见图7与表2。风洞试验风荷载为100年重现期，阻尼比2%并考虑了横风向效应的最大等效静力风荷载结果；按规范取值时，基本风压取0．4 kN／m2，体型系数取1．4，未考虑横风向影响［6］。风洞试验与规范均按C类地貌取值。

图7　风洞试验与荷载规范（2001）风荷载比较结果Fig．7 Comparison result between wind tunnel and Chinese load code（2001）

表2　风洞试验与荷载规范基底剪力与倾覆力矩比较Table 2 Base shear and overturning mom ent com parison between w ind tunnel and load code

5．2 地震作用

依据抗震审查专家意见，小震、中震和大震反应谱曲线参数为：取安评报告中小震、中震和大震加速度最大值，地震放大系数取2．25，反应谱参数形状按规范。

可计算得本工程4%阻尼比下，小震地震影响系数最大值αmax，小震＝0．061 8，中震αmax，中震＝0．175，大震αmax，大震＝0．386。

以小震为例，规范小震、安评小震以及抗震审查专家建议曲线的对比结果如图8所示［7］（均已换算成阻尼比为4%的值）。其中反应谱曲线用于下文中位移、剪重比等主要结构指标的统计。

5．3 风洞试验、小震和中震数据比较

图9和图10中的地震动参数均为依据抗震审查专家要求的地震动参数取值。

T1塔楼风洞试验、小震及中震下楼层剪力的比较数据如图9所示。

图8　规范小震、安评小震以及抗震专家建议曲线的对比结果Fig．8 Response spectrum of the tower

图9　塔楼风洞试验、小震及中震下楼层剪力的比较Fig．9 Story shear comparison among different loads

T1塔楼风洞试验、小震及中震下楼层倾覆力矩的比较数据如图10所示。

图10　塔楼风洞试验、小震及中震下楼层倾覆力矩的比较Fig．10 Story overturning moment among different loads

由图9和图10可见，本工程关键构件的控制工况均为中震。

6 塔楼弹性分析结果

6．1 质量与周期

塔楼质量与周期计算结果如表3和表4所示［6］。

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

表4　结构自振周期Table 4　Natural period of the tower

6．2 层间位移角

风洞试验与小震下层间位移角曲线如图11所示，均小于规范限值，表明结构具有较好的刚度。

图11　塔楼地震和风荷载下层间位移角Fig．11 Story drift of the tower

6．3 剪重比

塔楼X、Y方向剪重比计算结果如图12所示，剪重比控制限值λ＝0．737%。其中X方向的最小剪重比为0．776%，Y方向的剪重比为0．728%，不满足规范限值的楼层数，如图13所示。

塔楼的最小剪重比已超过（X方向）或接近（Y方向）剪重比限值的85%，基本满足专家的要求；剪重比不满足的楼层根据剪重比限值进行地震剪力的放大。

图12　塔楼剪重比计算结果Fig．12 Shear weight ratio of the tower

图13　不满足规范限值的楼层数Fig．13 Number of stories code limit exceeding

6．4 外框承担的剪力比

塔楼外框承担的剪力比统计结果如图14所示。在塔楼结构低区，框架在两个方向承担的地震剪力比绝大部分大于5%，基本都在7%～8%之间，结构中高框架在两个方向承担的楼层地震剪力比例已超过10%；基本满足审查专家要求，但考虑到低区框架承担的剪力比相对较低，故设计时提高了核心筒剪力墙的抗震能力，将塔楼低区核心筒承担的地震剪力放大10%。

6．5 外框承担的倾覆力矩比

塔楼外框承担的倾覆力矩比如图15所示。

图14　塔楼框架承担的剪力比Fig．14 Frame shear ratio

图15　塔楼外框承担的倾覆力矩比Fig．15 Frame overturning moment ratio

在规定水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构底层地震倾覆力矩的比值在X、Y方向均接近50%。

6．6 刚重比

塔楼X方向的刚重比为1．88，Y方向的刚重比为1．68，均满足刚重比限值1．4的要求，但需考虑重力二阶效应。

7 考虑非荷载效应的施工模拟分析

施工顺序是基于塔楼施工进度计划及标准的超高层建筑施工顺序假定［8］，具体的施工顺序如图16所示。混凝土收缩、徐变模型采用欧洲混凝土规范的CEB－FIP模型。

图16　塔楼施工顺序假定Fig．16 Construction sequence assumption of the tower

不同时刻巨柱与核心筒压缩变形差如图17所示。

图17　不同时刻巨柱与核心筒压缩变形差Fig．17 Difference of compression displacement between SC and core tube at different stages

考虑施工顺序和长期荷载效应的伸臂桁架设计荷载为：风荷载、安评小震、重力荷载，及结构封顶后巨柱与核心筒间的竖向变形差工况，如表5所示，能够满足设计应力比要求。

表5　考虑竖向变形差异的伸臂桁架应力比Table 5 Outrigger stress ratio considering non-load effect

巨柱与角柱的竖向变形差如图18所示。

由于巨柱和角柱轴压比基本一致、尺寸比较接近，巨柱与角柱的最终压缩变形基本一致，长期压缩变形对环带桁架的影响很小。

8 剪力墙中震受拉验算

图18　巨柱与角柱之间的竖向变形差Fig．18 Difference of compression displacement between SC and corner column

定义了1．0（D＋0．5L）＋1．3EMid荷载组合进行核心筒剪力墙的中震受拉验算，其中，D＋0．5L为重力荷载代表值，EMid为中震作用。

经分析，除局部设备洞口附近外，T1塔楼核心筒在中震下主要剪力墙体均未出现拉应力。图19列出T1塔楼典型楼层在最不利荷载组合下的剪力墙竖向应力分析结果。

图19　剪力墙中震下总体处于受压状态Fig．19 Shear wall in compression under major earthquake

9 动力弹塑性时程分析

在七组VI度（0．05 g）罕遇地震（峰值加速度157 g）记录、三向输入作用的弹塑性时程分析下，楼层的最大层间位移角如表6所示，满足规范要求。

表6　罕遇地震下楼层层间位移角Table 6 Story drift under rare earthquake

核心筒、框架柱、环带桁架、伸臂桁架等关键构件FEMA性能评价如图20所示［9－10］。

图20　塔楼关键构件的FEMA性能评价Fig．20 FEMA performance judgment of tower members

弹塑性时程分析结果表明，结构在罕遇地震下总体处于弹性状态。

（1）墙肢混凝土无明显不利的受压状态，核心筒混凝土受拉开裂程度总体较轻。

（2）外框柱总体处于弹性范围，靠近上部楼层的少量框架柱柱端出现轻微塑性。

（3）环带桁架与伸臂桁架始终处于弹性范围。

（4）核心筒连梁多数保持弹性，部分形成塑性铰。

10 结 论

本工程为建筑高度452 m，结构高度440．45 m的超限高层结构，同时还存在斜柱转换、高位梁托柱转换、平面不规则等超限问题。

（1）通过合理布置结构抗侧力构件，针对不同结构构件设置不同的抗震性能目标及针对关键部位、关键构件进行专项分析等应对超限问题。结构弹性分析的主要指标均能满足规范或者专家的要求。

（2）经过众多方案比选，并经专家论证后，塔楼基础确定使用筏基。

（3）考虑非荷载效应的施工模拟表明，框架柱与核心筒的竖向变形对环带与伸臂桁架的影响较小。

（4）塔楼核心筒剪力墙在中震下总体处于受压状态。

（5）结构的动力弹塑性分析表明，结构大震下位移能满足规范限值的要求；结构在罕遇地震下总体处于弹性状态。

参考文献

［1］ Halis Gunel M，Emre Ilgin H．A proposal for the clas-sification of structural systems of tall buildings［J］．Building and Environment，2007，42（7）：2667-2675．

［2］ 赵彤．高层建筑结构基于性能抗震设计思想的应用［J］．结构工程师，2011，27（2）：15-22．Zhao Tong．Application of performance-based seismic design theory in tall building structural design［J］．Structural Engineers，2011，27（2）：15-22．（in Chi-nese）

［3］ 傅学怡，吴国勤，黄用军，等．平安金融中心结构设计研究综述［J］．建筑结构，2012，42（4）：21-27．Fu Xueyi，Wu Guoqin，Huang Yongjun，et al．Re-search on structural design of Pingan Financial Centre ［J］．Building Structure，2012，42（4）：21-27．（in Chi-nese）

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People′s Republic of China．JGJ 3—2010 Techni-cal specification for concrete structures of tall building ［S］．Beijing：China Architecture and Building Press，2010．（in Chinese）

［5］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50009—2001建筑结构荷载规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．Ministry of Housing and Urban-Rural Development ofthe People′s Repubtic of China．GB 50009—2001 Load coole for the design of building structures［S］．Beijing：China Architecture and Building Press，2010．（in Chinese）

［6］ 季俊．某超高层结构受相邻干扰体影响的数值风洞模拟［J］．计算机辅助工程，2013，22（5）：74-78．Ji Jun．Numerical wind-tunnel simulation research of some super high-rise structure effected by adjacent in-terference tower［J］．Computer Aided Engineering，2013，22（5）：74-78．（in Chinese）

［7］ Malekinejad M，Rahgozar R．A simple analytic method for computing the natural frequencies and mode shapes of tall buildings［J］．Applied Mathematical Modelling，2012，36（8）：3419-3432．

［8］ 刘鑫，刘伟庆，王曙光，等．高层混合结构基于模型分析的施工模拟方法［J］．建筑结构，2012，43（5）：18-22．Liu Xin，Liu Weiqing，Wang Shuguang，et al．Con-struction simulation of high-rise mixed structure based on model analysis［J］．Building Structure，2012，43 （5）：18-22．（in Chinese）

［9］ 陆新征，张万开，卢啸，等．超级巨柱的弹塑性受力特性及其简化模型［J］．沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011，27（3）：409-417．Lu Xinzheng，Zhang Wankai，Lu Xiao，et al．Elastic-plastic mechanical behavior of detailed finite element model and simplified model of mega-columns［J］．Journal of Shenyang Jianzhu University（Natural Sci-ence），2011，27（3）：409-417．（in Chinese）

［10］ 孟春光，陆秀丽，耿耀明，等．某超高层抗震性能化设计及弹塑性时程分析［J］．结构工程师，2012，28 （2）：74-79．Meng Chunguang，Lu Xiuli，Geng Yaoming，et al．Per-formance-based seismic design and dynamic elastic-plastic analysis of a super high-rise building［J］．Structural Engineers，2012，28（2）：74-79．（in Chi-nese）

收稿日期：2014－06－10