27-南昌绿地中央广场双塔结构设计研究-岑伟

6 结构抗震性能目标与弹塑性分析
本工程结构高度超过框筒结构最大适用高度 210m，超过规范限值 19%，且存在部分墙体不连续的竖 向不规则等超限情况，根据性能化设计要求，针对不同部分构件的重要性选定主要结构构件的抗震性能目 标。主要竖向抗侧构件核心筒剪力墙底部加强区、斜墙转换部位正截面承载力性能目标达中震弹性，墙体 大震下满足抗剪截面要求，其他部位选定具有一定延性的构件如连梁等允许中震耗能。
第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文 2016 年
南昌绿地中央广场双塔结构设计研究
岑伟11,2，季俊 1,2，陆道渊 1,2，黄良 1,2
（1 华东建筑设计研究院有限公司，2 上海超高层建筑设计工程技术研究中心 上海 200002）
摘 要：南昌绿地中央广场双子塔楼高度 303 米，结构采用钢筋混凝土框架－核心筒双重抗侧力结构体系； 塔楼屋面以上“皇冠”结构高度达 48.5m，采用钢框架-钢核心筒的结构体系。阐述了结构弹性及弹 塑性分析结果，并探讨了塔楼设计的关键问题：由于结构造型复杂及双子塔的复杂风环境，通过风 洞试验确定合理风荷载值；核心筒剪力墙采用切角设计，论述两次墙体斜向转换的研究及解决方案； 为顺应建筑几何形体的变化要求，框架柱采用钢管混凝土叠合柱，找到经济性与实用性的平衡点； 对复杂造型且位于高空的塔冠结构，针对其专项分析特点进行了系统论述。细致的专项分析及设计 研究确保了塔楼设计的安全及合理性。
为了保证结构在大震作用下满足不倒塌的抗震设计目标，判断结构在大震下是否存在薄弱区并评价薄 弱区的薄弱程度，了解结构塑性铰的形成规律，针对性地优化结构布置，采用 PERFORM-3D 非线性结构 分析软件对结构进行了非线性弹塑性分析。
弹塑性分析表明，大震作用下结构最大层间位移比是 0.0039，即 1/256，满足规范 JGJ3-2002-4.6.5 中 对大震时程分析的限值 1/100 要求。大部分连梁达到了屈服变形，进入塑性阶段，如图 5。钢筋混凝土剪 力墙的混凝土纤维中的应变与极限应变的比值选为 0.002，分析结果表明：剪力墙钢筋中的拉应变与屈服
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应变的比值都小于限值；墙中的剪应力与抗剪强度的比值，亦均小于限值。周边框架柱的最大轴向压力为 承载能力的 40％左右，框架柱未出现拉力；框架梁在地震中有屈服，但均不超过防止倒塌的限值。屋顶“皇 冠”钢构件处于弹性。
总之，结构在大震下的反应是可以接受的，结构没有受到严重破坏而倒塌，除了连梁以外，结构大致 保持弹性。连梁的塑性铰的出现很显著，增加了结构消耗地震能量的能力。
位）
截面不屈服。
评价 满足要求 满足要求
7 设计关键问题和对策
7.1 复杂建筑造型及风环境的风荷载确定方法 双塔建筑高度达 303m，平面净距约 50m，形态立面变化复杂，面向赣江；且存在双塔对风流场相互
干扰等复杂风环境情况，风荷载的确定非常复杂[4]。为准确评估塔楼设计风荷载，采用风洞试验进行双子 塔风荷载评估，本项目风洞试验由 RWDI 完成，如图 6 所示。
173900
基底剪重比
Qx/Ge Qy/Ge
0.56% 0.56%
0.57% 0.58%
地震最大 层间位移角
X 向 1/2019 Y 向 1/2175
1/2135 1/2119
风荷载（50 年） X 向 最大层间位移角 Y 向
1/640 1/686
1/817（风洞） 1/716（风洞）
表 2 中数据表明在水平荷载作用下，结构层间位移满足规范要求。风荷载对结构侧移起控制作用。结 构在考虑偶然偏心的地震作用下 X 向、Y 向位移比均小于 1.2，结构扭转性能较好。除底部几层外，结构 的其余楼层剪重比均满足 0.6%的要求。结构 X 向、Y 向刚重比均大于 1.4，满足整体稳定要求，但刚重比 小于 2.7，结构内力和变形分析中考虑 P-△效应。
框架柱抗震等级
取值 Ⅱ类 0.35s 0.05 0.05 一级 一级
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5 整体结构弹性分析
2016 年
结构分别采用 ETABS， SATWE 软件进行整体计算。分析时采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解 反应谱法并考虑偶然偏心影响[3]。塔楼结构计算以地下室顶板为嵌固部位。经计算，主塔楼的第一自振周
在风洞测试中对南、北办公塔楼均进行了模拟并考虑周边的远期发展，为此模拟了两套场地方案：（1） 仅模拟南、北塔楼及周边现有建筑物；（2）在模拟上述建筑物的同时，增加模拟位于场地西侧的一个待建 的 250m 高的塔楼。风荷载计算采用 2%的阻尼比，根据测试结果，两方案结果基本上相同(1%以内)。说明 待建塔楼对两者的影响不明显，可以忽略。
的外围翼墙直接进行传递，根据上述斜墙传力机理，墙体因内倾起斜楼层将产生水平拉力，在斜墙顶部则 产生水平压力，如图 7 所示。
确定以核心筒外翼墙作为平衡斜墙产生水平力的封闭环状结构。为此对核心筒斜墙转换区域采用有限 元进行详细应力分析，如图 8 和图 9 所示。在采用包络荷载且不考虑楼板作用下，未见明显的应力集中， 该区域墙体竖向最大压应力约为 20MPa，最大环向拉应力小于 0.47MPa，设计时为提高墙体抗拉承载力在 核心筒外翼墙起斜处及顶部位置处剪力墙暗柱内分别增设型钢并在环向设置型钢暗梁等办法来予以加强。
3.93E+09
105.6%
基底剪力 Vx [N]
2.70E+07
2.76E+07
102.2%
100 年
Vx 引起的基底弯矩 [N.m] 基底剪力 Vy [N]
4.56E+09 2.70E+07
4.81E+09 2.85E+07
105.5% 105.6%
Vy 引起的基底弯矩 [N.m]
4.56E+09
3 基础设计
双重抗侧力体系
核心筒
外围框架
图 3 主体塔楼结构体系示意图
主体塔楼采用桩筏基础，外框柱采用一柱两桩，核心筒下采用群桩。基桩采用钻孔灌注桩，桩径 Φ1300mm，桩长 14.0~26.5m 左右，采用⑥-3 微风化砂砾岩为桩端持力层，饱和单轴抗压强度标准值为 frk=8.7MPa，单桩承载力特征值为 18000kN（核心筒下）；15500kN（柱下）。核心筒下基础底板厚度为 3600mm，外框柱与核心筒间筏板厚 2600mm，混凝土强度等级为 C40。
图 9 21~23 层墙体转换环向应力
7.3 钢管混凝土叠合柱设计
外框架柱（底板面~28 层）采用钢管混凝土叠合柱。叠合柱由中部钢管混凝土和钢管外钢筋混凝土叠 合而成，塔楼地上部分底部框架柱截面为 Φ1200mm，混凝土强度等级为 C60，内置厚度 28mm、直径 550mm 的圆钢管（图 10）。28 层以上框架柱由钢筋混凝土柱加配芯柱过渡到全部采用钢筋混凝土柱[5]。
关键词：框架－核心筒，风洞试验，斜墙转换，钢管混凝土叠合柱，塔冠结构
1 工程概述
江西南昌绿地中央广场项目是一个集商业、酒店、公寓、办公楼于一体的大型综合性房地产项目。该 项目西临丰合大道，东靠红谷大道，北至会展路，南沿世茂路，总建筑面积达 51.6 万平方米。两栋超高层 双塔楼建筑高度为 303 米，结构大屋面高度为 250 米，地上双塔总面积为 22.5 万平方米，地下总面积为 6.5 万平方米，设三层地下室，地下室部分连成为整体，在塔楼地下各层及首层周边设置沉降后浇带。
图 5 核心筒剪力墙变形情况
其中，剪力墙结构在大震下的性能评价如表 3 所示。
表 3 主要承重构件大震作用下的性能评价
构件分类
大震性能汇总
剪力墙（加强区 底部加强区、加强层形成塑性铰，轻微损坏，一般修理后 与转换加强层） 可继续使用。抗剪截面不屈服。
剪力墙（一般部 其它层形成塑性铰，轻度损坏，修复后可继续使用。抗剪
应的钢管外混凝土分担的轴压力相对较小，易实现具有延性的大偏心受压破坏形态。在轴压力和往复水平
力作用下，柱内钢管的存在延长了柱从屈服到破坏的过程，使叠合柱具有良好的延性和耗能能力。钢管内
4 结构主要设计参数
主塔楼结构的主要设计参数如表 1 所示。
表 1 主塔楼结构的主要设计参数
项目
取值
项目
建筑抗震设防分类
乙类
场地类别
建筑高度类别
超 B 级 场地特征周期 Tg
地基基础设计等级
甲级
弹性分析阻尼比
抗震设防烈度
6度
弹塑性分析阻尼比
抗震措施
7度
核心筒剪力墙抗震等级
设计基本地震加速度峰值 0.05g
期为 5.53s，第二、第三自振周期分别为 5.46s 和 2.17s，T3/ T1=0.39（平扭比）。结构振型与周期示意详见 图 4。层间位移角和首层层间剪力见表 2。
T1= 5.53 s
T2= 5.46s 图 4 结构振型示意
T3= 2.17s
表 2 结构计算主要指标
项目
SATWE
ETABS
地上结构总质量（吨） 170112
2 结构体系
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主体塔楼采用钢筋混凝土框架－核心筒双重抗侧力结构体系，如图 3 所示。 钢筋混凝土核心筒作为主要抗侧力结构体系，作为结构第一道防线，低区为正方形，在 21 层斜向切 正方形四角部核心筒渐变为八边形，在 51 层八边形四角部继续斜向内收核心筒渐变为正八边形，核心筒 角部渐变处通过斜墙进行转换，剪力墙厚度为 1250mm~400mm，混凝土等级为 C60~C50[1]。 抗弯框架作为第二道防线，框架柱低区采用钢管混凝土叠合柱，中高区采用钢筋混凝土柱，框架梁采 用钢筋混凝土梁；外围框架柱的截面尺寸为 Φ1200mm~800mm,混凝土等级为 C60~C50。由于建筑体型的 特殊性——将低区四边形平面四角“捏合”变体为高区“类棱形”平面，故周边框架柱自首层开始至顶层均为 斜柱，从而产生各层结构平面均不相同[2]。 塔楼屋顶以上约 50 米高的“皇冠”由钢结构外框及钢核心筒组成。具体详见下文塔冠部分内容。 主体塔楼的楼、屋盖体系核心筒内、外区域均采用现浇钢筋混凝土梁板。标准层楼板厚度 120mm，核 心筒斜墙转换层楼板厚度 200mm。