免责声明：原文来自第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文《佛山苏宁地标塔楼结构抗震设计》作者：李力军，吴伟河等

[摘要] 佛山苏宁地标塔楼建筑高度318m，结构屋面高度264.790m，采用带加强层的框架-核心筒混合结构体系，为超B级高度超限高层。本文介绍了该工程结构体系的特点、抗震性能化设计原则和方法、整体计算结果及罕遇地震作用下的动力弹塑性分析结果。对设计中的一些关键问题，包括结构的稳定性评价、非荷载作用下的变形分析、BIM应用等进行了描述。 [关键词] 超高层混合结构；抗震性能化设计；弹塑性时程分析；加强层；BIM应用

1 工程概况

佛山苏宁广场由四组建筑群体环绕中央下沉广场组成。北侧为购物中心，南侧至地块中心为三层高步行商业街建筑物及空中连廊，西侧总部办公大楼，东侧为地标塔楼。地标塔楼地下3层，地上63层，建筑高度318m，结构屋面高度264.790m。建筑效果如图1所示，典型办公及酒店平面如图2所示。

建筑结构安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g,Ⅲ类场地，场地特征周期为0.45s。50年一遇基本风压为0.50 kN/m2。

塔楼部分结构采用了由钢筋混凝土核心筒，带有腰桁架（帽桁架）的外框架及构成核心筒与外框架之间相互作用的伸臂桁架组成的结构体系，共同抵抗水平地震及风荷载，提供必要的侧向刚度，满足层间位移的要求。腰桁架沿塔楼高度均匀分布，整合避难及设备层，分别设于22、38及55层。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)的规定，混合结构在7度地震区最大适用高度为190m，工程高度超过规范限值76%，为高度超限的高层建筑结构[1]。

2 主楼结构设计

主楼采用带加强层的框架-核心筒结构体系，如图3所示。钢筋混凝土筒体作为主要的抗侧力结构，承担绝大部分的地震作用，外围主要承受竖向荷载及倾覆力矩，仅承受小部分水平荷载，作为抗震第二道防线，形成双重抗侧力结构体系。

核心筒分为内外筒，在22层，取消外筒，角部剪力墙升至38层，内核心筒通高设置。核心筒混凝土强度等级C60~C40，主要厚度750mm~350mm。为保证核心筒的抗震性能，在核心筒角部两侧设置上下贯通的型钢，楼层处沿混凝土墙体设置暗梁，大洞口连梁设计成钢骨混凝土梁。

外为配合建筑总体布置的要求，大部分外框柱跟随外立面轻微的倾斜，倾斜角度约为2度。采用钢管混凝土柱可增加框架的延性及轴向刚度，同时亦可减少柱截面从而提高使用率，以节省建筑材料及资源，并减轻结构的自重。钢框梁与外框柱刚接,而楼面梁均与外框柱刚接，与核心筒铰接。在38层设置一道一层高V型伸臂，伸臂桁架伸入并贯通核心筒墙体。桁架上下弦杆均伸入心筒墙体内，与墙内型钢柱可靠连接，并在核心筒内设置斜腹杆，确保伸臂桁架与核心筒的刚性连接。利用外框柱的轴向刚度来增加结构的整体抗弯能力，从而提高结构的抗侧刚度，满足层间水平侧移的要求。腰桁架沿塔楼高度均匀分布，加强外框竖向构件的联系，使得竖向构件协同工作，有效减少外框柱的剪力迟滞效应。顶层设置帽桁架，可以大大加强高区抗侧力刚度，更有利减少顶点位移，同时也可减少重力荷载、温度、徐变产生竖向变形差。

楼板系统采用钢梁、钢筋桁架楼承板（核心筒内采用混凝土楼板)组成的楼板系统。

3 地震动参数及抗震性能目标

不同多遇地震作用下的基底剪力和倾覆力矩的比较结果见表1，可以看出，小震时，采用安评反应谱计算的地震反应比规范反应谱略大。结合超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点的相关要求，小震采用安评反应谱，中震和大震采用规范反应谱。

本工程存在高度超限、部分楼板不连续和竖向刚度突变，根据本工程的超限情况，以及与业主的沟通结果，选定本工程的抗震性能目标为C级[2]，结构抗震性能水准选择如下：多遇地震下满足性能水准1要求；设防地震下关键构件及普通竖向构件满足性能水准3要求；罕遇地震下至少满足性能水准4要求，各性能水准结构预期的震后性能状况见表2。

主楼地上钢筋混凝土筒体及加强区间钢管混凝土柱抗震等级均为特一级，非加强区间钢管混凝土柱抗震等级为一级，钢框架梁抗震等级为三级。

根据持力层条件，采用旋挖钻孔灌注桩基础，桩径1.4m，以稳定连续的微风化岩作桩端持力层，桩端进入持力层深度不小于6.5m，桩长24~28m。由于持力层中或微风化岩风化不均匀，而且软硬夹层发育，岩面起伏变化较大，须适当加大桩端嵌岩深度。桩基础施工时配合桩位超前钻探，进一步查明桩端持力层的完整性及连续性。

4 结构计算分析

采用盈建科YJK（版本号：2013.1.4.3）作为主要弹性计算分析软件， ETABS（版本号：9.2.0）作为辅助软件进行分析校核。采用振型分解反应谱法计算结构在多遇地震和风荷载作用下的内力和位移，并采用弹性时程分析法进行小震下的补充验算；采用ABAQUS软件进行罕遇地震下的弹塑性变形验算分析。

4.1.小震下弹性计算

YJK与EATBS计算的前十阶模态基本一致，YJK分析时，结构前三阶振型分别为：T1=5.89s(Y向)，T2=5.79s(X 向)，T3=2.46s(扭转)，结构的第一扭转周期与第一平动周期之比为0.42，结构扭转效应小，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第4.3.5条以及第9.2.5条中关于周期比的要求；同时，第一自振周期的扭转成分为5%，小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第9.2.5条中关于扭转成分的要求,且结构前三阶振型中未出现扭转与平动显著藕连的振型，表明结构扭转效应小。地震作用下结构层间位移角和位移比结果见图4。地震作用下，结构层间位移小于规范中1/500的要求。结构在考虑偶然偏心作用下的X、Y向位移比均小于1.2，结构抗扭转性能较好。

对于地标塔楼的弹性动力时程分析，根据抗震规范要求，在波形的数量上，将采用5组天然和2组人工合成的加速度时程波。在波形的选择上，在符合有效峰值、持续时间等方面的要求外，满足底部剪力及高阶振型方面的相关要求。弹性时程分析所得的基底反力计算结果如表3所示。7组时程曲线主方向作用下的基底剪力基本处于65%～135％之间，且平均值处于反应谱的80%～120%之间，满足规范的各项要求。

4.2.风荷载计算

塔楼整体位移控制采用50年重现期的风荷载，构件强度采用100年重现期的风荷载进行设计和校核，计算舒适度时采用10年重现期的风荷载。委托广东省建筑科学研究院进行本工程主要风洞试验，委托试验内容包括提供主体结构设计风荷载及给出塔楼最高楼层的风致加速度,根据建筑功能进行舒适度评估。采用的风洞试验方法为：风洞动态测压试验。

根据风洞实验，塔楼顶部使用楼层高度处，X向加速度为0.105m/s2，Y向加速度为0.107m/s2，小于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3–2010第3.7.6条，结构顶点最大加速度限值0.25m/s2的要求。按规范计算的风荷载大于风洞试验结果，因此设计中偏于安全的选用了规范风荷载作为设计风荷载。YJK计算模型中，风荷载作用下,X向层间位移角为1/621，Y向层间位移角为1/583，均大于地震荷载作用下的层间位移角值，风荷载对结构侧移起控制作用。

4.3.大震下弹塑性时程分析

采用非线性分析软件ABAQUS进行动力弹塑性分析。梁、柱及斜撑等杆件采用纤维梁单元，B31梁单元模拟。剪力墙：采用四边形或三角形缩减积分壳单元模拟即S4R及S3单元，分布钢筋利用ABAQUS中的Rebar功能加入到混凝土剪力墙，暗柱采用B31梁单元模拟，与剪力墙单元共用节点。对混凝土构件进行动力弹塑性时程分析，需要较为准确地考虑构件配筋对其承载力和刚度的贡献。 弹塑性分析中的配筋数据均来自 YJK 软件的计算结果及规范构造和设计的要求，ABAQUS 弹塑性模型的配筋参数与实际配筋较为接近。

采用安评报告提供的一条地面设计谱人工波加速度时程记录、两组地面设计谱加速度时程记录（天然波）进行计算，主体结构在三组地震波作用下的最大弹塑性层间位移角X向为1/120，Y向为1/124，均满足规范要求。结构的层间位移角曲线在加强层以及核心筒收进上几层收进处有较大突变，其原因是由于腰桁架、伸臂桁架的加强以及核心筒剪力墙的改变造成结构竖向刚度突变。

剪力墙的塑性发展主要位于核心筒收进部位以上三层（39F、40F、41F)的墙肢，经过多此调整，提高核心筒收进部位以上三层（39F、40F、41F)的含钢率，且在这三层筒体外墙加设斜向交叉的型钢，墙体水平及竖向钢筋配筋率提高至1.0%。按此加强后，在同个地震波作用下，由图5可以看出，该部分剪力墙抗压损伤大幅度减轻，效果很明显。

1~38 层钢管混凝土柱均未出现混凝土受压损伤，亦未见有钢材塑性应变；38层以上钢管混凝土柱出现轻微混凝土受压损伤，但未见钢材塑性应变，外框柱抗震承载力足够。加强层的腰桁架大部分构件未进入屈服状态，只有伸臂桁架以及第三道腰桁架的少部分构件钢材进入塑性，且最大塑性应变3.02e-4远小于2.5e-2，塑性应变较小，可以认为大部分伸臂和腰桁架杆件在大震作用下未进入屈服状态。

5 整体稳定计算

高层建筑结构稳定设计主要是控制在风荷载或水平荷载作用下，重力荷载产生的二阶效应（重力 P-Δ效应）不致过大，以至引起结构的失稳倒塌。结构的刚度和重力荷载之比（刚重比）是影响重力 P-Δ 效应的主要参数。结构计算X向刚重比为2.51，Y向刚重比为2.40，处于[1.4,2.7)区间，符合规范刚重比下限要求，因此重力 P-Δ效应可控制在 15%之内，结构的稳定具有适宜的安全储备。此外，由于该值小于 2.7，根据规范要求，在对结构内力和变形的计算中，考虑了重力二阶效应的不利影响。

弯剪型结构在基本符合假定前提时，整体稳定性验算的结果才是可靠合理的。两个基本假定是: 1) 结构布置竖向均匀相同; 2) 楼层重力荷载竖向均匀分布。将高层建筑假定为竖向均匀的悬臂构件，进行整体稳定验算，实际上存在较大的误差.在计算等效侧向刚度时，倒三角形分布荷载最大值按基底地震剪力和基底风荷载剪力两种方式换算时，也会得出不同的结果。为此，本工程进行了结构的整体屈曲分析。参考以往工程和国内外资料，一般按以下指标进行控制: 1) 整体结构的线性屈曲临界荷载系数大于10； 2) 整体结构考虑初始缺陷和几何非线性的屈曲临界荷载系数大于5[3]。

选取1.0恒载+1.0活载作为屈曲分析每步加载值对整体结构进行线性屈曲分析。其整体弯曲失稳的第1 、2及3阶屈曲因子分别为16.96、18.30和18.96，其失稳整体失稳的屈曲因子均大于10，说明结构在重力荷载作用下不会产生失稳。

几何非线性屈曲分析时，以结构顶点水平位移为结构高度的1/500( H/500=264.79/500=0.530m)为基准，其余节点的变形根据结构第1阶整体屈曲模态的位移形态按比例确定，以此作为初始缺陷,初始工况仍为1.0×恒荷载+1.0×活荷载，做考虑几何非线性的屈曲分析。计算结果表明，整体结构的非线性临界屈曲因子k =12.91＞5，屈曲因子满足控制指标要求。

6 超高层竖向变形问题

混凝土组合结构施工过程由于结构内筒和外框柱材料的差异以及受力的不同，会产生不同的轴向压缩量。对于这种超高层结构来说，核心筒、外框柱的非均匀压缩，不论是弹性的或者是非弹性的(包括混凝土的收缩及徐变)，其影响在设计和施工中均要专门考虑[4]。本项目采用MIDAS Gen软件，依据规范关于混凝土弹性模量变化、徐变和收缩的规定，考虑施工顺序加载、混凝土徐变收缩、竖向构件含钢率等因素，分析计算钢管混凝土柱与核芯筒剪力墙的竖向变形及差异，得出以下结论:

（1）随着结构高度的增加，核心筒竖向变形先变大后变小，符合结构实际的变形规律。结构在主体完成两年后，最大竖向变形大约发生在结构高度的4/5处，约为64mm。

（2）外框架柱的竖向变形与核心筒的竖向变形趋势相同。结构伸臂桁架合拢时刻，最大变形大约发生在结构高度的4/5处，约为101mm。

（3）从核心筒在各个阶段的变形组成比例可以看出，随时间变化，收缩徐变占建筑变形的比例不段增加，伸臂桁架合拢时刻，收缩和徐变引起的总变形约占50%，弹性变形约占50%。主体封顶两年后，收缩和徐变引起的总变形约占56%，弹性变形约占44%。收缩徐变引起的竖向位移不容忽视。

（4）可通过预估的施工顺序，得不同时刻框筒内外竖向变形差随结构楼层高度的变化曲线，施工时按分析预估值进行竖向预调整。

7 BIM应用

本项目采用全专业全过程BIM设计，各专业通过模型进行可视化的协调，解决专业之间协同问题。图6为38层设备层与其他专业间协同模型示意。腰桁架和伸臂等结构加强部位可通过BIM三维模型能直观判断结构构件对其它专业的影响，有利于结构调整计算优化结构布置，使最后结构方案既能满足结构计算的需要又能满足建筑及机电功专业的需求。

结构BIM模型可通过与计算模型的互导生成精确的结构计算模型，其流程如图7所示。首先通过初步计算得到结构竖向构件截面，在REVIT里建立满足建筑功能要求的竖向构件模型；然后通过软件转换接口导入计算软件，在计算模型中完善结构计算模型，优化计算后得到最优的构件截面，再将计算模型通过转换接口导回revit模型；最后在REVIT里完善屋架模型，通过接口互导得到各自最后模型。

本项目结构BIM应用除了专业间协同，还实现BIM在结构专业内利用，包括BIM模型与计算模型的互导、BIM出图，实现了BIM数据向下游方有效传递的，运用了创新的BIM设计协同模式，为业主，设计企业，施工企业创造价值。

8 结论

(1)本项目采用带加强层的框架-核心筒结构体系，可以满足超高层结构承载力、变形控制及稳定性的要求，并且具有较好的经济性。

(2)可通过预估的施工顺序，得不同时刻框筒内外竖向变形差随结构楼层高度的变化曲线，施工时按分析预估值进行竖向预调整。

(3)对超高层结构进行弹塑性分析是必要的。佛山苏宁地标塔楼在完成动力弹塑性分析后，结构仍保持直立，最大弹塑性层间位移角满足规范要求，结构满足“大震不倒”的基本要求，结构整体抗震性能良好。

(4) 采用BIM技术，各专业通过模型进行可视化的协调，解决专业之间协同问题，同时也解决专业内计算模型的精细化及出图问题，提高设计质量。

参考文献

[1] 李力军，吴伟河，陈晓城等. 佛山苏宁广场地标塔楼结构抗震超限设计可行性论证报告[R]. 广州:华森建筑与工程设计顾问有限公司，2014.

[2] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[3] 王国安，高层建筑结构整体稳定性研究[J].建筑结构，2012，42(6):127-131.

[4] 周建龙，闫锋，等.超高层结构竖向变形及差异问题分析与处理[J].建筑结构，2007，37（5)：100-103.

免责声明：原文来自第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文《佛山苏宁地标塔楼结构抗震设计》作者：李力军，吴伟河等，版权归原作者所有，本次仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！

系统节能门窗品牌

高端隔音门窗

隔热门窗品牌

高端门窗