范 重，王義華，劉學林，王金金，張 宇，邢 超，胡純煬，趙延彤

(1 中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044；2 美國H+P建筑結構事務所，芝加哥 60654)

1 工程概況

銀川綠地中心超高層項目位于寧夏回族自治區(qū)銀川市北部，閱海灣中央商務區(qū)的中心區(qū)。地上由南、北兩座塔樓及南、北兩座裙房組成。南、北塔樓建筑高度均為301m；南、北裙房建筑高度均為23.90m。兩塔樓地下3層(地下1層帶有局部夾層)。項目總建筑面積35.038萬m2，其中地下建筑面積82 425m2，地上建筑面積267 594m2。建筑效果及平面布置如圖1所示。

圖1 銀川綠地中心建筑效果圖及平面布置

南塔樓地上66層(含夾層)，地上51層及以下主要用于辦公，標準層層高4.2m。頂部部分樓層為行政公寓及餐廳，地上建筑面積122 797m2。

北塔樓地上66層(含夾層)，地上51層及以下主要用于辦公，標準層層高4.2m。52層及以上部分為酒店客房、健身、休閑會議、空中酒吧和設備機房，地上建筑面積122 643m2。

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[1](簡稱抗震規(guī)范)，擬建場地抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組屬第二組，場地類別為Ⅲ類。

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[2](簡稱荷載規(guī)范)，銀川市不同重現(xiàn)期的基本風壓w0與驗算類別如表1所示，地面粗糙度類別為B類。銀川市的基本風壓已經(jīng)超過我國部分沿海城市。50年重現(xiàn)期的基本雪壓S0=0.20kN/m2，雪荷載準永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅱ區(qū)。

銀川市基本風壓與驗算類別 表1

地下室外墻、頂板等室外構件，處于露天環(huán)境的雨棚和屋頂女兒墻等構件，環(huán)境類別為二b類。

2 結構體系

2.1 結構布置

銀川綠地中心南、北塔樓平面均略呈平行四邊形，均采用框架-混凝土核心筒結構，其X向與Y向的邊長均為43m，外框柱基本柱距為9m，對平面角部的兩個銳角進行圓化處理，最大高寬比為301/43.75=6.88；核心筒平面長24.5m，寬20.95mm，高寬比為281.8/20.95=13.45。南、北塔樓結構標準層平面布置見圖2。

圖2 南、北塔樓結構標準層平面布置

銀川市為高烈度區(qū)，塔樓高度超過《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[3](簡稱高規(guī))B級高度150m限值較多。結合建筑避難層和設備層的布置情況，南塔樓分別在33層、33夾層和51層、51夾層核心筒外墻角部設置伸臂桁架，與環(huán)桁架構成結構加強層。北塔樓分別在27層、27夾層和51層、51夾層核心筒外墻角部設置伸臂桁架，與環(huán)桁架構成結構加強層，提高結構的側向剛度與抗扭能力，減小核心筒墻體在中震作用下的拉應力。塔樓結構體系如圖3所示。

圖3 塔樓結構體系

塔樓標高250m以上為塔冠，核心筒剪力墻上延至弧形屋頂，在提供側向剛度的同時，便于布置插窗機。塔冠周邊采用鋼結構，框架柱為箱形鋼管柱，截面為□700×700×25×25，H型鋼梁間距為4m，角部圓弧采用圓鋼管，材質均為Q345C，通過歐拉公式確定構件的計算長度系數(shù)。頂部塔冠幾何模型如圖4所示。

圖4 頂部塔冠幾何模型

由于北塔樓的結構布置與南塔樓大體相同，結構抗震性能與計算結果非常接近。簡明起見，以下僅給出南塔樓的相關內容。

2.2 框架梁、樓面梁和樓板

外框梁采用實腹H型鋼，1～2層主要截面為H1 100×400×28×40，2層以上樓層主要截面為H850×350×20×35。樓面梁主要采用HN500×200×10×16和HN496×199×9×14，滿足承載力、撓度與舒適性要求。在H型鋼梁上翼緣設置圓頭焊釘，與鋼筋桁架樓承板的現(xiàn)澆混凝土樓板形成組合結構。

塔樓核心筒外采用鋼筋桁架樓承板+現(xiàn)澆混凝土板，普通樓層樓板厚度120mm，伸臂桁架上、下弦樓層樓板厚度180mm。鋼筋桁架樓承板作為樓板施工階段的模板，鍍鋅鋼板厚0.5mm。核心筒內采用現(xiàn)澆混凝土梁板，樓板厚度130mm。首層樓板厚度200mm，覆土地下室頂板厚度250mm。

2.3 框架柱與核心筒剪力墻

由于塔樓高度大，且風荷載、地震作用均很大，框架柱采用型鋼混凝土柱，下部型鋼的含鋼率約為7%，上部的含鋼率約為4%，可以減小構件截面尺寸，提高承載力與抗震性能?？蚣苤炷翉姸鹊燃墳镃60～C50。型鋼混凝土柱的抗震等級為一級，軸壓比不超過0.7；當剪跨比不大于2時，軸壓比不超過0.65。外框柱截面規(guī)格見表2。

外框柱截面規(guī)格 表2

核心筒外墻底部最大厚度1 300mm，逐漸減薄至頂層400mm，內墻厚度從底部600mm逐漸減薄至頂層300mm，剪力墻連梁高度主要為800mm。地下1層到地上8層的高度范圍內，在核心筒外墻中設置型鋼與鋼板，提高墻肢拉剪承載力。在伸臂桁架/環(huán)帶桁架加強層及上、下一層，在剪力墻內布置型鋼，改善構件抗震性能的同時，有利于與其他鋼構件連接。本工程核心筒墻體為特一級，根據(jù)超限審查意見，控制剪力墻軸壓比不超過0.45。核心筒墻體截面規(guī)格見表3。

核心筒墻體截面規(guī)格 表3

2.4 伸臂桁架與環(huán)帶桁架

本工程結合避難層/設備層，在27層、27夾層和51層、51夾層設置伸臂桁架和環(huán)帶桁架，與型鋼混凝土柱、核心筒形成多重抗側力體系，增強結構的整體性，發(fā)揮外框架柱抗傾覆的作用，從而顯著提高了結構的側向剛度。加強層高度均為8.4m。伸臂桁架弦桿與腹桿均采用箱形構件，環(huán)帶桁架弦桿采用H型鋼構件，腹桿采用箱形構件，構件截面規(guī)格見表4，材質均為Q420GJC。

伸臂桁架與環(huán)桁架截面 表4

在水平力作用下，伸臂桁架根部受力集中。兩個方向的伸臂桁架均需延伸至核心筒墻體內部，故此多個構件交匯于外墻的角部。由于桁架板件厚度較大，而上部墻體厚度相對較薄，節(jié)點加工制作難度很大，通常需要采用鑄鋼件。

本工程進行節(jié)點設計時，伸臂桁架箱形構件在端部僅保留腹板，逐漸收窄構件寬度，適當加大腹板厚度、在雙腹板之間設置連接板，方便桁架插入核心筒外墻和澆筑混凝土。此外，還通過采用鋼板二次微彎制作工藝，將與墻體夾角較大的桁架桿件貫通，另一方向桁架桿件焊接在貫通構件之上。采用焊接工藝代替鑄鋼件后，可以顯著節(jié)約造價，縮短工期。伸臂桁架與核心筒的連接構造如圖5所示。

圖5 伸臂桁架與核心筒的連接構造

2.5 基礎

本工程地下室埋深約15.7m。塔樓主要結構構件盡量采用高強、高性能材料，減輕結構自重，減小水平地震作用與地基壓力。

塔樓采用樁-筏基礎，綜合考慮核心筒剪切、沖切、受彎鋼筋配筋率以及差異沉降控制等因素，塔樓底板厚4.0m，混凝土強度等級為C40。鉆孔灌注樁樁徑為1 000mm，采用后注漿工藝，混凝土強度等級為C45。樁端持力層為層細砂層或層粉質黏土[4]，樁長45m，單樁豎向抗壓承載力特征值12 500kN。結構封頂時，核心筒實測最大沉降量為65mm，塔樓中點與邊框柱的沉降差小于筏板寬度的1/2 000。塔樓基礎平面布置如圖6所示。

圖6 塔樓基礎平面布置圖

3 結構設計參數(shù)與抗震性能目標

3.1 結構設計參數(shù)

銀川為高烈度區(qū)，且風荷載較大，精準確定與結構側向剛度相關的計算參數(shù)非常關鍵。結構設計采用的主要參數(shù)見表5。連梁較早發(fā)生損傷，進行塑性耗能，剛度顯著退化，通過小震與中震作用下的時程分析，可以確定連梁的剛度折減系數(shù)與等效附加阻尼比[5]。與H型鋼梁相比，H型鋼梁-現(xiàn)澆混凝土板組合梁在跨中抗彎剛度可增大2～3倍以上，但組合梁在框架柱附近的負彎矩區(qū)，受混凝土開裂影響，抗彎剛度僅能增大10%左右，因此需要根據(jù)組合梁正、負彎矩區(qū)的長度綜合確定中梁剛度放大系數(shù)[6]。

塔樓主要結構構件的抗震等級：核心筒地上各樓層、地下1層和地下1層夾層均為特一級，地下2層為一級，地下3層為二級；外框架地下1層、地下1層夾層、底部加強區(qū)、加強層及其相鄰層均為特一級，其余地上樓層為一級，地下2層為一級，地下3層為二級；框架梁地下1層、地下1夾層、地上各樓層均為一級，地下2層及以下為二級。

結構設計主要參數(shù) 表5

3.2 抗震性能目標

根據(jù)塔樓結構構件在地震作用下的受力特點與重要性，采用的抗震性能目標如表6所示。

4 主要計算結果

4.1 計算軟件與計算假定

采用YJK軟件進行塔樓小震與中震下的計算分析，采用ETABS軟件進行校核計算與彈性時程分析，采用SAP2000軟件進行塔冠結構專項分析，采用PERFORM-3D軟件進行罕遇地震下彈塑性時程分析。塔樓豎向構件連續(xù)，主要樓層樓板完整。在進行整體結構分析時，除加強層頂、底樓板外，均采用剛性樓板假定；在進行構件內力計算時，采用彈性樓板假定。

塔樓結構構件的抗震性能目標 表6

塔樓X向剛重比為2.483，Y向剛重比為2.324，均大于1.4，滿足整體穩(wěn)定性要求；但剛重比小于2.7，需要考慮重力二階效應的影響。

塔樓X向地下1層與首層的剪切剛度為4.436，Y向地下1層與首層的剪切剛度比為5.578，地下室頂板滿足對上部結構的嵌固要求。因此，在進行彈塑性時程分析時，僅考慮首層及以上樓層的計算模型，采用瑞利-里茲阻尼，阻尼比為0.04。

4.2 結構動力特性

計算時取用前30階振型。YJK軟件得到的前3階振型模態(tài)和前12階振型相應的周期如圖7和表7所示。扭轉周期與平動周期比Tt/T1=0.581<0.85，滿足抗震規(guī)范要求。X向與Y向的振型質量參與系數(shù)分別為99.91%及99.90%，滿足振型質量參與系數(shù)不小于90%的要求。

圖7 塔樓的前3階振型模態(tài)

4.3 結構側向變形

在多遇地震和風荷載作用下，分別計算了X向、Y向、45°和135°方向塔樓的最大層間位移角。塔樓結構在X向地震下的最大層間位移角為1/516，風荷載下的最大層間位移角為1/553；Y向地震下的最大層間位移角為1/508，風荷載下的最大層間位移角為1/503；45°方向地震下的最大層間位移角為1/531，風荷載下的最大層間位移角為1/522(45層)，135°方向地震下的最大層間位移角為1/529，風荷載下的最大層間位移角為1/529，均滿足抗震規(guī)范不大于1/500的要求。結構X向和Y向的最大層間位移角如圖8所示。在多遇地震作用下，連梁的變形角小于主體結構相應樓層的層間位移角[7]。在各方向地震作用下，大部分樓層外框架分擔的剪力大于8%。

結構自振周期與振型 表7

圖8 結構最大層間位移角

根據(jù)抗震規(guī)范，選取3組地面強震加速度記錄作為非線性動力時程分析的地震輸入，其中2組為與設計目標反應譜相符的真實強震地面加速度記錄(天然波1、天然波2)，1組為與設計目標反應譜相符的人工模擬地面加速度時程(人工波1)，峰值加速度均為400gal。

根據(jù)抗震規(guī)范相關要求，進行計算分析時，每一組地震記錄分別進行雙向輸入，X，Y兩個方向峰值加速度的比值為1.0∶0.85。地震波主方向相應的最大層間位移角如圖9所示。由圖可知，各地震工況作用下各樓層最大層間位移角均未超過抗震規(guī)范限值1/100，結構在大震作用下的彈塑性變形可以滿足抗震規(guī)范要求。在罕遇地震作用下，底部和加強層墻肢塑性發(fā)展程度不高，底部和加強層少數(shù)柱進入塑性，但小于LS水準；少量框架梁屈服，但小于LS限值，伸臂桁架基本處于彈性狀態(tài)。下部連梁的最大變形角顯著大于整體結構的最大層間位移角，連梁塑性發(fā)展充分，說明其損傷較為嚴重[7]。

圖9 地震波主方向相應的最大層間位移角

4.4 中震下墻肢拉應力

計算墻肢拉應力時考慮型鋼和鋼板的作用，按彈性模量折算得到墻肢的名義拉應力：

(1)

式中：σ為墻體的拉應力；N為中震(不屈服)作用下墻肢的拉力值；As和ρ為分別為構件鋼板、型鋼面積和含鋼率；bw與h分別為墻肢的厚度與長度；Es和Ec分別為鋼材和混凝土的彈性模量。

塔樓核心筒外墻編號如圖10所示。在設防烈度雙向地震作用下，核心筒外墻墻肢的名義拉應力如圖11所示。由圖可知，首層核心筒角部墻肢名義拉應力的最大值為9.67MPa，中部墻肢名義拉應力的最大值為9.47MPa。隨著樓層位置增高，名義拉應力迅速減小，8層及以上樓層名義拉應力的最大值小于2ftk。

圖10 核心筒外墻編號

圖11 核心筒外墻在中震作用下墻肢的名義拉應力

4.5 風洞試驗與舒適度驗算

為了確定結構設計風荷載與頂部樓層的風致加速度，在RWDI公司位于加拿大安大略省的2.4m×2.0m邊界層風洞中進行了風洞試驗，縮尺模型比例為1∶500[8]。測試范圍包括塔樓周圍580m半徑范圍內地貌與建筑物，風洞試驗模型如圖12所示。

圖12 風洞試驗模型

根據(jù)荷載規(guī)范附錄J，計算得到塔樓順風向頂點最大加速度為0.073m/s2，橫風向頂點最大加速度為0.176m/s2，滿足我國高規(guī)辦公樓加速度不大于0.25m/s2的舒適性要求。根據(jù)RWDI的分析結果，南塔樓56層10年重現(xiàn)期的加速度為0.19m/s2，滿足ISO 10137∶2007[9]對住宅和辦公建筑風振加速度的要求。

5 鋼板組合剪力墻

5.1 鋼板組合剪力墻構造

塔樓結構高寬比較大，在設防烈度地震作用下，核心筒下部墻肢出現(xiàn)較大的拉應力。在下部8層高度范圍內設置鋼板組合剪力墻，以提高鋼筋混凝土墻體的抗拉與抗剪承載力，且可有效提高結構的延性，減小墻體厚度。

與僅在墻體中設置型鋼相比，鋼板組合剪力墻中板厚較小，較小板厚鋼材的強度較高，可以減小用鋼量。但對于厚度較大的組合剪力墻，鋼筋與鋼板連接構造復雜，穿孔削弱鋼板截面，施工難度較大。此外，鋼板與兩側混凝土的整體共同工作性能也應受到高度重視[10]。

在銀川綠地中心鋼板組合剪力墻設計時，鋼板與型鋼間隔布置，以提高施工階段鋼板的面外穩(wěn)定性，減小鋼板厚度，提高鋼材的利用率。利用較長的錨筋代替部分普通栓釘，通過鋼筋連接器與鋼板連接，在錨筋端部設置螺母提高錨固能力。長栓釘?shù)睦Y作用可以顯著增強鋼板與兩側混凝土的整體性；長栓釘代替貫穿鋼板的拉筋，可以減小鋼筋孔對鋼板截面的削弱，提高鋼材的利用率，同時避免拉結鋼筋施工困難的問題，施工難度較小，易于保證質量。鋼板組合剪力墻的構造如圖13所示。

圖13 鋼板組合剪力墻的構造

5.2 鋼板組合剪力墻拉彎承載力計算方法

根據(jù)我國現(xiàn)行《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)[11]，中震時出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構件應采用高規(guī)中特一級構造，中震時雙向水平地震下，墻肢全截面由軸向拉力產(chǎn)生的平均名義拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設置型鋼承擔拉力，且平均名義拉應力不宜超過兩倍混凝土抗拉強度標準值。此時可按彈性模量換算考慮型鋼和鋼板的作用。當全截面型鋼和鋼板的含鋼率超過2.5%時，平均名義拉應力可按比例適當放松。

在中震作用下，可按照小偏拉組合構件進行墻肢承載力計算[12]。為了表征鋼板混凝土剪力墻承受軸向拉力的特性，參照受壓混凝土構件抗震設計方法，忽略混凝土對抵抗軸向拉力的貢獻，將剪力墻在中震作用時承受的拉力與鋼材抗拉承載力之比作為構件的軸拉比nt：

(2)

式中：fp為鋼板強度設計值；Ap為鋼板的截面面積。

在清華大學教育部重點實驗室進行7個鋼板組合墻縮尺模型的拉彎試驗[13-14]。試驗結果表明，當軸拉比不大于0.6時，鋼板組合剪力墻具有良好的抗震性能。因此，在本工程進行中震作用下墻體小偏拉設計時，鋼板組合墻按照軸拉比不大于0.6控制。

配置長短栓釘鋼板組合剪力墻現(xiàn)場施工情況如圖14所示。由于充分發(fā)揮了組合構件拉彎承載力高的優(yōu)勢，取得了良好的技術經(jīng)濟效果。

圖14 配置長短栓釘?shù)匿摪褰M合剪力墻施工情況

6 多連梁

6.1 多連梁的構造形式

在超高層結構中，連梁的截面尺寸對結構側向剛度影響很大。增大連梁的高度，連梁承受的剪力隨之增大，無法滿足剪壓比要求，構件變形能力與耗能均變差，難以實現(xiàn)“強剪弱彎”的變形機制。減小連梁高度將導致結構側向剛度不足[15-16]。

在核心筒建筑門洞的位置，可以利用門洞上方的高度設置雙連梁，連梁之間的空隙可供設備管線通過。此外，為了避免結構中的墻肢過長，通常在長剪力墻的中部設置結構洞口。沿樓層高度均勻布置多個連梁取代傳統(tǒng)的單連梁，令多個連梁的抗彎剛度之和與單連梁的抗彎剛度相等，剪力墻結構的側向剛度保持不變。多連梁中各連梁的截面高度小于單連梁，但其面積之和顯著大于單連梁，使得連梁的抗剪能力大大提高。隨著連梁截面高度減小，連梁的跨高比隨之增大，可以顯著改善連梁的變形能力與耗能能力，減小結構在罕遇地震作用下的層間位移角[17]。多連梁的構造形式如圖15所示。

圖15 多連梁的構造形式

6.2 多連梁設計方法

在進行剪力墻多連梁設計時，令多個連梁的抗彎剛度與普通單連梁的抗彎剛度相等。

EcI1=i·EcIi

(3)

式中I1與Ii分別為普通連梁(單連梁)和多連梁的截面慣性矩，i=2，3，…。

連梁的跨高比通常較小，在確定梁端部彎矩M與轉角θ的關系時，需要考慮剪切變形的影響。根據(jù)連梁端部的彎矩，可以得到連梁的剪力。當多個連梁的抗彎剛度之和與普通連梁相等時，在水平荷載作用下塔樓墻肢的轉角沿高度基本保持不變，通過假定多個連梁梁端彎矩之和與普通連梁梁端彎矩相等，可得多連梁中各連梁截面高度與普通梁高度的關系如下：

(4)

式中βi為剪切變形影響系數(shù)，βi=3.0(hi/ln)2(i=1，2，3，…)，其中hi和ln分別為連梁的高度與跨度。

多連梁技術在銀川綠地中心塔樓設計中得到應用，對于采用單連梁無法滿足剪壓比要求、損傷程度較大的部位，采用多連梁代替單連梁，取得了良好的效果。多連梁施工現(xiàn)場的情況如圖16所示。

圖16 多連梁的應用情況

7 項目建設情況

本項目建設單位是綠地控股集團有限公司。建筑概念方案由約翰·波特曼建筑設計事務所完成。北塔結構初步設計由美國H+P結構事務所完成，南塔初步設計由中國建筑設計研究院承擔，正式抗震超限審查報告和施工圖設計均由中國建筑設計研究院完成。項目總承包單位為中鐵城建集團有限公司，中冶建工集團有限公司和中國建筑第二工程局有限公司分別負責南、北塔的鋼結構深化，塔樓施工現(xiàn)場照片見圖17。項目于2016年7月完成超限審查，2017年全面開工建設，2019年5月結構封頂。

圖17 塔樓施工現(xiàn)場

8 結論

通過銀川綠地中心超高層雙塔結構設計，可以得到如下結論：

(1)301m雙塔地處高烈度區(qū)，風荷載較大，采用框架-核心筒+2道伸臂桁架/環(huán)帶桁架結構體系，準確取用結構計算參數(shù)，并采取了多種抗震加強措施，在多遇地震與罕遇地震作用下，塔樓可以達到預期的抗震性能目標。

(2)通過厚板多次微彎制作工藝，并采用焊接工藝實現(xiàn)了伸臂桁架與核心筒角部復雜節(jié)點的加工制作，避免了采用大型鑄鋼節(jié)點。

(3)塔樓底部樓層采用鋼板組合剪力墻，通過配置長短栓釘，避免鋼筋孔造成鋼板削弱，提高了厚剪力墻的整體性。

(4)在中震作用下，鋼板組合剪力墻按照小偏拉構件進行承載力計算，軸壓比不大于0.6，有效減少了鋼材用量。

(5)建筑門洞與結構洞口受力集中的部位，通過采用多連梁技術，有效解決了連梁在地震作用下剪壓比難以滿足要求的問題。