超高层建筑群塔楼结构设计研究

何世铁

（一方设计集团有限公司，广东 阳江 529500）

1 项目概况

本塔楼的平面呈正方形，地上部分高度约为195.2m，地上38 层，地下5 层，主屋面高度为164.8m。塔楼立面分成五个相对扭转的模块单元，下部六层为一模块单元、其他模块以八层为一单元，模块单元之间的扭转角度为6°。地面第一个单元左下角设置四层高的边庭，其余单元从右下角开始按逆时针依次设置六层高的边庭，造成边庭角部立柱不连续。边庭外墙采用双层单索幕墙。

2 荷载条件

（1）建筑物抗震设防类别乙类，抗震设防烈度为Ⅶ度；设计基本地震加速度为0.15g；场地类别为Ⅲ类，地震分组为第一组。

（2）基本风压值W0=0.60kN/m2（100 年一遇），用于主体结构设计；W0=0.55kN/m2（50 年一遇），用于幕墙结构设计。地面粗糙度为B 类。主体结构的体型系数取1.4；屋顶塔架部分体型系数取0.2。

（无核心筒部分）和0.92（有核心筒部分）。

（3）基本雪压值S0=0.35kN/m2（50 年一遇）。

（4）活荷载如下：商店为5.0kN/m2；停车库为4.0kN/m2；塔楼办公区域为5.0kN/m2（按《建筑物及其他结构的最小设计荷载》中国际甲类写字楼荷载标准取值，含隔墙、吊顶等荷载）。

3 结构体系

2 号塔楼采用双重抗水平力结构体系，即核心筒（一重）和周边外框架（二重）组成。核心筒与外框架柱之间通过楼层的主梁和位于设备层（避难层）的加强桁架联系在一起，并因此提高抗水平力（风作用及地震作用）的能力。外框架柱为矩形钢管混凝土框架柱，框架梁为工字钢梁。

4 楼面结构体系

（1）钢筋混凝土核心筒内的楼面结构为现浇钢筋混凝土梁板。

钢筋混凝土核心筒与外围柱之间由工字钢梁连接，楼面结构考虑采用钢筋桁架模板系统。

主要构件截面和材料的选用：①楼层及墙、柱、加强桁架信息如表1 所示。②楼层钢梁、支撑结构、加强桁架结构构件如表2 所示。

（2）工字钢梁、支撑斜杆、加强桁架、支撑柱材质为Q345B，箱形截面混凝土柱的混凝土强度等级为C40～C30。

5 反应谱法主要计算结果（程序SETWE）

动力反应谱分析运用《建筑抗震设计规范》的方法进行。分析包括了足够的振型，使建筑物质量参与度超过90%，每一振型的峰值反应均采用CQC 法组合。分析了多方向的水平地震效应[1]。

（1）周期、地震力与振型输出文件。

计算得到前6 阶模态的振动周期结果。

第3 振型对应的周期T3=2.434 为扭转为主的第一自振周期，第1 振型对应的周期T1=3.8433 为平动为主的第一周期，二者之比T3/T1=2.285/6.457=0.633<0.9，说明该建筑不属于扭转不规则的建筑。

（2）反应谱法计算得到的结构最大响应位移结果如表3 所示。

表3 反应谱法结构最大响应计算结果

由表3 可看出，层间位移角均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》中关于层间位移角不宜超过1/755 的要求[2]。

主体结构最大位移146.58mm，建筑物高度164.8m，二者比值为1/1124，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》的要求[3]。

地下5～地下2 层地震作用下的剪重比均在正常范围内，满足《建筑抗震设计规范》5.2.5 条规定的最小地震作用2.26%的要求；地下5～地下2 层地震剪力不满足《建筑抗震设计规范》5.2.5 条要求，需要调整。

（3）结构抗震性能的综合评价。

本工程属于平面及立面不规则的超限高层建筑。由于在结构设计时采取了较为合理的结构布置，并对结构的薄弱处采取了有效的构造措施，从而减小了体型不规则带来的不利影响，使得结构仍具有良好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。

从结构的三维整体分析结果来看，结构沿高度方向的刚度基本是均匀变化，无明显突变[4-5]。

6 结构体系中采用两种不同材质构件的经济性比较

为实现结构使用材料的最合理性，2 号塔楼采用两个方案计算比较，即矩形钢管混凝土框架柱-钢筋混凝土简体结构体系、劲性钢骨混凝土柱-钢筋混凝土筒体结构体系。两个方案的平、立面结构布置相同。以下从造价、建筑构件尺寸、单方基础主结构自重、施工工期及施工对周围环境影响等综合因素作全面、系统地分析不同材料对项目经济效益的优劣。初步分析结果如下。

6.1 工程量分析

（1）矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构体系计算所得工程量如表4 所示。

表4 矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构体系计算所得工程量

（2）钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构体系计算所得工程量如表5 所示。

表5 钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构体系计算所得工程量

6.2 结构造价分析

各结构材料费如表6 所示。

表6 各结构材料费

由表6 可知，从材料总体造价比较，采用矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构比采用钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构要高3211.84 万元。

7 结构工期

矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构因框架柱、梁为工厂加工、现场吊装，其在工期、对周围环境影响这方面的优势明显，而钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构的造价低但工期长30%，时间成本相对要高，工期效益就显得较低。施工工期对整体成本的影响主要体现在“时间即是成本”的关系上。施工工期的缩短，可使建筑物提早投入使用，缩短贷款建设的还贷时间，并且能提早出租增加租金收益，另外，矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构建筑品质及精确度也较高。

8 结语

因此，业主对2 号塔楼结构材料方案进行评估时，可综合上述比较，从总体经济效益上考虑两个方案的优劣。钢结构成本较混凝土结构成本高，但是综合构件尺寸、基础造价、施工周期，钢结构方案占有一定优势。