银川绿地中心超高层双塔结构设计

范 重，王义华，刘学林，王金金，张 宇，邢 超，胡纯炀，赵延彤

(1 中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044；2 美国H+P建筑结构事务所，芝加哥 60654)

1 工程概况

银川绿地中心超高层项目位于宁夏回族自治区银川市北部，阅海湾中央商务区的中心区。地上由南、北两座塔楼及南、北两座裙房组成。南、北塔楼建筑高度均为301m；南、北裙房建筑高度均为23.90m。两塔楼地下3层(地下1层带有局部夹层)。项目总建筑面积35.038万m2，其中地下建筑面积82 425m2，地上建筑面积267 594m2。建筑效果及平面布置如图1所示。

图1 银川绿地中心建筑效果图及平面布置

南塔楼地上66层(含夹层)，地上51层及以下主要用于办公，标准层层高4.2m。顶部部分楼层为行政公寓及餐厅，地上建筑面积122 797m2。

北塔楼地上66层(含夹层)，地上51层及以下主要用于办公，标准层层高4.2m。52层及以上部分为酒店客房、健身、休闲会议、空中酒吧和设备机房，地上建筑面积122 643m2。

根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[1](简称抗震规范)，拟建场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组属第二组，场地类别为Ⅲ类。

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[2](简称荷载规范)，银川市不同重现期的基本风压w0与验算类别如表1所示，地面粗糙度类别为B类。银川市的基本风压已经超过我国部分沿海城市。50年重现期的基本雪压S0=0.20kN/m2，雪荷载准永久值系数分区为Ⅱ区。

银川市基本风压与验算类别 表1

地下室外墙、顶板等室外构件，处于露天环境的雨棚和屋顶女儿墙等构件，环境类别为二b类。

2 结构体系

2.1 结构布置

银川绿地中心南、北塔楼平面均略呈平行四边形，均采用框架-混凝土核心筒结构，其X向与Y向的边长均为43m，外框柱基本柱距为9m，对平面角部的两个锐角进行圆化处理，最大高宽比为301/43.75=6.88；核心筒平面长24.5m，宽20.95mm，高宽比为281.8/20.95=13.45。南、北塔楼结构标准层平面布置见图2。

图2 南、北塔楼结构标准层平面布置

银川市为高烈度区，塔楼高度超过《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[3](简称高规)B级高度150m限值较多。结合建筑避难层和设备层的布置情况，南塔楼分别在33层、33夹层和51层、51夹层核心筒外墙角部设置伸臂桁架，与环桁架构成结构加强层。北塔楼分别在27层、27夹层和51层、51夹层核心筒外墙角部设置伸臂桁架，与环桁架构成结构加强层，提高结构的侧向刚度与抗扭能力，减小核心筒墙体在中震作用下的拉应力。塔楼结构体系如图3所示。

图3 塔楼结构体系

塔楼标高250m以上为塔冠，核心筒剪力墙上延至弧形屋顶，在提供侧向刚度的同时，便于布置插窗机。塔冠周边采用钢结构，框架柱为箱形钢管柱，截面为□700×700×25×25，H型钢梁间距为4m，角部圆弧采用圆钢管，材质均为Q345C，通过欧拉公式确定构件的计算长度系数。顶部塔冠几何模型如图4所示。

图4 顶部塔冠几何模型

由于北塔楼的结构布置与南塔楼大体相同，结构抗震性能与计算结果非常接近。简明起见，以下仅给出南塔楼的相关内容。

2.2 框架梁、楼面梁和楼板

外框梁采用实腹H型钢，1～2层主要截面为H1 100×400×28×40，2层以上楼层主要截面为H850×350×20×35。楼面梁主要采用HN500×200×10×16和HN496×199×9×14，满足承载力、挠度与舒适性要求。在H型钢梁上翼缘设置圆头焊钉，与钢筋桁架楼承板的现浇混凝土楼板形成组合结构。

塔楼核心筒外采用钢筋桁架楼承板+现浇混凝土板，普通楼层楼板厚度120mm，伸臂桁架上、下弦楼层楼板厚度180mm。钢筋桁架楼承板作为楼板施工阶段的模板，镀锌钢板厚0.5mm。核心筒内采用现浇混凝土梁板，楼板厚度130mm。首层楼板厚度200mm，覆土地下室顶板厚度250mm。

2.3 框架柱与核心筒剪力墙

由于塔楼高度大，且风荷载、地震作用均很大，框架柱采用型钢混凝土柱，下部型钢的含钢率约为7%，上部的含钢率约为4%，可以减小构件截面尺寸，提高承载力与抗震性能。框架柱混凝土强度等级为C60～C50。型钢混凝土柱的抗震等级为一级，轴压比不超过0.7；当剪跨比不大于2时，轴压比不超过0.65。外框柱截面规格见表2。

外框柱截面规格 表2

核心筒外墙底部最大厚度1 300mm，逐渐减薄至顶层400mm，内墙厚度从底部600mm逐渐减薄至顶层300mm，剪力墙连梁高度主要为800mm。地下1层到地上8层的高度范围内，在核心筒外墙中设置型钢与钢板，提高墙肢拉剪承载力。在伸臂桁架/环带桁架加强层及上、下一层，在剪力墙内布置型钢，改善构件抗震性能的同时，有利于与其他钢构件连接。本工程核心筒墙体为特一级，根据超限审查意见，控制剪力墙轴压比不超过0.45。核心筒墙体截面规格见表3。

核心筒墙体截面规格 表3

2.4 伸臂桁架与环带桁架

本工程结合避难层/设备层，在27层、27夹层和51层、51夹层设置伸臂桁架和环带桁架，与型钢混凝土柱、核心筒形成多重抗侧力体系，增强结构的整体性，发挥外框架柱抗倾覆的作用，从而显著提高了结构的侧向刚度。加强层高度均为8.4m。伸臂桁架弦杆与腹杆均采用箱形构件，环带桁架弦杆采用H型钢构件，腹杆采用箱形构件，构件截面规格见表4，材质均为Q420GJC。

伸臂桁架与环桁架截面 表4

在水平力作用下，伸臂桁架根部受力集中。两个方向的伸臂桁架均需延伸至核心筒墙体内部，故此多个构件交汇于外墙的角部。由于桁架板件厚度较大，而上部墙体厚度相对较薄，节点加工制作难度很大，通常需要采用铸钢件。

本工程进行节点设计时，伸臂桁架箱形构件在端部仅保留腹板，逐渐收窄构件宽度，适当加大腹板厚度、在双腹板之间设置连接板，方便桁架插入核心筒外墙和浇筑混凝土。此外，还通过采用钢板二次微弯制作工艺，将与墙体夹角较大的桁架杆件贯通，另一方向桁架杆件焊接在贯通构件之上。采用焊接工艺代替铸钢件后，可以显著节约造价，缩短工期。伸臂桁架与核心筒的连接构造如图5所示。

图5 伸臂桁架与核心筒的连接构造

2.5 基础

本工程地下室埋深约15.7m。塔楼主要结构构件尽量采用高强、高性能材料，减轻结构自重，减小水平地震作用与地基压力。

塔楼采用桩-筏基础，综合考虑核心筒剪切、冲切、受弯钢筋配筋率以及差异沉降控制等因素，塔楼底板厚4.0m，混凝土强度等级为C40。钻孔灌注桩桩径为1 000mm，采用后注浆工艺，混凝土强度等级为C45。桩端持力层为层细砂层或层粉质黏土[4]，桩长45m，单桩竖向抗压承载力特征值12 500kN。结构封顶时，核心筒实测最大沉降量为65mm，塔楼中点与边框柱的沉降差小于筏板宽度的1/2 000。塔楼基础平面布置如图6所示。

图6 塔楼基础平面布置图

3 结构设计参数与抗震性能目标

3.1 结构设计参数

银川为高烈度区，且风荷载较大，精准确定与结构侧向刚度相关的计算参数非常关键。结构设计采用的主要参数见表5。连梁较早发生损伤，进行塑性耗能，刚度显著退化，通过小震与中震作用下的时程分析，可以确定连梁的刚度折减系数与等效附加阻尼比[5]。与H型钢梁相比，H型钢梁-现浇混凝土板组合梁在跨中抗弯刚度可增大2～3倍以上，但组合梁在框架柱附近的负弯矩区，受混凝土开裂影响，抗弯刚度仅能增大10%左右，因此需要根据组合梁正、负弯矩区的长度综合确定中梁刚度放大系数[6]。

塔楼主要结构构件的抗震等级：核心筒地上各楼层、地下1层和地下1层夹层均为特一级，地下2层为一级，地下3层为二级；外框架地下1层、地下1层夹层、底部加强区、加强层及其相邻层均为特一级，其余地上楼层为一级，地下2层为一级，地下3层为二级；框架梁地下1层、地下1夹层、地上各楼层均为一级，地下2层及以下为二级。

结构设计主要参数 表5

3.2 抗震性能目标

根据塔楼结构构件在地震作用下的受力特点与重要性，采用的抗震性能目标如表6所示。

4 主要计算结果

4.1 计算软件与计算假定

采用YJK软件进行塔楼小震与中震下的计算分析，采用ETABS软件进行校核计算与弹性时程分析，采用SAP2000软件进行塔冠结构专项分析，采用PERFORM-3D软件进行罕遇地震下弹塑性时程分析。塔楼竖向构件连续，主要楼层楼板完整。在进行整体结构分析时，除加强层顶、底楼板外，均采用刚性楼板假定；在进行构件内力计算时，采用弹性楼板假定。

塔楼结构构件的抗震性能目标 表6

塔楼X向刚重比为2.483，Y向刚重比为2.324，均大于1.4，满足整体稳定性要求；但刚重比小于2.7，需要考虑重力二阶效应的影响。

塔楼X向地下1层与首层的剪切刚度为4.436，Y向地下1层与首层的剪切刚度比为5.578，地下室顶板满足对上部结构的嵌固要求。因此，在进行弹塑性时程分析时，仅考虑首层及以上楼层的计算模型，采用瑞利-里兹阻尼，阻尼比为0.04。

4.2 结构动力特性

计算时取用前30阶振型。YJK软件得到的前3阶振型模态和前12阶振型相应的周期如图7和表7所示。扭转周期与平动周期比Tt/T1=0.581<0.85，满足抗震规范要求。X向与Y向的振型质量参与系数分别为99.91%及99.90%，满足振型质量参与系数不小于90%的要求。

图7 塔楼的前3阶振型模态

4.3 结构侧向变形

在多遇地震和风荷载作用下，分别计算了X向、Y向、45°和135°方向塔楼的最大层间位移角。塔楼结构在X向地震下的最大层间位移角为1/516，风荷载下的最大层间位移角为1/553；Y向地震下的最大层间位移角为1/508，风荷载下的最大层间位移角为1/503；45°方向地震下的最大层间位移角为1/531，风荷载下的最大层间位移角为1/522(45层)，135°方向地震下的最大层间位移角为1/529，风荷载下的最大层间位移角为1/529，均满足抗震规范不大于1/500的要求。结构X向和Y向的最大层间位移角如图8所示。在多遇地震作用下，连梁的变形角小于主体结构相应楼层的层间位移角[7]。在各方向地震作用下，大部分楼层外框架分担的剪力大于8%。

结构自振周期与振型 表7

图8 结构最大层间位移角

根据抗震规范，选取3组地面强震加速度记录作为非线性动力时程分析的地震输入，其中2组为与设计目标反应谱相符的真实强震地面加速度记录(天然波1、天然波2)，1组为与设计目标反应谱相符的人工模拟地面加速度时程(人工波1)，峰值加速度均为400gal。

根据抗震规范相关要求，进行计算分析时，每一组地震记录分别进行双向输入，X，Y两个方向峰值加速度的比值为1.0∶0.85。地震波主方向相应的最大层间位移角如图9所示。由图可知，各地震工况作用下各楼层最大层间位移角均未超过抗震规范限值1/100，结构在大震作用下的弹塑性变形可以满足抗震规范要求。在罕遇地震作用下，底部和加强层墙肢塑性发展程度不高，底部和加强层少数柱进入塑性，但小于LS水准；少量框架梁屈服，但小于LS限值，伸臂桁架基本处于弹性状态。下部连梁的最大变形角显著大于整体结构的最大层间位移角，连梁塑性发展充分，说明其损伤较为严重[7]。

图9 地震波主方向相应的最大层间位移角

4.4 中震下墙肢拉应力

计算墙肢拉应力时考虑型钢和钢板的作用，按弹性模量折算得到墙肢的名义拉应力：

(1)

式中：σ为墙体的拉应力；N为中震(不屈服)作用下墙肢的拉力值；As和ρ为分别为构件钢板、型钢面积和含钢率；bw与h分别为墙肢的厚度与长度；Es和Ec分别为钢材和混凝土的弹性模量。

塔楼核心筒外墙编号如图10所示。在设防烈度双向地震作用下，核心筒外墙墙肢的名义拉应力如图11所示。由图可知，首层核心筒角部墙肢名义拉应力的最大值为9.67MPa，中部墙肢名义拉应力的最大值为9.47MPa。随着楼层位置增高，名义拉应力迅速减小，8层及以上楼层名义拉应力的最大值小于2ftk。

图10 核心筒外墙编号

图11 核心筒外墙在中震作用下墙肢的名义拉应力

4.5 风洞试验与舒适度验算

为了确定结构设计风荷载与顶部楼层的风致加速度，在RWDI公司位于加拿大安大略省的2.4m×2.0m边界层风洞中进行了风洞试验，缩尺模型比例为1∶500[8]。测试范围包括塔楼周围580m半径范围内地貌与建筑物，风洞试验模型如图12所示。

图12 风洞试验模型

根据荷载规范附录J，计算得到塔楼顺风向顶点最大加速度为0.073m/s2，横风向顶点最大加速度为0.176m/s2，满足我国高规办公楼加速度不大于0.25m/s2的舒适性要求。根据RWDI的分析结果，南塔楼56层10年重现期的加速度为0.19m/s2，满足ISO 10137∶2007[9]对住宅和办公建筑风振加速度的要求。

5 钢板组合剪力墙

5.1 钢板组合剪力墙构造

塔楼结构高宽比较大，在设防烈度地震作用下，核心筒下部墙肢出现较大的拉应力。在下部8层高度范围内设置钢板组合剪力墙，以提高钢筋混凝土墙体的抗拉与抗剪承载力，且可有效提高结构的延性，减小墙体厚度。

与仅在墙体中设置型钢相比，钢板组合剪力墙中板厚较小，较小板厚钢材的强度较高，可以减小用钢量。但对于厚度较大的组合剪力墙，钢筋与钢板连接构造复杂，穿孔削弱钢板截面，施工难度较大。此外，钢板与两侧混凝土的整体共同工作性能也应受到高度重视[10]。

在银川绿地中心钢板组合剪力墙设计时，钢板与型钢间隔布置，以提高施工阶段钢板的面外稳定性，减小钢板厚度，提高钢材的利用率。利用较长的锚筋代替部分普通栓钉，通过钢筋连接器与钢板连接，在锚筋端部设置螺母提高锚固能力。长栓钉的拉结作用可以显著增强钢板与两侧混凝土的整体性；长栓钉代替贯穿钢板的拉筋，可以减小钢筋孔对钢板截面的削弱，提高钢材的利用率，同时避免拉结钢筋施工困难的问题，施工难度较小，易于保证质量。钢板组合剪力墙的构造如图13所示。

图13 钢板组合剪力墙的构造

5.2 钢板组合剪力墙拉弯承载力计算方法

根据我国现行《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质〔2015〕67号)[11]，中震时出现小偏心受拉的混凝土构件应采用高规中特一级构造，中震时双向水平地震下，墙肢全截面由轴向拉力产生的平均名义拉应力超过混凝土抗拉强度标准值时宜设置型钢承担拉力，且平均名义拉应力不宜超过两倍混凝土抗拉强度标准值。此时可按弹性模量换算考虑型钢和钢板的作用。当全截面型钢和钢板的含钢率超过2.5%时，平均名义拉应力可按比例适当放松。

在中震作用下，可按照小偏拉组合构件进行墙肢承载力计算[12]。为了表征钢板混凝土剪力墙承受轴向拉力的特性，参照受压混凝土构件抗震设计方法，忽略混凝土对抵抗轴向拉力的贡献，将剪力墙在中震作用时承受的拉力与钢材抗拉承载力之比作为构件的轴拉比nt：

(2)

式中：fp为钢板强度设计值；Ap为钢板的截面面积。

在清华大学教育部重点实验室进行7个钢板组合墙缩尺模型的拉弯试验[13-14]。试验结果表明，当轴拉比不大于0.6时，钢板组合剪力墙具有良好的抗震性能。因此，在本工程进行中震作用下墙体小偏拉设计时，钢板组合墙按照轴拉比不大于0.6控制。

配置长短栓钉钢板组合剪力墙现场施工情况如图14所示。由于充分发挥了组合构件拉弯承载力高的优势，取得了良好的技术经济效果。

图14 配置长短栓钉的钢板组合剪力墙施工情况

6 多连梁

6.1 多连梁的构造形式

在超高层结构中，连梁的截面尺寸对结构侧向刚度影响很大。增大连梁的高度，连梁承受的剪力随之增大，无法满足剪压比要求，构件变形能力与耗能均变差，难以实现“强剪弱弯”的变形机制。减小连梁高度将导致结构侧向刚度不足[15-16]。

在核心筒建筑门洞的位置，可以利用门洞上方的高度设置双连梁，连梁之间的空隙可供设备管线通过。此外，为了避免结构中的墙肢过长，通常在长剪力墙的中部设置结构洞口。沿楼层高度均匀布置多个连梁取代传统的单连梁，令多个连梁的抗弯刚度之和与单连梁的抗弯刚度相等，剪力墙结构的侧向刚度保持不变。多连梁中各连梁的截面高度小于单连梁，但其面积之和显著大于单连梁，使得连梁的抗剪能力大大提高。随着连梁截面高度减小，连梁的跨高比随之增大，可以显著改善连梁的变形能力与耗能能力，减小结构在罕遇地震作用下的层间位移角[17]。多连梁的构造形式如图15所示。

图15 多连梁的构造形式

6.2 多连梁设计方法

在进行剪力墙多连梁设计时，令多个连梁的抗弯刚度与普通单连梁的抗弯刚度相等。

EcI1=i·EcIi

(3)

式中I1与Ii分别为普通连梁(单连梁)和多连梁的截面惯性矩，i=2，3，…。

连梁的跨高比通常较小，在确定梁端部弯矩M与转角θ的关系时，需要考虑剪切变形的影响。根据连梁端部的弯矩，可以得到连梁的剪力。当多个连梁的抗弯刚度之和与普通连梁相等时，在水平荷载作用下塔楼墙肢的转角沿高度基本保持不变，通过假定多个连梁梁端弯矩之和与普通连梁梁端弯矩相等，可得多连梁中各连梁截面高度与普通梁高度的关系如下：

(4)

式中βi为剪切变形影响系数，βi=3.0(hi/ln)2(i=1，2，3，…)，其中hi和ln分别为连梁的高度与跨度。

多连梁技术在银川绿地中心塔楼设计中得到应用，对于采用单连梁无法满足剪压比要求、损伤程度较大的部位，采用多连梁代替单连梁，取得了良好的效果。多连梁施工现场的情况如图16所示。

图16 多连梁的应用情况

7 项目建设情况

本项目建设单位是绿地控股集团有限公司。建筑概念方案由约翰·波特曼建筑设计事务所完成。北塔结构初步设计由美国H+P结构事务所完成，南塔初步设计由中国建筑设计研究院承担，正式抗震超限审查报告和施工图设计均由中国建筑设计研究院完成。项目总承包单位为中铁城建集团有限公司，中冶建工集团有限公司和中国建筑第二工程局有限公司分别负责南、北塔的钢结构深化，塔楼施工现场照片见图17。项目于2016年7月完成超限审查，2017年全面开工建设，2019年5月结构封顶。

图17 塔楼施工现场

8 结论

通过银川绿地中心超高层双塔结构设计，可以得到如下结论：

(1)301m双塔地处高烈度区，风荷载较大，采用框架-核心筒+2道伸臂桁架/环带桁架结构体系，准确取用结构计算参数，并采取了多种抗震加强措施，在多遇地震与罕遇地震作用下，塔楼可以达到预期的抗震性能目标。

(2)通过厚板多次微弯制作工艺，并采用焊接工艺实现了伸臂桁架与核心筒角部复杂节点的加工制作，避免了采用大型铸钢节点。

(3)塔楼底部楼层采用钢板组合剪力墙，通过配置长短栓钉，避免钢筋孔造成钢板削弱，提高了厚剪力墙的整体性。

(4)在中震作用下，钢板组合剪力墙按照小偏拉构件进行承载力计算，轴压比不大于0.6，有效减少了钢材用量。

(5)建筑门洞与结构洞口受力集中的部位，通过采用多连梁技术，有效解决了连梁在地震作用下剪压比难以满足要求的问题。