超高层建筑结构案例分析

1、天津高银117大厦建筑高597m，为我国单体面积最大的民用建筑。近日，天津高银117大厦第三道桁架层最后一段巨型桁架上弦3SHJ-11吊装就位，标志着天津高银117大厦第三道即首道双层桁架顺利合龙。本文将介绍天津高银117大厦结构体系和基础设计中的重点问题。 本工程结构设计单位为奥雅纳工程顾问和华东建筑设计院有限公司。奥雅纳工程顾问完成结构方案和初步设计及结构超限审查，容柏生事务所作为项目结构顾问并同时负责第三方弹塑性时程分析。（本工程已于2010年10月通过了全国及天津市超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会的联合审查） 单体面积最大民用建筑单体面积最大民用建筑-高高597m天津天津117大

2、厦结构设计大厦结构设计高银117大厦位于天津市高新区地块发展项目之中央商务区，为一幢写字楼为主附有酒店及相关设施的大型超高层建筑，总建筑面积约37万m2，建筑高度约为597m（至顶部停机坪），地上117层。塔楼平面为正方形，外形随高度变化，各层周边建筑轮廓随着斜外立面逐渐变小，塔楼首层建筑平面尺寸约65m65m（幕墙边），渐变至顶层时平面尺寸约45m45m。中央混凝土核心筒为矩形，平面尺寸约37m37m，主要用作高速电梯、设备用房和服务用房。 1.1.工程概况工程概况结构典型平面布置图 结合工程经济性充分发挥钢与混凝土两种材料的优势，对于外框筒依次考虑了密柱结构（含伸臂桁架和腰桁架加强层）、巨

3、型框架和密柱（人字支撑或菱形撑）、巨型框架（含转换桁架和支撑）结构，最终采用的多重结构抗侧力体系。如下图所示，分别由钢筋混凝土核心筒、带有巨型支撑筒、巨型框架构成的周边结构构成了多道设防的结构体系，提供了强大的侧向刚度，共同抵抗水平地震及风荷载。 2.2. 结构体系布置与构件设计结构体系布置与构件设计 结构体系三维示意图 2.2. 结构体系布置与构件设计结构体系布置与构件设计 多重抗侧力体系示意图 由于建筑方面弱化交叉支撑的视觉效果要求，避免斜支撑及边梁柱相互交叉导致的传力路径不清晰，设计中采取了将斜撑与周边次框架在平面上错开的方案，两者相对独立。 2.2. 结构体系布置与构件设计结构体系布置

4、与构件设计 巨型框架与巨型支撑连接空间示意图 巨型柱位于建筑物平面四角并贯通至结构顶部，在各区段分别与水平杆、转换桁架及巨型斜撑连接。其平面轮廓结合建筑及结构构造连接要求，呈六边菱形，底部截面约为45m2，沿高度并配合建筑要求分多段内收，外侧平齐，顶部楼层约为5.4 m2。 2.2. 结构体系布置与构件设计结构体系布置与构件设计 底部典型楼层45m2巨型角柱截面构造示意 3.1 楼层剪力和剪重比 小震和风荷载作用下底部剪力如下图所示。地震作用为本工程的主控荷载，由于加速度反应谱在长周期段下降较多，计算剪力无法满足剪重比的要求，结构位移和地震内力均需相应调整。3.3. 整体性能弹性分析结果整体性

5、能弹性分析结果 楼层剪力和小震剪重比分布图 3.2 小震弹性时程分析 小震分析采用了七组强震加速度记录作为动力时程分析的地震波输入，下图是小震弹性时程对应地震影响系数曲线与规范对比。在波形的选择上，除有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求外，还要满足底部剪力及高阶振型方面的相关要求。3.3. 整体性能弹性分析结果整体性能弹性分析结果 小震弹性时程对应地震影响系数曲线与规范对比 整体性能评估从弹塑性层间位移角、剪重比、结构顶部位移和底部剪力时程曲线、塑性发展过程及塑性发展的区域来评估。构件评估从构件塑性变形与塑性变形限制值的大小关系，关键部位的关键构件塑性变形情况来对结构进行评估。7条时程波在

6、弹塑性动力分析中，结构整体指标均满足规范1/100的要求。 4.4. 罕遇地震弹塑性时程分析罕遇地震弹塑性时程分析 罕遇地震弹塑性动力时程分析结构整体层间位移角 塔楼共设四层地下室。巨型支撑延伸至地下层1，其余抗侧力结构从上部延伸至地下室并支承于基础筏板。由于上部结构重力荷载大，基础满堂布桩时基础筏板已超出塔楼范围。基础筏板为正方形，边长86.2m，厚度6.5m（初步设计7.5m）。地下室外墙采用地下连续墙，“两墙合一”兼做基坑围护和永久使用阶段的外墙。B1层以下高度在巨柱与核心筒剪力墙之间布置翼墙，使上部传递下来的荷载更加均匀地扩散至筏板和桩基，同时增强筏板的抗冲切承载力。计算分析表明，翼墙

7、承担了巨柱30%的竖向荷载。 5.5. 基础布置基础布置 基础筏板平面 根据规范要求，当采用桩基础时，高层建筑基础埋深一般不小于结构高度的 1/18。实际上，规范的要求是一个经验值，只要满足地基承载力、稳定性要求以及塔楼的整体抗倾覆（基底底面反力不出现零应力区）以及抗滑移要求，埋深要求可适当放松。部分已建成的国内外超高层建筑的基础埋深也反映了这一趋势。 6.6. 基础埋深基础埋深 部分超高层建筑基础埋深 表1工程名称结构高度/m基础埋深/m结构高度/基础埋深上海环球金融中心49221.3523.0天津高银117大厦587.525.8522.7广州西塔4322021.6台北10144822.32

8、0.1香港环球贸易广场48425.519.0上海中心58031.418.4迪拜塔8281555.2希尔斯大厦44213.732.2 从设计、审批、施工可行性以及经济性等几个方面综合考虑，决定采用灌注桩方案。塔楼上部结构荷载分布不均，核心筒区域和4根巨柱竖向荷载较大。在水平罕遇地震作用下，边桩出现拉力。基于土与基础共同作用的桩顶反力分析结果，工程桩采用三种不同纵筋配置的桩型，有效桩长均为76.5m，详见下表。 7.7. 桩型选择桩型选择 工程桩桩型 表2桩型桩数量配筋（HRB400）承载力特征值/kN127724 T4016500246818 T4015000319612 T4013000采用建

9、筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）的等效实体深基础法对桩基沉降进行估算，考虑沉降经验系数后，竖向荷载长期效应组合下基础的最大沉降量约为160mm。为研究上部结构对筏板变形和内力的影响，建立了3个有限元模型，如下图所示。从计算分析结果来看，3个模型的筏板最大沉降值分别为162，132和129mm，最小沉降值分别为41，82和84mm。模型1的最大沉降值以及沉降差（不均匀沉降）是3个模型中最大的，模型2和模型3的筏板沉降曲线分布和最大沉降值差异较小。 8.8. 基础筏板内力分析基础筏板内力分析 不同模型的筏板应力图 塔楼巨柱承担了近50%的上部结构竖向荷载。在水平地震作用下，由巨柱和支撑组成的外筒承担的底层剪力占基底总剪力的65%，底层倾覆力矩占基底总倾覆力矩的80%。典型巨柱在各荷载工况下的轴力分布如图所示。 9.9. 巨柱柱脚构造巨柱柱脚构造 巨柱轴力分布 巨柱是主体结构体系的关键构件之一，因此巨柱的柱脚构造设计尤为重要。巨柱柱脚的设计目标同巨柱，即中震弹性和大震