某超高层建筑结构选型与关键技术分析

李跃奎， 王 勇， 张 帆

(成都基准方中建筑设计有限公司， 成都 610010)

1 工程概述

新希望D10项目位于成都市锦江区，用地面积为30 409.95m2，由1～8号楼组成，其中1～3号楼为住宅，4号楼为回迁房，6号楼为办公楼，5，7，8号楼为1层商业；该项目设3层地下室。本文主要分析超高层建筑2号楼，该楼地面以上为68层，1层层高为6m，标准层层高为3.15m，屋顶层层高为3.6m，房屋总高度为217.550m(室外地面标高为-0.100m)，地上总建筑面积5.98万m2，建筑效果图及结构剖面图如图1所示。

图1 建筑效果图及结构剖面图

该项目抗震设防烈度为7度(0.10g)，设计地震分组为第三组，属Ⅱ类场地，特征周期为0.45s。50年重现期基本风压为0.3kN/m2，地面粗糙度类别为C类，风荷载体型系数取1.4。结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为标准设防类，上部结构嵌固端为地下室顶板。

2 结构选型

2.1 结构体系选型

该建筑为高度超200m的高端住宅，平面尺寸为28.8m×28.8m。为满足不同建筑户型的房间布置和使用空间需求，并达到相应的抗震设防目标，选择合理的结构体系尤为重要。因此，对钢筋混凝土剪力墙与钢筋混凝土框架-核心筒(简称框架-两种结构体系进行对比，框架-核心筒结构体系部分竖向构件采用型钢混凝土构件。两种结构体系的标准层结构布置详见图2。

图2 两种结构体系标准层结构平面布置图

本节主要对两种结构形式的经济性、建筑使用空间及结构受力性能三方面进行分析。在满足多遇地震作用下抗震设防目标要求的前提条件下，剪力墙结构钢筋用量为80.1kg/m2，型钢用量为10.2kg/m2，混凝土用量为0.41m3/m2；框架-核心筒结构钢筋用量为78.66kg/m2，型钢用量为26.3kg/m2，混凝土用量为0.42m3/m2。各楼层主要竖向构件截面尺寸及竖向构件率ρ详见表1(竖向构件率ρ为竖向构件截面面积与楼层面积比)，住宅户内净使用面积的具体数据详见表2。

两种结构体系主要竖向构件截面尺寸及竖向构件率 表1

两种结构体系每层户内净使用面积及其差/m2 表2

从经济性结果对比看，两者混凝土用量接近，剪力墙结构钢筋用量稍高，型钢用量较低，据了解每吨型钢总造价约为钢筋总造价的1.33倍，可见剪力墙结构具有一定优势。但剪力墙结构竖向构件率在低区1～14层相对较高，致使每层户内净使用面积比框架-核心筒结构少约10～21m2，在中、高区框架-核心筒结构净使用面积也具有明显优势，净使用面积的增加将提高用户使用空间上的舒适性和产品的溢价能力。

该建筑高宽比为7.8，水平荷载作用下将产生较大的倾覆力矩，为提高剪力墙结构的抗侧能力，剪力墙需要与其他墙肢形成平面内联肢墙，并围合成抗侧力较好的筒体，使剪力墙在建筑全平面内布置较为密集，不能很好地满足户型布置的需要；框架-核心筒结构竖向构件主要集中于核心筒和建筑外周边区域，内部形成的大空间很好地满足了建筑对功能灵活布置的需求，框架与核心筒组成的双重抗侧力体系能够抵抗水平力作用下形成的倾覆力矩。可以看出，与框架-核心筒结构相比，剪力墙结构超出高规[1]对高宽比的限值较多，竖向构件需占用较大的建筑户型空间。从建筑使用的实际特点以及抗震有利的角度出发，经与业主商议，最终采用框架-核心筒结构体系。

2.2 竖向构件选型

对于超高层建筑，重力荷载将导致竖向构件尺寸较大，为了提高结构的抗震性能并满足建筑功能的需求，从经济、适用的角度出发，对核心筒外墙和框架柱的形式进行比选。

2.2.1 1层核心筒外墙方案比选

该项目1层层高6m，2层及以上楼层层高3.15m，1层与2层较大的层高差异，使1层形成薄弱层。为提高1层结构抗剪承载力并满足B级高度高规[1]限值的要求，采用了以下三种方案进行比选。方案一：加厚剪力墙但水平分布筋仅满足最小配筋率；方案二：同时调整剪力墙厚和水平分布筋配筋率；方案三：控制墙厚，剪力墙中加入钢板。对比结果详见表3。

1层核心筒外墙三种方案对比 表3

由表3的对比结果可以看出，三种方案均能满足1层结构抗剪承载力要求。方案一的用钢量较低但剪力墙厚度较大，方案三用钢筋量低，并有一定的型钢用量，结合2.1节的型钢与钢筋的造价关系，方案三的经济性优于方案二。相较于方案二，方案三的抗剪承载力富裕度较大，对本项目而言，方案三整体较为经济合理。

2.2.2 2～14层核心筒外墙方案比选

因14层以上采用普通钢筋混凝土剪力墙能够满足建筑户型对空间的使要求，此处仅对2～14层核心筒外墙形式做比选。选取钢筋混凝土剪力墙和型钢混凝土剪力墙进行对比，混凝土强度等级均采用C60，控制两类剪力墙在2层及以上楼层轴压比不超过0.45，2～14层核心筒外墙厚度取值详见表4。型钢混凝土剪力墙在核心筒角部采用组合截面型钢，在核心筒中部采用工字形型钢，工字形型钢在剪力墙内均匀布置，核心筒外墙型钢布置详见图3。

两种方案2～14 表4

图3 核心筒外墙型钢布置

从表4的对比结果可以看出，核心筒外墙在2～14层通过控制型钢用量，能进一步缩小截面尺寸，从而释放大量的建筑空间，有效地提高了低区楼层建筑空间使用率。

2.2.3 框架柱结构选型

选取钢筋混凝土柱、型钢混凝土柱、钢管混凝土叠合柱(简称组合柱，钢管内外混凝土同期施工)进行对比。钢筋混凝土柱和型钢混凝土柱混凝土强度等级：最高采用C70，最低采用C60。组合柱混凝土强度等级：管外最高采用C70，最低采用C60，钢管内均采用C40。轴压比均保留一定的富裕度，限值为0.6。三种类型框架柱1～36层截面尺寸及经济指标详见表5，型钢混凝土柱、组合柱典型截面详见图4，型钢尺寸详见表6。

1～36层不同类型框架柱截面尺寸及经济指标对比 表5

图4 型钢混凝土柱、组合柱典型截面

型钢混凝土柱和组合柱中型钢尺寸 表6

从表5、表6的结果可以看出，与型钢混凝土柱、组合柱相比，钢筋混凝土柱未加型钢，总体用钢量较低，但截面尺寸较大；相较于型钢混凝土柱，组合柱因内部钢管对混凝土具有套箍效应[2]，在相同轴压比的条件下，具有截面小、型钢用量低等优点，有较好的综合效益。因此，框架柱在1～36层范围内采用组合柱。

经过上述竖向构件的对比，从满足建筑功能和经济合理的目标出发，选用以下形式：核心筒外墙1层采用钢板混凝土剪力墙；2～14层采用型钢混凝土剪力墙；15～16层为过渡层(分析详见3.1节)，逐步减少型钢数量；其余楼层采用钢筋混凝土剪力墙。框架柱1～36层采用组合柱；37～39层为过渡层，逐层减少组合柱数量并使用钢筋混凝土芯柱过渡；40层及以上楼层采用钢筋混凝土柱。

3 结构关键技术分析

3.1 2～14层核心筒型钢混凝土剪力墙分析

本项目为进一步减小核心筒截面尺寸，在2～14层核心筒剪力墙中部布置型钢，减小墙厚，并使轴压比满足规范要求，但并未考虑型钢对抗弯和抗剪承载力的影响。文献[3]指出，与不配置型钢的剪力墙相比，中间均匀配置型钢的剪力墙耗能能力更强,具有更好的延性,剪力墙配置型钢后抗震性能明显提高。由于现行《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)中没有符合该类型钢剪力墙的抗剪承载力公式，本文利用文献[4]中公式(式(1))计算剪力墙中配置型钢后所增加的抗剪承载力，以研究剪力墙中配置型钢对结构抗震性能的影响。

(1)

式中：Vw为剪力墙斜截面抗剪承载力；λ为剪跨比，λ=M/Vh0，当λ<1.5时，取λ=1.5，当λ>2.2时，取λ=2.2；ft为混凝土抗拉强度设计值；b为剪力墙截面宽度；h0为剪力墙截面有效高度；N为考虑地震作用组合的剪力墙的轴向压力设计值，当N>fcbh时，取N=0.2fcbh；A为剪力墙的截面面积，当有翼缘时，取考虑翼缘后的有效面积；Aw为T形、工字形截面剪力墙腹板的截面面积，对矩形截面剪力墙，取A=Aw;fyv为横向钢筋抗拉强度设计值；Ash为配置在同一水平截面内的水平分布钢筋的全部截面面积；s为水平分布钢筋的竖向间距；fa为型钢抗拉、抗压强度设计值；Aa1为剪力墙一端暗柱中型钢截面面积；Aa2为剪力墙截面中部型钢截面面积；na为所有截面中部型钢的截面面积和与两端型钢的截面面积和的比值，当na>0.5时取na=0.5。

将计算得到的型钢混凝土核心筒的抗剪承载力与不配置型钢的钢筋混凝土核心筒外墙的抗剪承载力进行对比，如图5所示。

图5 楼层抗剪承载力及楼层剪力对比

从图5可以看出，2～14层核心筒外墙配置型钢后，X向、Y向楼层抗剪承载力明显提高，剪力墙亦能满足上下楼层抗剪承载力比的要求，但14层与15层抗剪承载力突变，虽然能满足小震弹性的要求，但是否能保证大震下墙肢的安全，还未可知。通过大震弹塑性时程分析能够发现结构的薄弱部位和薄弱构件，从而有针对性地采取结构调整方案和加强措施[5]。为了判断2～14层核心筒外墙配置型钢对结构大震下抗震性能的影响，利用SAUSAGE软件对核心筒外墙考虑型钢的结构体系进行动力弹塑性时程分析，分析结果表明，在结构15层、16层，墙肢出现明显的破坏，如图6所示。说明剪力墙抗剪承载力明显不足，不能保证结构在大震作用下的安全。因此将14层部分型钢继续上升至15层、16层，并提高两楼层墙身钢筋配筋率，从而达到逐层降低结构抗剪承载力的目的，计算结果表明型钢上延后结果体系未出现明显损伤。有效的加强措施保证了结构体系在大震作用下良好的抗震性能，实现了大震不倒的抗震设防目标。

图6 15层核心筒外墙受压损伤图

3.2 核心筒剪力墙角部开洞分析

本工程由于建筑功能的需求，在Y向核心筒角部开设入户门洞，洞口边到筒角内壁最小距离为100mm，而高规[1]规定，筒角内壁至洞口的距离不应小于500mm和开洞墙截面厚度的较大值。为了研究核心筒角部开洞的影响，增加了三个对比模型进行分析。三个模型分别为：模型Ⅰ，核心筒角部洞口到筒角内壁最小距离取开洞墙截面厚度800mm；模型Ⅱ，核心筒角部洞口边贴筒角内壁；模型Ⅲ，核心筒角部洞口边贴筒角内壁，且向外延伸剪力墙，伸出长度为距角筒外壁1倍X向剪力墙截面厚度，为800mm。三个模型的核心筒示意详见图7，在多遇地震下主要参数详见表7。

图7 三个对比模型核心筒平面图

三个对比模型在多遇地震下主要指标对比 表7

从表7中可以看出：模型Ⅰ、模型Ⅱ结果较为接近；模型Ⅲ因为向外延伸Y向剪力墙，Y向剪力墙刚度得到提高，另外剪力墙缩短了与框架柱的间距，框架梁的线刚度增加，伸臂作用加强，从而提高了该榀框架的抗侧能力[6]，所以与模型Ⅰ、模型Ⅱ相比，模型Ⅲ的第一阶振型由Y向的平动变为X向的平动，第二阶振型变为Y向的平动。模型Ⅲ因Y向形成有效的连梁使核心筒具有较好的整体刚度，同时有效地加强了X向抗侧能力，使结构周期、层间位移角以及最大位移均比前两者模型小。采用SAUSAGE软件对三个对比模型进行大震作用下的动力弹塑性时程分析，分析结果如图8、图9所示。

图8 大震下对比模型的楼层剪力、楼层位移以及层间位移角曲线

图9 大震下对比模型核心筒剪力墙局部受压损伤图

经对比，模型Ⅰ～Ⅲ大震作用下的基底剪力约为小震作用下基底剪力的4.5倍左右。图8、图9结果表明：模型Ⅲ刚度较大，大震作用下，楼层位移、层间位移角及核心筒角部损伤范围比模型Ⅰ、模型Ⅱ稍大，模型Ⅰ、模型Ⅱ大震下的反应接近；模型Ⅲ的层间位移角曲线较为光滑，说明结构承载力与刚度较为均匀，模型Ⅰ与模型Ⅲ通过在核心筒角部配置型钢并提高边缘构件纵筋配筋率，使其角部损伤得到明显改善，三个模型均能够达到大震下性能目标C[1]要求。说明当核心筒角部洞口到筒角内壁最小距离较小时，向筒外加长墙肢的措施是有效的，能提高结构体系的整体抗侧刚度和抗震能力。

为了进一步减小核心筒角部开洞对结构体系的影响，增强墙肢整体性，降低因开洞带来核心筒角部的剪力滞后效应，使核心筒在中、大震下能保持良好的抗震性能。对核心筒四角开洞处连梁进行性能设计，其性能目标为：多遇地震，弹性(不进行刚度折减)；设防地震，抗剪、抗弯弹性；罕遇地震，抗剪、抗弯不屈服。同时严格控制开洞处连梁跨高比l/hb在1.5以内，确保形成联肢墙，提高Y向墙的整体性。针对局部楼层核心筒角部连梁在小震及中震下剪压比超限问题，通过在连梁内设置型钢来满足抗震性能目标的要求。

3.3 组合柱正截面承载力力学性能分析

框架柱承受较大的重力荷载，大震下框架柱承担的倾覆力矩增加，底部框架柱承受较大的轴力和弯矩。本工程部分楼层的柱采用组合柱，在成柱过程中,通过“强化、组合、约束、叠合”等增强手段的综合应用,将各种建筑材料实行优化配置，生成抗压、抗剪、抗扭强度大,抗震性能好的高性能结构柱[7]。为验算组合柱在大震下的正截面承载力，采用XTRACT软件，绘制轴力-弯矩(N-M)曲线进行验证。框架柱大震对应的正截面性能目标为抗弯不屈服。

分析利用YJK软件，采用振型分解反应谱法，对底部加强区框架柱的正截面进行配筋设计，分析时材料强度取标准值，并根据计算结果配筋，N-M曲线即是按此配筋结果计算得到的。

正截面承载力分析结果表明，每个框架柱所承受的轴力及弯矩均落在N-M能力曲线内，证明底部加强区框架柱能满足抗震性能目标要求。图10仅列其中一个框架柱KZa在大震下的性能曲线，KZa的位置详见图2(b)。

图10 框架柱KZa正截面承载力大震不屈服性能曲线

4 结论

(1)与剪力墙结构相比，超过200m的高层住宅采用框架-核心筒结构具有更好的抗震性能，并能更好地满足建筑对空间的需求；核心筒外墙、框架柱在合适的区段分别采用型钢混凝土墙和组合柱能够更加合理地控制截面尺寸，带来更好的综合效益。

(2)对于因上、下楼层层高差异形成的薄弱层，可视情况采取增加剪力墙截面、提高水平筋配筋率、剪力墙内配置钢板等方式提高该层剪力墙受剪承载力，使其满足规范要求并具有合理的经济性。

(3)在满足轴压比要求的情况下，在剪力墙内配置型钢是一种切实可行的减小核心筒外墙厚度的方法。大震弹塑性分析结果表明，过渡层(由型钢混凝土剪力墙变为钢筋混凝土剪力墙的楼层)墙体损伤严重，可通过将型钢上延两到三层且逐步减少型钢用量，并适当提高墙身钢筋配筋率，可保证结构在大震下的安全性能。

(4)对于核心筒角部开洞的框架-核心筒结构，可以采取向核心筒外延长开洞墙肢的方式，延长长度可为垂直于该方向核心筒外墙的厚度，并对角部连梁设置相应的性能目标，以提高核心筒整体性。

(5)对核心筒外延的墙肢，宜在低区部分楼层配置型钢，以改善其大震下的抗震性能。