超高層建筑結(jié)構(gòu)案例

天津高銀117大廈建筑高597m，為我國單體面積最大的民用建筑。近日，天津高銀117大廈第三道桁架層最后一段巨型桁架上弦3SHJ-11吊裝就位，標志著天津高銀117大廈第三道即首道雙層桁架順利合龍。本文將介紹天津高銀117大廈結(jié)構(gòu)體系和基礎(chǔ)設(shè)計中的重點問題。本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計單位為奧雅納工程顧問和華東建筑設(shè)計院有限公司。奧雅納工程顧問完成結(jié)構(gòu)方案和初步設(shè)計及結(jié)構(gòu)超限審查，容柏生事務所作為項目結(jié)構(gòu)顧問并同時負責第三方彈塑性時程分析。（本工程已于2010年10月通過了全國及天津市超限高層建筑工程抗震設(shè)防審查專家委員會的聯(lián)合審查）單體面積最大民用建筑-高597m天津117大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計案例分析

高銀117大廈位于天津市高新區(qū)地塊發(fā)展項目之中央商務區(qū)，為一幢寫字樓為主附有酒店及相關(guān)設(shè)施的大型超高層建筑，總建筑面積約37萬m2，建筑高度約為597m（至頂部停機坪），地上117層。塔樓平面為正方形，外形隨高度變化，各層周邊建筑輪廓隨著斜外立面逐漸變小，塔樓首層建筑平面尺寸約65m×65m（幕墻邊），漸變至頂層時平面尺寸約45m×45m。中央混凝土核心筒為矩形，平面尺寸約37m×37m，主要用作高速電梯、設(shè)備用房和服務用房。1.工程概況結(jié)構(gòu)典型平面布置圖結(jié)合工程經(jīng)濟性充分發(fā)揮鋼與混凝土兩種材料的優(yōu)勢，對于外框筒依次考慮了密柱結(jié)構(gòu)（含伸臂桁架和腰桁架加強層）、巨型框架和密柱（人字支撐或菱形撐）、巨型框架（含轉(zhuǎn)換桁架和支撐）結(jié)構(gòu)，最終采用的多重結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系。如下圖所示，分別由鋼筋混凝土核心筒、帶有巨型支撐筒、巨型框架構(gòu)成的周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)成了多道設(shè)防的結(jié)構(gòu)體系，提供了強大的側(cè)向剛度，共同抵抗水平地震及風荷載。2.

結(jié)構(gòu)體系布置與構(gòu)件設(shè)計

結(jié)構(gòu)體系三維示意圖2.

結(jié)構(gòu)體系布置與構(gòu)件設(shè)計

多重抗側(cè)力體系示意圖由于建筑方面弱化交叉支撐的視覺效果要求，避免斜支撐及邊梁柱相互交叉導致的傳力路徑不清晰，設(shè)計中采取了將斜撐與周邊次框架在平面上錯開的方案，兩者相對獨立。2.

結(jié)構(gòu)體系布置與構(gòu)件設(shè)計

巨型框架與巨型支撐連接空間示意圖巨型柱位于建筑物平面四角并貫通至結(jié)構(gòu)頂部，在各區(qū)段分別與水平桿、轉(zhuǎn)換桁架及巨型斜撐連接。其平面輪廓結(jié)合建筑及結(jié)構(gòu)構(gòu)造連接要求，呈六邊菱形，底部截面約為45m2，沿高度并配合建筑要求分多段內(nèi)收，外側(cè)平齊，頂部樓層約為5.4m2。2.

結(jié)構(gòu)體系布置與構(gòu)件設(shè)計

底部典型樓層45m2巨型角柱截面構(gòu)造示意3.1

樓層剪力和剪重比

小震和風荷載作用下底部剪力如下圖所示。地震作用為本工程的主控荷載，由于加速度反應譜在長周期段下降較多，計算剪力無法滿足剪重比的要求，結(jié)構(gòu)位移和地震內(nèi)力均需相應調(diào)整。3.

整體性能彈性分析結(jié)果

樓層剪力和小震剪重比分布圖3.2

小震彈性時程分析

小震分析采用了七組強震加速度記錄作為動力時程分析的地震波輸入，下圖是小震彈性時程對應地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范對比。在波形的選擇上，除有效峰值、持續(xù)時間、頻譜特性等方面的要求外，還要滿足底部剪力及高階振型方面的相關(guān)要求。3.

整體性能彈性分析結(jié)果

小震彈性時程對應地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范對比整體性能評估從彈塑性層間位移角、剪重比、結(jié)構(gòu)頂部位移和底部剪力時程曲線、塑性發(fā)展過程及塑性發(fā)展的區(qū)域來評估。構(gòu)件評估從構(gòu)件塑性變形與塑性變形限制值的大小關(guān)系，關(guān)鍵部位的關(guān)鍵構(gòu)件塑性變形情況來對結(jié)構(gòu)進行評估。7條時程波在彈塑性動力分析中，結(jié)構(gòu)整體指標均滿足規(guī)范1/100的要求。4.

罕遇地震彈塑性時程分析

罕遇地震彈塑性動力時程分析結(jié)構(gòu)整體層間位移角塔樓共設(shè)四層地下室。巨型支撐延伸至地下層1，其余抗側(cè)力結(jié)構(gòu)從上部延伸至地下室并支承于基礎(chǔ)筏板。由于上部結(jié)構(gòu)重力荷載大，基礎(chǔ)滿堂布樁時基礎(chǔ)筏板已超出塔樓范圍。基礎(chǔ)筏板為正方形，邊長86.2m，厚度6.5m（初步設(shè)計7.5m）。地下室外墻采用地下連續(xù)墻，“兩墻合一”兼做基坑圍護和永久使用階段的外墻。B1層以下高度在巨柱與核心筒剪力墻之間布置翼墻，使上部傳遞下來的荷載更加均勻地擴散至筏板和樁基，同時增強筏板的抗沖切承載力。計算分析表明，翼墻承擔了巨柱30%的豎向荷載。5.

基礎(chǔ)布置

基礎(chǔ)筏板平面根據(jù)規(guī)范要求，當采用樁基礎(chǔ)時，高層建筑基礎(chǔ)埋深一般不小于結(jié)構(gòu)高度的1/18。實際上，規(guī)范的要求是一個經(jīng)驗值，只要滿足地基承載力、穩(wěn)定性要求以及塔樓的整體抗傾覆（基底底面反力不出現(xiàn)零應力區(qū)）以及抗滑移要求，埋深要求可適當放松。部分已建成的國內(nèi)外超高層建筑的基礎(chǔ)埋深也反映了這一趨勢。6.

基礎(chǔ)埋深

部分超高層建筑基礎(chǔ)埋深

表1工程名稱結(jié)構(gòu)高度/m基礎(chǔ)埋深/m結(jié)構(gòu)高度/基礎(chǔ)埋深上海環(huán)球金融中心49221.3523.0天津高銀117大廈587.525.8522.7廣州西塔4322021.6臺北10144822.320.1香港環(huán)球貿(mào)易廣場48425.519.0上海中心58031.418.4迪拜塔8281555.2希爾斯大廈44213.732.2

從設(shè)計、審批、施工可行性以及經(jīng)濟性等幾個方面綜合考慮，決定采用灌注樁方案。塔樓上部結(jié)構(gòu)荷載分布不均，核心筒區(qū)域和4根巨柱豎向荷載較大。在水平罕遇地震作用下，邊樁出現(xiàn)拉力。基于土與基礎(chǔ)共同作用的樁頂反力分析結(jié)果，工程樁采用三種不同縱筋配置的樁型，有效樁長均為76.5m，詳見下表。7.

樁型選擇

工程樁樁型

表2樁型樁數(shù)量配筋（HRB400）承載力特征值/kN127724T4016500246818T4015000319612T4013000

采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）的等效實體深基礎(chǔ)法對樁基沉降進行估算，考慮沉降經(jīng)驗系數(shù)后，豎向荷載長期效應組合下基礎(chǔ)的最大沉降量約為160mm。為研究上部結(jié)構(gòu)對筏板變形和內(nèi)力的影響，建立了3個有限元模型，如下圖所示。從計算分析結(jié)果來看，3個模型的筏板最大沉降值分別為162，132和129mm，最小沉降值分別為41，82和84mm。模型1的最大沉降值以及沉降差（不均勻沉降）是3個模型中最大的，模型2和模型3的筏板沉降曲線分布和最大沉降值差異較小。8.

基礎(chǔ)筏板內(nèi)力分析

不同模型的筏板應力圖

塔樓巨柱承擔了近50%的上部結(jié)構(gòu)豎向荷載。在水平地震作用下，由巨柱和支撐組成的外筒承擔的底層剪力占基底總剪力的65%，底層傾覆力矩占基底總傾覆力矩的80%。典型巨柱在各荷載工況下的軸力分布如圖所示。9.

巨柱柱腳構(gòu)造

巨柱軸力分布

巨柱是主體結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵構(gòu)件之一，因此巨柱的柱腳構(gòu)造設(shè)計尤為重要。巨柱柱腳的設(shè)計目標同巨柱，即中