中国国际丝路中心大厦结构分析与设计

2020-11-12邹智兵虞终军王建峰

结构工程师 2020年4期

邹智兵虞终军王建峰

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

1 工程概述

中国国际丝路中心大厦位于陕西省西安市西咸新区，塔楼建筑高度为498 m，结构高度为479.7 m，地上100 层，地下4 层，地上建筑面积约27.5万m2。建筑平面为八角形，四个主立面内凹，建筑平面从底部向上逐步收小，底部尺寸约为66 m×66 m，顶部尺寸约为45 m×45 m。建筑效果如图1所示，首层建筑平面如图2所示。

美国SOM 公司完成本项目的方案设计和初步设计，同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司完成施工图设计并在方案和初步设计阶段作为顾问提供咨询意见，其中结构专业在初步设计阶段完成弹性和弹塑性的第二软件计算复核。

2 设计参数

工程抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0.20 g，Ⅱ类场地，场地特征周期为0.40 s，抗震设防类别为乙类。结构设计基准期及设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级（关键构件安全等级一级），地基基础设计等级为甲级。本项目处于低风高烈度区，结构设计由地震作用控制。

图1 效果图Fig.1 Rendered picture

3 结构体系

塔楼采用型钢混凝土框架-混凝土核心筒-伸臂桁架组成的混合结构体系，伸臂桁架共4 道，在低区布置两道传统伸臂桁架，分别在36～38 层、58～60 层；在高区布置两道阻尼伸臂桁架，分别在78～79 层、98～98M 层。核心筒外楼面由钢梁和钢筋桁架混凝土楼板组成，标准层筒外楼板厚120 mm，设备层及加强层筒外楼板厚200 mm；核心筒内楼面采用现浇混凝土梁板体系，核心筒内楼板主要厚度为150 mm。塔楼典型结构平面和结构体系示意见图3、图4。

图3 典型结构平面图Fig.3 Typical structural plan

图4 伸臂桁架平面布置Fig.4 Outrigger plan

图5 结构体系组成Fig.5 Structural system formation

3.1 核心筒

塔楼核心筒由钢筋混凝土剪力墙组成，低区为切角的正方形，中、高区为正方形。从低区到中区采用斜墙转换方式减少刚度突变，如图6 所示，高区仅保留核心筒内筒。核心筒是重要的抗侧力构件，小震工况下，核心筒承担了80%以上的基底剪力和50%左右的基底倾覆弯矩。

图6 核心筒外墙斜向收进Fig.6 The inclined outer core wall

地下室部分核心筒外墙厚1.7 m，向上逐渐减小为0.6 m；核心筒内部腹墙底部厚度为0.6 m 和0.5 m，向上逐渐减小为0.4 m。核心筒混凝土强度等级主要为C60。核心筒剪力墙按性能设计要求布置钢骨，在加强层伸臂桁架对应位置的部分墙体内布置了钢板。连梁作为重要的耗能构件，需要控制其高跨比。本项目的连梁高度主要为800 mm、1 000 mm。

3.2 外框架

型钢混凝土柱及钢框架梁组成塔楼外框架。型钢混凝土柱共24 根，8 根布置在4 个正立面上，其余16根布置在塔楼的4个角部。每个角部密排布置4个框架柱，与相应的外框架形成4榀延性框架，为塔楼提供额外的抗侧刚度及抗扭转刚度，并提高大震下抗震性能。8 个角柱内埋十字形钢骨，框架柱截面从3 350 mm×3 725 mm 向上逐渐收至1 275 mm×1 300 mm，角部中间框架柱内埋H 型钢骨柱，截面从2 250 mm×2 075 mm 向上收至1 200 mm×1 400 mm；楼面内凹位置框架柱内埋H型钢骨柱，截面从2 200 mm×1 800 mm向上收至1 200 mm×1 200 mm；框架柱的混凝土强度等级从C60 逐渐减小为C50，钢骨材质采用Q345GJ。外框梁截面采用H 型截面，材质主要采用Q390GJ，部分采用Q420GJ。

3.3 伸臂桁架

为了在抗震设防高烈度区有效地控制地震反应，特别是大震下的弹塑性变形及保护关键构件，对在伸臂桁架体系中设置黏滞阻尼器进行研究［1-3］。采用阻尼伸臂桁架替换传统伸臂桁架会损失抗侧刚度，但可以提高整体结构总阻尼，从而降低整体建筑地震响应，较大改善建筑物整体抗震性能。进行了大量研究以确定建筑物内阻尼桁架的最佳数量、位置和配置，最终采用下部两道传统伸臂桁架，上部两道阻尼桁架的布置形式。传统伸臂桁架立面见图7，阻尼伸臂桁架立面见图8。

图7 传统伸臂桁架立面图Fig.7 Conventional outrigger elevation

图8 阻尼伸臂桁架立面图Fig.8 Damped outrigger elevation

阻尼伸臂桁架直接与核心筒相连，在外框角柱与伸臂桁架端部之间设置竖向放置的黏滞阻尼器，将层间变形转换成伸臂桁架端部与外框角柱的竖向变形差，此种布置方式可以放大阻尼器的变形，获得更好的耗能效果。

黏滞阻尼器的关键参数是速度指数α和阻尼参数C。黏滞阻尼器的速度指数α 越小，地震响应减小越多，耗能越显著。罕遇地震和多遇地震下，速度指数对结构地震响应的影响不同，多遇地震下结构响应对速度指数的变化更为敏感。对多遇地震下结构耗能有要求时，不宜选择太大的速度指数，本工程黏滞阻尼器的阻尼速度指数α 为0.3。阻尼系数增大，基底剪力、顶点位移和顶部加速度减小，阻尼力及阻尼器耗能增大。综合考虑耗能需要和经济性，对多种参数进行计算比较，阻尼参数C取5 500 kN·（s/m）0.3。

4 超限情况及抗震性能目标

4.1 超限情况

主楼结构高度超过规范关于8 度烈度地区“型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构”最大适用高度150 m的限值，结构高度超限［4］。在平面及竖向不规则方面的指标有：由于抗侧刚度需要设置了伸臂桁架，形成加强层；按照建筑立面及平面功能要求，塔楼外框柱从外向内呈一定角度倾斜，局部楼层存在穿层柱、楼板开大洞等情况。

4.2 性能化设计目标

多遇地震及风荷载工况层间位移角限值为1/500，罕遇地震工况层间位移角限值为1/100。中震不屈服荷载组合下，按材料弹性模量换算，考虑内埋钢骨或钢板作用后的全截面墙肢名义拉应力限值按表1执行。

表1 墙肢名义拉应力限值Table 1 Core wall tensile stress limit

结构构件分类以及其抗震性能目标细化如表2 所示。（黏滞阻尼器也属于耗能构件，在小震下已进入耗能状态，故未在表中列出）

表2 结构构件分类及抗震性能目标Table 2 Structural member categories and performance target

5 结构抗震分析

5.1 小震弹性分析

5.1.1 自振周期

小震弹性分析采用ETABS 及盈建科软件进行，主要分析结果见表3-表6。前三阶整体振型见图9，前50阶累计振型质量参与系数大于90%，第一阶扭转与平动周期比0.50＜0.85，满足规范要求。

5.1.2 层间位移角

为准确反映黏滞阻尼器的非线性特征，采用时程分析方法分析阻尼器对整体结构侧向变形的影响。本工程小震时程分析选用类似场地及接近结构自振周期的5组天然波及2组人工波，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，并不大于135%；7 条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的85%，满足规范要求。地震工况及风荷载工况层间位移角均满足规范要求（表4），且地震工况为控制工况。

5.1.3 剪重比

根据建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）（2016 年版）［6］，8 度烈度地区第一周期大于5 s 的结构，最小楼层剪力应不小于该层以上累积质量的2.4%。根据《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）［7］规定，对于采用消能减震措施的体系，验算剪重比时可将剪力放大1.2倍，因此将规范限值降到2.0%。根据本项目阻尼器的实际布置情况，经超限审查专家建议和认可，本项目实际分析设计中采用1.15系数，即将规范限值降到2.087%。整体模型剪重比计算结果（表5）均大于0.8倍规范限值（1.67%），但不大于1.0倍规范限值，设计时需对地震力进行放大以满足规范要求，同时构件承载力验算采用反应谱法与时程工况平均值包络结果。

5.1.4 倾覆弯矩分配

沿塔楼高度的多遇地震弯距分配如图10、图11 所示。由X 方向地震荷载引起的底部弯距46.7%由框架承担，Y 方向46.5%由框架承担，结构体系为框架-核心筒抗侧力体系。

图9 前三阶自振振型Fig.9 The first three mode shape

表3 前六阶自振周期Table 3 The first six periods

表4 层间位移角Table 4 Inter-story drift

表5 地震作用剪重比Table 5 Seismic shear weight ratio

图10 X向地震工况倾覆弯矩（×106 kN·m）Fig.10 Seismic overturning moment distribution-X direction（×106 kN·m）

图11 Y向地震工况倾覆弯矩（×106 kN·m）Fig.11 Seismic overturning moment distribution-Y direction（×106 kN·m）

5.1.5 刚重比

考虑质量沿高度分布影响后，整体结构刚重比如表6 所示。塔楼在X 和Y 方向均满足整体稳定性要求，两个方向均需要考虑重力二阶效应，即P-Δ效应。

表6 结构刚重比Table 6 Stiffness weight ratio

5.2 中震等效弹性分析

5.2.1 核心筒墙肢

按超限评审意见，构件强度验算采用时程与多条反应谱平均值的包络结果进行设计。传统伸臂桁架刚度较大，可以有效减少侧向荷载作用下核心筒墙肢拉应力。塔楼底部墙肢配置5%含钢率的钢骨后，墙肢拉应力可以满足性能目标要求。另外，由于阻尼伸臂桁架抗侧刚度比传统伸臂桁架刚度小，第二道传统伸臂桁架以上部分核心筒外墙出现较大拉应力（＞ftk），在墙体内对应布置型钢后可以满足性能目标要求。

第一道阻尼伸臂桁架以上的核心筒外筒收进后，内筒位置保持不变，相应内筒的墙肢拉应力有所增大（＜ftk），墙肢截面可以满足中震性能目标。弹性时程计算结果中，与阻尼伸臂桁架连接的墙肢也存在拉应力（＜ftk），墙肢截面可以满足性能目标要求。

根据分析结果在部分墙肢内设置钢骨。

5.2.2 外框柱

中震弹性验算，外框角柱（共八颗）在第二道伸臂桁架以下基本为反应谱组合控制，在第二道伸臂桁架以上基本为时程分析组合控制。外框角柱含钢率为4.0%～6.0%，纵筋配筋率取1.4%，PMM利用率最大为0.81，轴压比为0.69，正截面承载力满足中震弹性性能目标。角部中间柱（共8颗）含钢率为5.5%～6.2%，纵筋配筋率为1.0%～1.2%，PMM 利用率最大为0.88，轴压比为0.78，正截面承载力满足中震弹性性能目标。

中间框架柱（共8 颗）含钢率为5.9%～6.2%，纵筋配筋率为1.0%～1.2%，PMM 利用率最大为0.88，轴压比为0.65，正截面承载力满足中震不屈服性能目标。

5.2.3 伸臂桁架

伸臂桁架构件主要承受轴力，在中震不屈服工况下，斜杆压弯验算PMM 利用率为0.67，满足中震不屈服性能目标。

5.3 大震弹塑性分析

大震弹塑性分别采用PERFORM-3D 及ABAQUS 软件进行分析，弹塑性分析结构初始阻尼比按5%施加，先分10 个加载步施加重力荷载（1.0DL+1.0SDL+0.5LL）模拟自重加载过程，然后施加地面地震加速度时程，地震波按主方向1.0+次方向0.85+竖向0.65 的方式施加。根据罕遇地震动力弹塑性分析，主体结构抗震性能综合评价如下：

（1）在7 条地震波作用下结构X 向及Y 向最大层间位移角平均值分别为1/108 及1/115，满足规范1/100的限值要求。

（2）核心筒墙体混凝土塑性损伤水平较低，墙体损伤主要集中于刚性伸臂加强层、核心筒收进楼层位置及底部楼层。在刚性伸臂加强层，在伸臂桁架与核心筒连接处，存在应力集中；在核心筒收进位置，墙体损伤主要集中于连接内外筒的腹墙。部分错洞墙体混凝土损伤较严重；在底部区域存在的错洞剪力墙损伤较大，连接内外筒的腹墙损伤也较大，设计中需做相应加强。

（3）大震下大部分连梁进入塑性，混凝土受压损伤较高的连梁采取箍筋加密，加设斜筋等措施，保证连梁在塑性铰充分形成后的良好延性和耗能能力。

（4）型钢混凝土柱处于不屈服状态，塑性发展程度较低，极个别顶部框架柱有达到IO 的塑性转角，框架柱能满足性能目标要求。

（5）中上部区域外框梁进入屈服耗能阶段，部分进入屈服的框架梁塑性铰达到IO，个别进入LS，罕遇地震作用下外框梁满足性能目标要求。

（6）底部两个区域刚性伸臂在罕遇地震作用下会进入屈服，上部两个区域阻尼伸臂桁架保持弹性。

（7）罕遇地震作用下结构耗能占地震总能量的28%～34%，黏滞阻尼器耗能占总能量的4%～7%，黏滞阻尼器约能为结构提供0.5%的附加阻尼比。