1、1 工程概况1.1 建筑概况本工程位于广卅市珠江新城中央商务区的新城市中轴线东侧 ，地块东 、北两侧分别临冼村路和花城大道 ，西 、南两侧毗邻规划中的东塔及 J2-5 地块商务办公楼 。 地上裙房 4 层 ，塔楼 67 层 ，地下 5 层 （底板标高 -20.15m），建筑总高度 306.7m（幕墙顶高度318.85m）。从首层而上 ，建筑的功能分别为高端临街商铺及入口大堂 、餐饮设施 、办公楼 。 塔楼的平面近似正方形 ，与地块呈 45角布置 。 建筑立面效果及计算三维简图如图 12 所示 。1.2 设计参数本工程建筑面积超过 8 万 m2，经常使用人数超过 8000 人 ， 根据 建筑工程
2、抗震设防分类标准 6.0.11 条 ，塔楼抗震设防类别为重点设防类 ，属乙类建筑 ；工程设计基准期为 50 年 ，结构安全等级为二级 ，抗震设防烈度为 7 度 ，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组 ，场地类别为 类 ，场地特征周期 0.35s。 结构承载力计算时基本风压按1.1 倍 50 年重现期采用 ，取值为 0.55kN m2；结构水平位移计算时基本风压按 50 年重现期采用 ，取值为0.50kN m2，地面粗糙类别为 C 类 。 设计风荷载取值采用风洞实验与规范风荷载两者较大值 。 由于塔楼总高度为 318.85m，为超高的长周期结构 ，风荷载及响应对塔楼结构体系起控制作
3、用 。某超高层框架-核心筒混合结构的结构设计介绍李东存（广州容柏生建筑结构设计事务所 广州510170）摘 要 ：某建筑总高度为306.7m，共 67 层，结构采用带伸臂桁架和腰桁架加强层的钢管混凝土柱型钢梁框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系，属于高度超限建筑，同时存在核心筒采用斜墙实现筒体收进等不规则项。 采用基于性能的抗震设计方法，分析结果表明该结构体系各项相关参数满足规范要求，结构整体及各构件均可达到预期的抗震性能目标。关键词 ：混合结构体系； 斜墙； 加强层； 基于性能的抗震设计A H i g h - L e v e l F r a m e w o r k - C o r e T u
4、b e M i x e d S t r u c t u r e D e s i g nLi Dongcun（RBS Architectural Engineering Design Associates Guangzhou 510170 ，China ）A b s t r a c t ：A total building height of 306.7m with total 67 layers and its main structure with outrigger trusses and waist truss strength-ening layer steel pipe concret
5、e pillar steel beam - reinforced concrete core wall hybrid structure system are highly overrun building. In themeanwhile ，the structure exists a irregular items about the core barrel incorporated into the sloping wall to achieve cylinder. Performance-basedseismic design method was used in this tower
6、. The research shows that relevant parameters can meet regulatory requirements ， and the seis-mic performance of whole structure and each structural member can reach the expected objective.K e y w o r d s ：mixed structural system ； sloping wall ； strengthening layer ； performance-based seismic desig
7、n图 1 立面效果图 图 2 三维模型简图广 东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2012年 12 月第 12 期DEC 2012No123图 8 53 层伸臂桁架布置图水平上弦杆80010005050水平下弦杆8006005050斜腹杆80010005050图 7 37 层伸臂桁架布置图水平上弦杆80010005050水平下弦杆8006005050斜腹杆80010005050图 3 4043 层核心筒斜墙过渡段示意图20801305043F40F核心筒斜墙边800 800 800800 800 800 800800800250 2502
8、50250800800800400400图 6 37 层腰桁架布置图斜腹杆6006003535水平弦杆6008005050李东存 ： 某超高层框架 -核心筒混合结构的结构设计介绍2 结构体系2.1 体系概述本工程结构平面的长宽比为 43.6 43.6=1，高宽比为 306.7 43.6=7，核心筒高宽比为 306.7 23.4=13；结合建筑平面功能 、立面造型 、抗震 （风 ）性能要求 、施工周期以及造价合理等因素 ，如本工程采用钢筋混凝土结构 ，则结构自重较大而导致剪重比难以控制 ，且施工周期较长 ，故结构采用带伸臂桁架和腰桁架加强层的钢管混凝土柱型钢梁框架 -钢筋混凝土核心筒混合结构体系
9、 。 其中钢管混凝土柱型钢梁框架部分 ： 第 37 层设置腰桁架与伸臂桁架 ， 第 53层设置伸臂桁架 ； 框架柱第 60 层以下为圆钢管混凝土柱 ，第 60 层及以上层为圆钢管柱 ；框架梁为 H 型钢梁 。 核心筒部分 ：第 10 层及以下为型钢混凝土剪力墙筒体 （角部设置型钢 ），其余楼层为钢筋混凝土剪力墙筒体 ， 该筒体在 4043 层有一侧逐步缩进2.08m（详图 3）。 框架和筒体抗震等级为特一级 。2.2 体系分述结构体系分别由外框架 +伸臂桁架 +腰桁架与核心筒 +连梁组成 ， 共同构成多道设防结构体系 ， 提供结构必要的重力荷载承载能力和抗侧刚度（如图 45）。 施工阶段不考虑
10、伸臂桁架的作用 ， 伸臂桁架采用后封闭施工 。 外框柱配合建筑造型的需要 ， 沿建筑周边共布置 20 根框架柱 ，第 60 层以下为圆钢管混凝土柱 ，截面 f 1700f 1100，第 60 层及以上层为圆钢管柱 ，截面 f 1100（详图 4）。 为了保证框架柱能满足相应的抗震性能 ，底部框架柱需采用高标号混凝土 ，框架柱的混凝土强度等级沿楼层具体为 ：负 5 层 22 层为C80，2338 层为 C70，3954 层为 C60。 腰桁架根据腰桁架对结构刚度贡献的 敏 感 性 分 析 ，于 37 层设置腰桁架作为结构体系中 的 环 向 构 件 。一方面协调外框各竖向构件的变形 ， 减少外框柱
11、之间的竖向变形差异 ，使得外框柱竖向受力均匀 ；另一方面作为与外框柱共同作用的巨型梁 ， 形成整体性较好的外框架 ，提高外框架抵抗水平荷载的能力 （详图 6）。 伸臂桁架根据伸臂桁架对结构刚度贡献的敏感性分析 ，以满足整体结构刚度需要为限 ，于 37 层及 53 层设置X、Y 向伸臂桁架 ，采用人字型腹杆布置 ，并在上下弦对应平面沿墙体设置水平钢梁贯通核心筒 ， 对应剪力墙内设置斜撑 ，形成封闭传力体系 （详图 79）。 核心筒剪力墙中部核心筒由承台面一直伸延至顶层 ， 容纳了主要的垂直交通及机电设备管井 。 核心筒采用现浇图 4 外框柱+腰桁架图 5 核心筒 +连梁 +伸臂桁架DEC 201
12、2 No122012 年 12 月 第 12 期4混 凝土剪力墙中型钢截面大样图 10 核心筒平面布置 （墙内型钢分布 ）訵 2239 层 訶 4055 层 訷 56 层以上800 800 800800 800 800 800800800250 250250250800800800400400500 500 500500 500 500 500500500250 2502502505005005004004001100 1100300 30030030011004004001100110011001100 11001100 1100 1100 110074074030303030訳 负 55
13、层 訴 621 层1300 1300350 35035030013004004001300130013001300 13001300 1300 1300 13002002001200 1200300 30030030012004004001200120012001200 12001200 1200 1200 1200图 9 伸臂桁架层结构平面布置图上下弦贯通核心筒对应剪力墙设斜撑钢筋混凝土 ，第 10 层及以下采用型钢混凝土剪力墙（角部设置型钢 ），主要目的是为了增加核心筒的延性和解决局部墙肢的轴压比问题 （如图 10）。 筒体外墙 （三边 ）完整直上 ，其中一边在 4043 层之间采用斜墙变
14、换 （如图 3）。 核心筒混凝土强度等级沿楼层设置为负 511 层为 C70, 1224 层为 C60, 2544层为 C55, 4558 层为 C50，59 层以上层为 C45。 楼盖体系塔楼核心筒内及裙房采用典型钢筋混凝土主次梁楼盖系统 ，塔楼核心筒内板厚 150mm，裙房板厚120mm。 塔楼加强层上层楼板厚 250mm，首层 、加强层楼板厚 200mm， 斜墙底部及顶端楼层楼板厚150mm。 其余层塔楼核心筒外采用桁架式楼承板的钢 -混凝土组合楼盖系统 ，支承钢筋桁架模板的钢梁间距控制在 3m 左右 ， 板厚 120mm。 钢梁通过栓钉（抗剪连接键 ）与现浇楼板组合 ，同时作为桁架式楼
15、承板与钢梁的固定连接键 。 桁架式楼承板的下层钢板仅作为现浇混凝土的永久模板 ，不考虑其承载力 。3 结构超限情况塔楼结构高度 306.7m，超过 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 关于型钢混凝土框架 -钢筋混凝土核心筒适用最大高度 190m 限值 ，属于高度超限的建筑 。 经过计算分析 ，结构同时带有部分楼层楼板不连续和核心筒采用斜墙实现筒体收进等不规则项 。4 抗震性能目标针对本工程结构类型及不规则情况 ， 设计采用结构抗震性能设计方法进行补充分析和论证 。 标志塔楼高度超过规范限值较多 ，且属重点设防类建筑 ，设计根据结构可能出现的薄弱部位及需要加强的关键部位 ， 依据规范针对性
16、地选用 C 级性能目标及相应的抗震性能水准 （部分关键构件予以一定的提高 ）。对应抗震性能设计目标的选择详见表 1。设计采用等效弹性计算方法对关键构件 、 耗能构件 、楼板等进行验算 。 经比较 ，1.1 倍 50 年风荷载工况组合为构件设计控制工况 ， 结构能实现既定的C 级性能目标 。5 结构计算与分析设计采用了 2 个不同力学模型的空间结构分析程序 （SATWE、ETABS）进行多遇地震下抗震抗风的弹性计算和设防烈度地震下的弹性计算 ， 根据结构静力与弹性动力计算结果对数据进行比较分析 ，并使用 ABAQUS 软件进行弹塑性时程分析 ，全面验证结构在大震下的性能 。广东土木与建筑 DEC
17、 2012 No122012 年 12 月 第 12 期5图 11 层间位移角曲线楼层0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.002570605040302010050 年风 X 向50 年风 Y 向小震 X 向小震 Y 向规范限值图 12 小震下楼层地震力调整曲线楼层0 10000 20000 30000706050403020100訳 X 向 訴 Y 向调整前调整后调整后0 10000 20000 30000706050403020100调整前楼层图 14 楼层抗剪承载力比值图 13 楼层侧向刚度比值X 向0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50706
18、050403020100Y 向楼层 规范 0.9 限值X 向0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00706050403020100Y 向楼层 规范 0.8 限值表 2 主要计算结果周期 （s）T16.58T26.48T33.25周期比 0.49层间位移角风荷载X 1 548Y 1 573地震作用X 1 869Y 1 926剪重比（%）X 1.08Y 1.08扭转位移比X 1.20Y 1.14刚重比X 1.62Y 1.66表 1 各主要构件在不同地震水准下的性能目标设防水准 多遇地震 设防烈度 罕遇地震关键构件底部加强区核心筒剪力墙弹性 弹性轻微损坏（不屈服 ）非底部加强区核心
19、筒剪力墙弹性轻微损坏（不屈服 ）轻度损坏（不屈服 ）外框柱 弹性轻微损坏（不屈服 ）轻度损坏（不屈服 ）伸臂桁架腰桁架弹性 弹性损坏（不屈服 ）加强层楼板 弹性轻微损坏（不屈服 ）轻度损坏（不屈服 ）耗能构件连梁 、普通楼层梁弹性轻度损坏（不屈服 ）不发生受剪破坏普通竖向构件 弹性轻微损坏（不屈服 ）不发生受剪破坏其余层楼板 弹性轻度损坏（不屈服 ）不发生受剪破坏5.1 小震弹性计算结构计算以地下室底板作为结构嵌固端 。 计算竖向和水平荷载工况 ， 考虑 X、Y 向及相应的 45、135地震作用 ， 同时考虑双向水平地震作用及偶然偏心的影响 。 楼层风荷载参数按风洞试验数据最大等效风荷载对应角
20、度的层等效静力风荷载作为静力风荷载输入 。竖向荷载工况计算考虑施工模拟工况 。整体结构考虑二阶效应的不利影响 。小震计算主要输入参数 ： 周期折减系数取 0.85， 连梁刚度折减系数 1.00， 阻尼比 0.035，梁刚度放大系数 2.0， 楼板假定为 :2 层 、39 层 、3 层夹层 、 加强层及其上层为弹性膜 ， 其余楼层为刚性板 。 主要计算结果见表 2。根据上述计算结果 ， 结合规范规定的要求及结构抗震概念设计理论 ，可以得出如下结论 ： 第 1 扭转周期与第 1 平动周期之比远小于0.85，扭转刚度较大 ，扭转变形较小 ，周期比满足规范要求 。 在考虑偶然偏心的地震作用下 ，双方向
21、最大扭转位移比均小于 1.2，属于扭转规则结构类型 。 风荷载效应较小震荷载效应要大 ，风荷载作用下最大层间位移角小于 1 500。层间位移角曲线（如图 11）在加强层及转换层处有明显收进 。 塔楼 X、Y 方向底层剪重比小于 抗规 5.2.5条规定的最小剪重比 ，但大于 抗规 5.2.5 条规定的最小剪重比的 85%，且剪重比大于规范限值的 85%而小于规范限值 1.2%的层数接近结构总层数的15%；结构楼层地震剪力需按 抗规 5.2.5 条条文说明调整 （图 12）后进行后续的抗震设计 。 楼层侧向刚度规则性 （如图 13）及抗剪承载力规则性 （如图 14）均满足规范限值要求 ，不属刚度突
22、变和承载力突变的超限高层 。 刚重比小于 2.7 大于 1.4，需要考虑 P- 效应对水平力作用下结构内力和位移的不利的影响 。结构满足整体稳定的要求 。李东存 ： 某超高层框架 -核心筒混合结构的结构设计介绍 DEC 2012 No122012 年 12 月 第 12 期6图 16 天然波 2 的 X 主方向结构弹塑性大震层位移 、层间位移角曲线X 向0.000 0.400 0.800 1.200 1.6003002001000Y 向高度 （m）X 向0.000 0.004 0.008 0.0123002001000Y 向高度 （m）1 100层间位移角楼层位移表 3 大震动力弹塑性时程分析
23、部分结果注 ） 考虑到各组地震波的反应以天然波二为最大 ，下文主要列举这组地震波作用下的计算结果 。作用地震波人工波 1L740天然波 1L202天然波 2L266主方向 X Y X Y X Y剪重比（%）X 48.8 5.72 4.96 3.93 5.70 4.45Y 4.32 5.04 4.25 5.21 4.37 5.58最大层间位移角X 1 218 1 249 1 217 1 201 1 154 1 192Y 1 374 1 311 1 318 1 266 1 269 1 189结构总质量 204654（t）图 15 斜墙及上下层剪力墙 Z、X 向剪应力云图訳 竖向荷载作用訴 1.1
24、倍 50 年风荷载作用各宏观计算指标满足规范要求 ，构件截面取值合理 ，结构体系选择恰当 。5.2 小震弹性时程分析本工程根据 GB 50011-2010建筑抗震设计规范 的规定进行了小震弹性时程分析 ，分析结果满足规范要求 。 经比较 ，大部分楼层时程反应包络值小于反应谱结果 。 受到高振型的影响 ，顶部楼层时程曲线分析的层剪力在弹性阶段对结构起控制作用 。 施工图阶段将对该部分楼层的反应谱地震作用放大对构件进行验算 ，确保结构计算的准确性和安全可靠 。5.3 关键节点性能化设计因篇幅所限 ，本节仅对斜墙及相邻层的剪力墙的性能化设计展开论述 。 斜墙结构受力在轴向力作用下产生较大的平面外附加
25、弯矩及顶端和底部的平面外水平力 。 计算采用壳元模型进行应力分析 ，结果显示 1.1 倍 50 年风荷载组合为构件设计控制工况 ，性能化设计分析结论如下 （如图 15）： 在竖向荷载作用下 ，斜墙及上下层剪力墙的压应力水平在 -8MPa 以下 ，在 1.1 倍 50 年风组合下 ，斜墙及上下层剪力墙的压应力水平在 -16MPa 以下 ，均低于混凝土的抗压强度设计值 ；说明斜墙及上下层剪力墙足以承担在竖向及水平荷载作用下产生的平面外弯矩 。 在竖向荷载作用下 ，与斜墙垂直的 X 向剪力墙剪应力水平均在混凝土的抗拉强度设计值以下 ，在 1.1 倍 50 年风组合下 ，与斜墙垂直的 X 向剪力墙剪应
26、力水平均在混凝土的抗拉强度设计值以下 ；说明 X 向剪力墙足以承担斜墙在竖向及水平荷载组合作用下产生的水平分力 。 设计采用水平钢筋的构造加强即可满足水平荷载组合作用下斜墙产生的水平分力的设计要求及相应的抗震性能目标 。5.4 动力弹性时程分析本工程选用了 1 组双向人工波 （L740）和 2 组双向天然波 （L201，L266），采用 ABAQUS 软件进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析 ，结果见表 2。 罕遇地震作用下结构保持直立 ，最大层间位移角 X 向 1 154，Y 向 1 192，小于框 -筒结构 1 100的限值 ； 由于结构周期相对较长 ，在各组地震波作用下 ，无论双向地震主
27、方向为 X 向还是 Y 向 ，结构的弹塑性剪重比均偏小 ； 从弹塑性层间位移角曲线 （如图 16）可见 ，由于 37、53 层加强层的存在 ，曲线出现明显收进 ，表明加强层对提高结构的侧向刚度有较大的作用 ； 分析结果 （如图 17）表明结构的楼层剪力主要由剪力墙承担 ，框架承担的部分大于 10%；对大震下结构构件和关键节点抗震性能的评价如下 ：广东土木与建筑 DEC 2012 No122012 年 12 月 第 12 期7图 17 天然波 2 的 X 主方向作用下楼层剪力曲线訳 X 向 訴 Y 向X 向-8 -4 0 4 8 12 163002001000Y 向高度 （m）300200100
28、0高度 （m）（104）框架核心全部框架核心全部-8 -4 0 4 8 12 16（104） 由各榀剪力墙在地震作用下的受压损伤 （图略 ）可知各榀剪力墙主承重墙肢基本完好 ，抗压损伤主要出现在连梁部位 ，剪力墙抗震承载力足够 ； 各层楼板仅局部出现轻微至中度受压损伤和钢筋塑性应变 。 加强层楼板混凝土在与伸臂桁架斜腹杆交接处由于应力集中出现了轻微损坏 轻度损坏 ，其余各层楼板混凝土在连梁洞口位置出现局部的轻度损坏 ；楼板抗震承载力足够 。综上所述 ，结构构件满足既定的大震作用下的性能目标要求 ，结构抗震性能良好 。6 结语本工程为高度超过 300m 的超限项目 ， 结构体系采用带伸臂桁架及腰
29、桁架的钢管混凝土柱型钢梁框架 -钢筋混凝土核心筒体系 。 针对工程超限情况 ，结构设计通过竖向及平面结构的合理化布局及全面 、细致的计算分析 ，确保对重力荷载 、地震作用 、风荷载作用的合理评估 ， 对关键构件采取更为严格的抗震构造措施 ，关键抗侧构件及节点部位采用钢 型钢混凝土或钢管混凝土等高延性构件 ， 提高结构安全标准及耗能水平 ，确保整体延性的发挥 。同时在整体结构及构件设计中全面融入抗震性能化设计的思想 ，对于外框架 、核心筒剪力墙 、伸臂桁架及腰桁架具有满足中震无损坏 （弹性 ）及大震轻微损坏 （不屈服 ）的抗震性能 ，高于所设定的抗震性能目标 。参 考 文 献1 GB 50011
30、-2010 建筑抗震设计规范 S2 JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程 S3 广州容柏生建筑结构设计事务所 . 珠江新城 J2-2 地块项目超限设计可行性论证报告 R，20111111111111111111111111111111111111111111李东存 ： 某超高层框架 -核心筒混合结构的结构设计介绍 DEC 2012 No122012 年 12 月 第 12 期（上接第 46 页 ） 管道及机头顶进施工a. 螺旋钻杆加钢套管顶进完成后 ，开始安装扩孔机头 ，顶进管道 ，边顶进边在接收井拆除螺旋钻杆及钢套筒 。 扩孔机头和管道在导向管的引导下向前推进 ，顶进过程中机头前
31、端的刀盘切削土体通过螺旋钻杆运输到接收井 。b. 压注减摩浆液 ： 为减少顶进过程中的摩阻力 ，在管外压注触变泥浆 ，在顶进机头的尾部设置压浆孔 ，先压后顶 ，随顶随压 ，要求出口压力必须大于地下水压力 ，压浆量控制在理论压浆量的 1.5 倍左右 。 地表变形控制a. 刀盘上承受的土压力和泥水压力均由压力表反映 。 机械运转情况 、刀盘承受的土压力和泥水压力信息等均反映到地面操纵台的屏幕上 ，操作人员根据这些信息进行遥控操作 ，可以及时调整操作 ，能很好的进行地表变形控制 。b. 根据对地面变形的量测反馈资料 ，及时调整正面土压力 ，一般此土压力宜为正面土体静止土压力的 1.01.1 倍 。为确保正面土体的平衡状态 ，施工时应采取自动或人工控制 ，保持最合适的螺旋机转速 、顶进速度 、总顶力等施工参数 。4 结论工程实践表明 ，与传统的泥水平衡 、土压平衡和气压平衡顶管施工设备相比 ， 这种二程式顶管施工技术在提高工程质量 、 节约征地拆迁费用等方面具有较大的优势 ，但仅适用于中短距离 、中小管径且软弱土层的直线顶管 ， 因此应在合适的条件下加以推广应用 。参 考 文 献1 余彬泉 ，陈传灿编著 . 顶管施工技术 M. 北京 ：人民交通出版社 ，19982 范明星 . 微型排水管道非开挖技术研究 J. 上海建设科技 ，2002（5）8
