［择要］ 西安绿地中央A 座超高层建筑塔楼高270m，采取钢管混凝土框架+ 伸臂桁架+ 型钢混凝土核心筒稠浊构造形式。该建筑高度超限，且地处8 度区Ⅲ类园地这样的不利园地条件，构造外框架柱距大，建筑立面切角导致角柱不能竖向贯通，二道防线浸染较弱。针对工程特点，重点磋商了从构造选型、构造支配、布局方法、性能目标及整体打算等方面对塔楼所采纳的加强方法，并进行了设防烈度下构件的承载力剖析及动力弹塑性剖析。结果表明，构造各项指标均比较空想，整体设计知足设定的性能目标哀求。
［关键词］ 超高层构造; 加强层; BＲB 支撑; 钢管混凝土柱; 分叉柱; 型钢混凝土核心筒
西安绿地中央位于西安市高新技能家当开拓区西区，锦业路与丈八二路交汇处，建成后将成为西北第一高楼和西安高新区标志性建筑。该项目由两幢对称的超高层双子塔楼、4 层裙房及3 层地下车库组成。个中A 座超高层建筑用场为办公与商业，塔楼及其附属建筑建筑面积约为17 万m2，地上共57层，建筑总高度为270m，1 ～ 4 层为商业，层高5. 1m; 5 ～ 57 为办公，层高4. 2m。个中塔楼平面西南角从16 层至幕墙顶部建筑立面存在大切角，导致角柱无法竖向贯通。地下室共3 层，为设备机房及车库。根本埋深为19m，地基根本设计等级为甲级。图1 为工程建筑立面效果及剖面图，范例构造平面见图2。
工程的设计基准期为50 年，构造安全等级为二级，抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度为0. 2g，设计地震分组为第一组，园地种别为Ⅲ类，园地特色周期为0. 45s，抗震设防种别为丙类。50 年
图1 建筑效果图及剖面图
一遇基本风压取w0 = 0. 35 kN/m2，地面粗糙度为B类，构造体型系数、风压高度变革系数、风振系数等
图2 范例构造平面
均按照《建筑构造荷载规范》( GB 50009—2012) ( 简称荷载规范) 取值。
2 构造体系塔楼采取钢管混凝土框架+ 伸臂桁架+ 型钢混凝土筒体的稠浊构造体系。个中内筒采取型钢混凝土核心筒，作为塔楼紧张抗侧力构件，核心筒周边墙体厚度随楼层高度增大不断向内收进，核心筒外墙厚度自下而上变革范围为1 250 ～ 600mm，内部墙体厚度自下而上变革范围为800 ～ 400mm。核心筒平面尺寸为21m × 21m，其高宽比达12. 5。核心筒承担了很大的水平及竖向荷载，为构造供应了很大的侧向刚度，其抗震等级取特一级。
外围框架采取由钢管混凝土柱与H 型钢梁组成的钢管混凝土框架，柱间距达10. 5m，形成了范例的稀柱框架。外框架圆钢管混凝土柱截面尺寸自下而上变革范围为1 700 ～ 1 300mm，抗震等级为特一级。圆钢管混凝土柱与外围H 型钢梁刚接，形成构造抗侧力的第二道防线。
由于核心筒面积占塔楼楼层面积比例较小( 仅为楼层面积的23%) ，且外围框架柱距较大，在水平地震力浸染下，构造的抗侧刚度难以知足《高层建筑混凝土构造技能规程》( JGJ 3—2010) ［1］( 简称高规) 的干系哀求，因此，结合塔楼建筑避难层的设置，在构造第29，44 层X，Y 向各设置两道水平伸臂桁架来增加构造的侧向刚度( 图3) 。伸臂桁架采取钢桁架，贯通核心筒与外框柱直接连接，其连接形式采取铰接。同时，为使各外框柱受力均匀，并减小加强层高下楼板翘曲及降落楼板平面内应力，在设置伸臂桁架的同时，在第15，29，44 层避难层外围设置腰桁架( 图4) 。
核心筒与外框柱之间的楼面构造采取钢筋桁架楼承板，楼面梁采取钢梁，通过抗剪栓钉与楼板相连，使楼面形成组合楼盖系统。该组合楼盖系统具有很大的平面内刚度，把塔楼的核心筒与外框架连为一体，在塔楼承受水平荷载时，能够很好地折衷核心筒与外框架之间的变形，使外框架与核心筒共同受力。
图3 核心筒及伸臂桁架图 4 外框体系
3 塔楼超限情形以及设计中存在的问题3. 1 塔楼超限情形
( 1) 塔楼构造高度为248. 5m，高规规定稠浊构造最大适用高度为150m，该塔楼超过高规定限值65%，高度超限。
( 2) 塔楼SATWE 软件弹性打算结果显示，由于两个伸臂桁架加强层的设置，构造竖向抗剪承载力之比: 43 层比44 层为68%， 28 层比29 层为67%，均小于规范规定的75%，构造属于竖向不规则构造。
( 3) 根据塔楼弹性打算结果，其在X 向构造底部剪重比为2. 38%，略小于《建筑抗震设计规范》( GB 50011—2010) ［2］( 简称抗规) 2. 4%的限值。
根据以上剖析结果，塔楼属于高度超限、竖向不规则的繁芜超限构造。
3. 2 设计中存在的问题
( 1) 由于塔楼建筑立面造型存在大切角，使得构造外框角柱在竖向不能贯通，需采纳方法，既能担保构造竖向传力的连贯性，又不至于使构造涌现刚度突变。
( 2) 构造外框架属于范例的稀柱框架，且底部几层层高较大，外框架二道防线浸染较弱，需采纳加强方法增强外框架抗震能力，确保构造整体安全。
4 针对超限情形采纳的技能方法4. 1 塔楼构造采取带加强层的稠浊构造
由于构造高度超限较多，鉴于工程的主要性及繁芜性，应比一样平常构造有更高的延性哀求，同时超高层构造受地震浸染很大，而较小的构造自重对降落构造所受地震浸染效果明显。钢和混凝土稠浊构造有较好的抗震性能和延性。稠浊构造构件也有很高的强度，可使构件的自重较轻，截面尺寸也较小，且稠浊构造的刚度较大，对付掌握构造的位移和舒适度均较为有利。
在第29，44 层设置的伸臂桁架( 图5) 可以提高水平荷载浸染下的外框架柱的轴力，从而增加外框架承担的倾覆力矩，同时减小内核心筒承担的倾覆力矩，它对构造形成的反弯浸染可以有效地增大构造的抗侧刚度。
4. 2 增强核心筒墙体的延性
核心筒墙体承担很大的水平及竖向荷载，作为上部构造抵抗水平荷载的第一道防线，其承载力及延性对全体构造的安全起着至关主要的浸染。因此针对核心筒墙体的延性哀求，采纳了如下技能方法:1) 严格掌握核心筒墙体轴压比，并在核心筒墙体四角及洞口边墙体暗柱内设置型钢柱，在底部加强区楼层处设置型钢暗梁，提高墙体的延性，并掌握在中震时核心筒墙体混凝土在偏拉浸染下的拉应力，避免墙体混凝土过早发生开裂毁坏; 2) 提高墙体约束边缘构件设置范围，约束边缘构件延伸至轴压比≤0. 25 的高度，并根据专家审查见地，在核心筒四角全高设置约束边缘构件; 3) 按照大震不屈服掌握剪力墙的受剪截面，避免核心筒墙体在大震下发生剪切脆性毁坏; 4) 核心筒周边洞口连梁采取双连梁，提高连梁抗震承载能力，避免涌现小跨高比的连梁易发生的剪切毁坏。
塔楼高度超限，核心筒面积占楼层面积较小，核心筒墙体作为构造第一道防线在设防烈度地震浸染下将涌现较大拉应力，此时应掌握核心筒墙体名义拉应力不超过2ftk( ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值) 。构造底层核心筒墙体编号如图6 所示，构造底层核心筒墙体名义拉应力验算结果如图7 所示，从图中可以看出，底层核心筒墙体在设防烈度地震下名义拉应力均小于2ftk。
4. 3 增强外框架二道防线的抗震能力
鉴于外框架柱的主要性及其延性哀求，外框架柱采取抗震性能较好的圆钢管混凝土柱。由于构造外框架柱距达10. 5m，在底部4 层( 层高5. 1m) 外框架分担的地震剪力占构造底部总剪力的比值仅为4% ～ 6%，外框架抗震承载能力较弱。为提高构造外框架的抗震承载能力，在不影响建筑立面效果及利用功能的条件下，在塔楼底部四层及地下1 层外框架四角设置BＲB 支撑( 图8) 。外框架BＲB 支撑的设置使得外框架作为二道防线的抗震能力大大提高，底部4 层外框架所分担的地震剪力的比值提高到20%以上，知足高规的哀求。
同时，上部构造楼层外框架采取钢梁与外框架柱刚接，外框架所分担的地震剪力占底部总剪力的8% ～ 14%，为担保二道防线具有一定的抗震能力，取外框架所分担的地震剪力不小于构造底部总地震剪力的20%及框架部分楼层地震剪力最大值( Vmax)1. 5 倍中的较大值进行调度［3］。在1. 5Vmax的选择中忽略加强层及高下楼层剪力突变的影响，只选择普通楼层进行比较调度。
4. 4 在建筑立面大切角处采取分叉柱
塔楼在16 层以上建筑立面造型上有大切角，使得构造外框架角柱在竖向不能贯通。构造在大切角位置处采取分叉柱( 图9) ，既知足建筑立面造型哀求，同时又保障构造竖向构件传力的连续性。分叉柱处仍采取钢管混凝土柱。鉴于分叉柱节点处布局及受力的繁芜性，同时要知足强节点、弱构件的设计哀求，对分叉柱节点用ABAQUS 软件进行建模分
析，应力剖析结果如图10 所示。从图中结果可知，当节点达到极限状态发生屈从时，屈从点涌如今杆件根部，分叉节点处并未屈从，可知该节点布局能够知足强节点的哀求。
4. 5 风荷载及地震浸染取值
对塔楼所在园地进行地震安全性评价，根据园地安评报告对塔楼进行打算，并将打算结果与抗规结果进行比拟，取个中不利的一构成果作为构造小震设计依据，打算比拟结果如图11 所示。通过比较可知，构造在受多遇地震浸染时，其承载力为抗规所规定的地震浸染掌握。
因塔楼超高，属于对风荷载敏感建筑，为验证风环境对构造的影响，进行了风洞试验，并将风洞试验结果与荷载规范风荷载进行比较，取较大值作为风荷载设计依据，比较结果见图11。从比较结果可以看出，构造在受风荷载浸染时，其承载力为荷载规范所规定的风荷载掌握。
通过以上比较结果可以看出，构造在地震浸染下所受楼层剪力远大于风荷载浸染，因此，构造的掌握荷载为地震浸染。
4. 6 对构造关键构件采取性能化设计
由于塔楼超限较多，鉴于构造的主要性和地震的不愿定性，考虑构造在不同烈度地震下刚度、强度以及延性的哀求，对构造不同部位关键构件制订相应的性能目标，采纳性能化设计［1］，详细构造性能目标见表1。
4. 7 采取两种软件进行构造整体弹性剖析
构造整体打算剖析采取了SATWE 及MIDAS Building 两种软件进行打算比拟。打算中考虑重力二阶效应( P-Δ 效应) 、有时偏幸、双向地震浸染，仿照构造的施工顺序; 对构造楼层中有大开洞的楼板及加强层高下楼板按弹性板建模考虑楼板平面内的变形。
多遇地震下，两种软件打算的构造紧张自振周期及振型参与有效质量系数见表2。在风荷载及多遇地震浸染下，构造位移及基底剪力见表3。
从表2、表3 打算结果可以看出，SATWE，MIDAS Building 两种软件打算结果吻合较好，构造第1 旋转周期与第1 平动周期的比值分别为0. 57，0. 63，均小于规范0. 85 的哀求; 构造振型参与有效质量系数均大于90%; 构造在X，Y 向的层间位移角均小于1 /502( 按高规哀求内插得到) ，且有一定的安全储备，最大位移比均小于1. 4，知足高规的哀求。
4. 8 采取弹性时程剖析方法进行多遇地震下构造补
充打算
根据高规规定，采取时程剖析法时，应按建筑园地种别和设计地震分组选用实际强震记录和人工仿照的加速度时程曲线。在地震加速度时程曲线的选择时，紧张考虑所选择的曲线知足本工程园地地震动的频谱特性、有效峰值和有效持续韶光3 个要素的哀求。本工程弹性时程打算时选取5 条天然波和2 条人工波，各条波构造基底剪力打算结果见表4，由表可得，7 条波浸染下时程剖析法的基底剪力均大于反应谱法的65%，均匀值大于反应谱法的80%，知足高规哀求。
5 设防地震下构件承载力剖析
为了验算构造关键构件在设防地震下的承载能力，进行了设防地震下的构造打算。打算时，考虑构造塑性铰的发展，适当考虑构造阻尼比的增加及连梁刚度的折减; 伸臂桁架加强层高下则不考虑楼板的浸染; 不考虑风荷载的浸染、不考虑与抗震等级干系的内力调度系数。中震弹性打算时，构件材料强度取设计值，中震不屈服时，构件材料强度取标准值。构造底部加强部位范例墙肢及外框架柱在设防地震下承载力复核结果如图12 及图13 所示。从图中可以看出，构件所受内力均在其承载力包络曲线以内，构件在设防地震下承载力均知足所设定的性能目标的哀求。
6 罕遇地震下动力弹塑性时程剖析弹塑性时程剖析采取MIDAS Building 软件，动力弹塑性剖析方法利用Newmark-β 的直接积分法，各剖析韶光步骤中的构件内力可通过规复力模型得到，每个剖析步骤中都要更新构件的刚度。在模型中墙单元采取纤维模型，纤维模型采取纤维束描述钢筋或混凝土材料，通过平截面假定建立构件截面的弯矩-曲率、轴力-轴向变形与相应的纤维束应力-应变之间的关系。剖析过程中考虑构造几何非线性及材料非线性。
对构造进行其余给定的7 组罕遇地震波双向浸染下的动力弹塑性时程剖析，构造抗震性能总结如下:
( 1) 在完成罕遇地震下弹塑性剖析后，构造仍保持直立，X，Y 向的最大层间位移角分别为1 /109和1 /104，知足抗规中最大层间位移角小于1 /100 的哀求，全体地震过程中未涌现不可规复的整体变形，达到大震不倒的抗震设防目标。
( 2 ) 紧张承重墙
墙肢混凝土塑性发展较为轻微，相对连梁塑性发展较晚，塑性区紧张涌如今加强层附近;墙体中钢筋应力水平均匀( 图14 ) ，仅墙体底部和加强层区域局部涌现少量钢筋进入屈从，剪力墙筒体整体抗震性能良好。
( 3) 钢管混凝土柱在全体地震过程中均处于弹性，未涌现塑性发展。可见，钢管混凝土柱在罕遇地震下性能良好，作为二道防线具有可靠的保障。
( 4) 塑性区首先涌如今连梁，连梁中混凝土涌现开裂、屈从，但未达到极限毁坏，在地震浸染期间起到耗能浸染，有利于整体构造抗震、耐震。
通过以上结果可以看出，构造在罕遇地震下能够实现预期的性能目标，其抗震性能知足高规
的哀求。
7 结语本工程处于高烈度不利园地，而且塔楼高度超限较多、外框架的柱距较大、竖向抗剪承载力突变、核心筒高宽比较大，属于繁芜超限构造。通过选用合理的构造形式，适当地加强布局方法，针对不同部位的关键构件制订合理的性能目标，并经由多遇、设防、罕遇三阶段不同设防烈度地震浸染下的打算剖析可知，构造的各项指标均比较空想，关键构件能够达到预期的抗震哀求，整体设计知足设定的性能目标。
参考文献［1 ］ JGJ 3—2010 高层建筑混凝土构造技能规程［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2011．
［2 ］ GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京: 中国建筑工业出版社， 2010．
［3 ］ 何伟明，刘鹏，殷超，等． 北京财富中央二期办公楼超高层构造体系设计研究［J］． 建筑构造，2009，39( 11) : 1-8．
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