南充绿地中心超高层结构选型设计

陈 继 伟

(上海联创设计集团股份有限公司，上海 200093)

1 工程概况

本项目位于四川省南充市顺庆区，由1幢超高层主塔楼、4幢百米高层办公楼、3层商业裙房组成，总面积约43.7万m2。主塔楼为办公楼，建筑面积约9.3万m2，地下2层，地上45层，其中11层、24层、37层为避难层，标准层层高为4.2 m，避难层层高5.1 m，首层层高10.2 m，屋面结构高度为198.9 m，建筑总高度为238 m，屋顶塔冠高39.1 m，基础埋深12.5 m。主塔楼与裙房地上通过抗震缝脱开。建筑效果图及剖面图见图1。

本工程已于2014年完成初步设计，2015年完成施工图设计。

2 结构设计参数

塔楼结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。单体建筑面积超8万m2，抗震设防类别为重点设防类，根据《四川省建设工程抗御地震灾害管理办法》的规定塔楼抗震设防烈度取6度，设计基本地震加速度取0.05g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。50年一遇基本风压为0.30 kPa，地面粗糙度类别为C类。结构风压高度变化系数、体型系数等均按《建筑结构荷载规范》取值。

3 基础设计

塔楼总质量约14.3万t，底板底埋深12.5 m，根据《勘察报告》的建议并结合南充地区的土质条件，综合安全、经济、施工难度、周期、上部荷载及变形控制等因素，决定采用大直径旋挖灌注桩。桩端持力层微风化泥岩，桩径1.2 m，扩大头直径1.6 m，桩长39 m，桩间距不小于3.6 m，单桩承载力1 400 t，筏板厚2.7 m。为减小塔楼与周边地下室的差异沉降、降低筏板的应力并减薄筏板厚度，采用变刚度设计原理，采用核心筒内满堂布桩、外框柱下集中布桩的方式，基础平面布置图如图2所示。

4 结构方案选型

结构高宽比是超高层建筑中影响造价的关键因素，适当的高宽比可避免抗侧刚度过小，本项目因建筑高度与开发体量要求，单层面积约1 920 m2，平面尺寸43.5 m，等效高宽比5.47较小，核心筒平面尺寸为19.9 m×22.8 m，高宽比10.5，有效地提升了结构抗侧刚度。根据中国高层建筑委员会对我国超高层结构体系的统计结果，200 m左右的超高层建筑，一般采用框架—核心筒结构[1,2]，可根据高宽比、烈度需要设置一定数量的加强层。因此结合建筑布置，初步选择稀柱钢筋混凝土框架—核心筒结构方案。

4.1 纯混凝土结构与混合结构的选择

初步计算结果见表1，根据初步计算结果，由于混凝土结构有足够的整体刚度，如采用混合结构方案，则必须加强截面，加大抗侧刚度，反而会造成更大的钢材浪费。项目地处三级城市，混合结构施工要求较高、难度相对较大，对工期反而不利。而且后期维护、防火、使用舒适度方面均不如纯混凝土结构方案。

表1 主要结构计算指标对比

4.2 设置加强层的考虑

塔楼结构在不设置任何加强层时，结构的最大层间位移角均可满足高规限值要求。为减少结构自重降低投资，本文通过设置加强层，分析其对结构刚度的影响，旨在通过减少结构构件的尺寸，进而论证是否有必要设置加强层。

根据高规[3]10.3，当结构需要增设加强层来提高结构刚度时，应合理设计加强层的数量、刚度及竖向位置。本文结合建筑功能，利用24层，37层避难层和设备层，设置两道加强层。为减少伸臂桁架对建筑的影响，加强层采用环桁架。如表2所示，与不设置环桁架加强层结构相比，结构风荷载作用下X向最大层间位移角由1/1 567减小为1/1 761，结构X向刚度提高了约12%。结构风荷载作用下Y向最大层间位移角由1/1 471减小为1/1 587，结构Y向刚度提高了约8%。与不设置环桁架加强层结构相比，标准层核心筒剪力墙均减薄，结构总质量减少约1%。

表2 主要结构计算指标对比

由于设置加强层会造成结构竖向刚度突变，对结构抗震较不利，需对加强层及相邻上下层梁板柱加强设计。且加强层采用钢结构，为保证构件连接，导致上部外框架竖向构件均需采用型钢混凝土结构，对降低投资反而不利。故本工程最终不采用带加强层方案。

5 结构体系

经多方案比选，塔楼结构体系采用钢筋混凝土框架—核心筒，核心筒作为塔楼主要抗侧力构件，核心筒周边墙体厚度随楼层高度增加不断向内收进，核心筒外墙厚度从底部的700 mm逐步缩小至顶部的350 mm，确保了连续均匀的刚度变化和适宜的压、剪应力水平。筒内剪力墙厚度从底部350 mm/300 mm逐渐减小至顶部200 mm，底部若干层核心筒内剪力墙通过增加翼缘墙肢，保证墙体稳定。核心筒承担了主要的水平荷载，为结构提供了很大的侧向刚度，其抗震等级二级。

外围框架采用现浇钢筋混凝土框架，框架柱结合建筑品质和结构经济合理性的综合考虑，在四边采用矩形截面柱，柱截面自下而上变化范围为1 100×1 100～600×600，角部采用圆形柱，截面范围D1 200～D700，底层由于层高较高，为控制竖向刚度均匀，首层柱加大截面，考虑首层作为大堂，结合建筑观感采用圆柱，柱截面D1 500。外围柱距7.5 m～8 m。考虑到外框柱作为二道防线的重要性，为增加结构延性，同时合理减小柱截面、增加使用面积，设计中对底部十层框架柱采用内置十字钢骨的型钢混凝土柱。

框架梁采用现浇钢筋混凝土梁，主要截面：外周框架梁截面主要为400×800，径向框架梁截面主要为300×800，次梁截面主要为250×750。由于首层层高较大，为了使结构竖向刚度均匀，避免结构底层薄弱层，二层楼面框架梁截面加大至600×1 300(外圈600×1 600)。标准层平面布置见图3。

塔楼43层以上至屋顶及塔冠四角向对角方向倾斜，塔冠屋顶层相对于底层，每边均向内退2.51 m。

塔冠高39.1 m，塔冠采用自重较轻的空间钢桁架体系，桁架截面高约5 m～3.5 m，为保证建筑立面分隔，竖向桁架每4.2 m高设置一道水平封闭桁架，设计为保证竖向桁架平面外稳定，对其隔层设置支撑杆与斜撑。塔冠第二层设置支杆与核心筒小屋面连接。塔冠外侧钢柱落在屋顶混凝土框架柱上，内侧钢柱落在主体混凝土框架梁上。立面桁架与塔冠平面布置如图4所示。外围水平杆截面采用矩形钢管250×300×10，其余水平杆φ203×6～10，桁架立柱φ450×18，桁架腹杆φ180×6～8。

6 结语

1)6度区200 m左右的超高层建筑，一般采用钢筋混凝土框架—核心筒结构可满足规范刚度需求。如采用混合结构，需根据刚度需要加强构件设置，造成钢材浪费。

2)钢筋混凝土框架—核心筒结构，设置环桁架一般可提高结构刚度10%左右。6度区200 m左右的超高层建筑，当刚度满足计算需求时，可不设置加强层，从而避免设置加强层导致结构竖向突变及抗震构造的复杂性。