1 工程概况

　　 九江国际金融广场位于江西省九江市八里湖新区，包括A1#～A5#楼5栋高层建筑及裙房等，因A1#楼为最高楼，是一栋地上66层、地下4层的超高层建筑，后文主要对A1#楼进行介绍。A1#楼主要功能包括办公、会议、酒店及观光等，A1#楼结构主体高度为299.3m, 地上建筑面积为151 125m²。屋顶设置钻石状塔冠，其塔冠顶标高为308.8m, 塔尖标高为333m, 建成后其高度将成为九江市的城市高度。图1为九江国际金融广场整体效果图。

　　 图1 九江国际金融广场整体效果图 

　　  

　　 A1#楼主楼采用型钢混凝土(钢)框架-核心筒混合结构体系，与裙房设缝脱开，结构外围尺寸沿建筑高度不断收进，在52～61层形成斜柱，核心筒尺寸及刚度随之调整和缩减，核心筒顶部设置消防水箱。地下结构采用混凝土梁板和型钢混凝土柱，地上结构外框架柱采用型钢混凝土柱或钢柱，与核心筒之间采用“钢梁+压型钢板组合楼板”,钢梁与核心筒之间采用铰接；核心筒采用混凝土墙体，梁板采用混凝土。屋顶钻石状塔冠采用圆钢管桁架，根据建筑外观找形，形成折面空间桁架结构。

　　 A1#楼的建筑结构安全等级为一级，设计使用年限为50年，风荷载按风洞试验报告取值，地面粗糙度为A类 ^[1]。抗震设防类别为重点设防类(乙类) ^[2],抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g, 设计地震分组为第一组，建筑场地类型为Ⅱ类 ^[3]。小震、大震作用下的规范场地特征周期T_g分别为0.35,0.40s, 水平地震影响系数最大值α_max分别为0.04,0.28 ^[1,2]。若水平地震影响系数最大值按安评报告取值，小震、大震作用下水平地震影响系数最大值α_max则分别为0.066,0.457。图2为小震规范反应谱和安评反应谱对比图。地基及基础设计等级为甲级，基础设计安全等级为二级 ^[4]。

　　 A1#楼采用的主要材料有：钢结构构件采用Q345GJC,Q345C,Q345B钢材；组合结构柱采用C45～C60混凝土；核心筒墙体采用C40～C60混凝土；混凝土梁、楼板采用C30,C35混凝土；钢筋采用HPB300,HRB400。

　　 图2 小震规范谱与安评反应谱对比图(阻尼比0.04)

　　  

2 结构体系及布置

　　 A1#楼结构高度达到299.3m, 根据塔楼高度及结构平面尺寸，采用型钢混凝土(钢)框架-核心筒混合结构体系 ^[5]。外框架由型钢混凝土柱(钢柱)和钢梁组成。为增强外框结构的整体性和抗侧能力，沿塔楼立面在避难层(21,31,40,50层)布置了4道环带桁架，图3为抗侧力体系构成图，图4为18层结构平面布置图。因塔楼立面收进，框架柱在52～61层形成斜柱，核心筒尺寸随之缩小。

　　 图3 抗侧力体系构成图  

　　  

　　 图4 18层结构平面布置图 

　　  

　　 核心筒外墙厚度为400～1 300mm、内墙(包括墙肢)厚度为300～500mm, 混凝土强度等级为C40～C60。连梁高以800,900 mm为主，受力较大的连梁内设置钢板。核心筒主要墙体厚度见表1。外围框架柱从地下4层至地上51层采用型钢混凝土柱，柱内钢骨采用十字截面，为减缓刚度突变，52层采用钢管混凝土柱过渡，53层及以上采用钢柱，外框架主要框架柱截面见表2。

　　 框架梁及次梁均采用钢梁，典型柱网尺寸为9.9m×9.9m, 外框架梁截面为H900×350×14×32,外框架与核心筒之间的框架主梁截面为H600×200×10×16,次梁截面为H450×200×9×14。

　　 环带桁架杆件均采用H型钢，上下弦杆截面为H900×(500～600)×(30～50)×(30～50),腹杆截面为H(500～600)×(500～600)×(30～40)×(30～40)。

　　 核心筒外楼板采用钢筋桁架楼承板，厚度为120mm, 避难层钢筋桁架楼承板厚为150mm。考虑到楼板需承受拉力，环带桁架上下弦对应楼板厚度为200mm, 核心筒内楼板为现浇混凝土楼板，楼板厚度为110mm。

　　 本工程A1#楼主楼取第⑤₃层(中风化泥质粉砂岩)或第⑥₁层(中风化砂岩与砾岩互层)为桩端持力层，试桩后确定本工程单桩竖向承载力特征值为8 500 kN。主楼范围内基础采用桩上平板筏基，筏板厚度为3 500mm, 混凝土强度等级为C45。

　　 核心筒主要墙体厚度/mm 表1

楼层号	外墙	内墙	墙肢
53层至屋顶	400	400	300
44～52	500	400	300
34～43	600	400	300
27～33	700	400	300
23～26	800	400	300
17～22	900	500	300
13～16	1 000	500	300
4～12	1 100	500	300
2～3	1 200	500	300
地下4层至地上1层	1 300	500	300

 

　　  

　　 外框架主要框架柱截面 表2

楼层号	柱截面尺寸/mm	钢骨尺寸/mm	含钢率
53层至屋顶	口800×800×35×35	—	钢柱
52	口800×800×40×40	—	钢管混凝土柱
43～51	1 200×1 200	♁造700×300× 25×25	4.30%
33～42	1 300×1 300	♁造800×300× 30×30	4.70%
22～32	1 400×1 400	♁造900×400× 30×30	4.97%
18～21	1 500×1 500	♁造1 000×400× 35×35	5.33%
14～17	1 600×1 600	♁造1 100×400× 35×35	4.96%
8～13	1 700×1 700	♁造1 200×400× 40×40	5.26%
地下4层至 地上7层	1 800×1 800	♁造1 300×500× 40×40	5.43%

 

　　  

3 结构超限情况及抗震性能设计

　　 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号) ^[6]规定，A1#楼超限项如下：1)高度超限。规范限值为210m, 本工程塔楼结构屋面高度为299.3m。2)楼板不连续。地上2,3层楼板有效宽度为39.5%。3)刚度突变。设置环带桁架的楼层产生刚度突变。4)承载力突变。抗剪承载力比最小值为0.76。5)穿层柱。底部部分柱为穿层柱。

　　 综上，A1#楼存在5项轻微不规则项，无严重不规则项。根据不同部位构件的重要性，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[5]以及《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[3]的要求，考虑经济性，确定本工程的构件抗震性能目标为C级，见表3。

　　 构件的抗震性能设计目标 表3

构件类型	多遇地震	设防地震	罕遇地震
核心筒	弹性	1)底部加强区及加强层上、下相邻层：正截面承载力不屈服、抗剪承载力弹性；2)其他部位：正截面承载力不屈服、抗剪承载力不屈服	正截面承载力允许进入塑性，抗剪承载力满足截面条件
连梁	弹性	正截面承载力允许进入塑性，抗剪承载力不屈服	正截面承载力允许进入塑性，抗剪承载力满足截面条件
框架柱	弹性	1)底部加强区及加强层上、下相邻层：正截面承载力不屈服、抗剪承载力弹性；2)其他部位：正截面承载力不屈服、抗剪承载力不屈服	正截面承载力允许进入塑性，抗剪承载力满足截面条件
框架斜柱	弹性	弹性	不屈服
框架梁	弹性	正截面承载力不屈服，抗剪承载力弹性	正截面承载力允许进入塑性，抗剪承载力满足截面条件
环带桁架	弹性	拉/压弯承载力弹性	拉/压弯承载力允许进入塑性，但不发生破坏
关键节点	弹性	弹性	不屈服

 

　　  

4 地震作用下结构性能分析

4.1 多遇地震作用下结构性能分析

4.1.1 弹性反应谱分析

　　 A1#楼在多遇地震作用下的弹性反应谱分析地震动参数按安评报告取值，水平地震影响系数最大值为0.066,特征周期为0.35s, 结构阻尼比为0.04,连梁折减系数为0.7,周期折减系数为0.85,振型数为30个。多遇地震作用下的整体结构主要计算结果见表4。

　　 由表4可知，两个计算软件计算出的周期、位移、基底剪力等指标接近，结构周期、刚度指标较好，位移、扭转性能、层刚度比等各项重要指标均满足规范要求。结构第1扭转周期与第1平动周期之比为0.51,考虑偶然偏心最大扭转位移比小于1.2,抗扭刚度好，不考虑双向地震作用。

4.1.2 弹性时程分析

　　 多遇地震作用下弹性时程分析选取安评报告提供的Ⅱ类场地上的5组天然波和2组人工波，计算结果见表5。

　　 从表5可见，各条地震波下的基底剪力均不小于CQC法的65%、不大于CQC法的135%;7组波基底剪力平均值不小于CQC法的80%、不大于CQC法的120%,满足规范要求。

　　 多遇地震作用下计算结果 表4

计算软件		SATWE	MIDAS Gen
结构总质量/t		256 246	250 399
平动周期/s	第1阶	6.669 2 (Y向)	6.729 4 (Y向)
	第2阶	5.677 6 (X向)	5.658 0 (X向)
第1扭转周期/s		3.432 8	3.449 6
地震作用下基底剪力/kN	X向	20 049	19 098
	Y向	19 107	17 757
剪重比/%	X向	0.89	0.90
	Y向	0.85	0.83
地震作用下倾覆 力矩/(kN·m)	X向	3 117 562	3 284 790
	Y向	2 769 265	3 002 701
地震作用下最大 层间位移角	X向	1/1 208	1/1 358
	Y向	1/997	1/1 139
考虑偶然偏心最大 扭转位移比	X向	1.19	1.10
	Y向	1.17	1.01
楼层侧向刚度比值	X向	0.846 3	0.84
	Y向	0.970 5	0.92
楼层抗剪承载力比值	X向	0.76	0.77
	Y向	0.80	0.81
刚重比	X向	2.00	2.05
	Y向	1.56	1.61
首层框架柱承担的 倾覆力矩百分比/%	X向	13.92	13.95
	Y向	12.77	12.82

 

　　  

　　 多遇地震作用下弹性时程分析计算结果 表5

方法	地震波	基底剪力/kN		弹性时程下基底剪力反应谱下基底剪力弹性时程下基底剪力反应谱下基底剪力
		X向	Y向	X向	Y向
时程 分析	天然波1	16 947	14 637	85%	77%
	天然波2	16 710	14 268	83%	75%
	天然波3	15 296	18 284	76%	96%
	天然波4	18 262	17 911	91%	94%
	天然波5	21 846	22 786	109%	119%
	人工波1	14 978	17 888	75%	94%
	人工波2	14 454	14 244	72%	75%
	平均值	16 928	17 146	84%	90%
反应谱	CQC法	20 049	19 107	—	—

 

　　  

4.2 罕遇地震作用下弹塑性时程分析

　　 为实现结构的抗震性能化设计目标，找到结构可能出现的薄弱部位，对A1#楼进行罕遇地震作用下的时程分析。动力弹塑性时程分析采用三维非线性结构分析软件Perform 3D。

　　 在大震弹塑性时程分析过程中，考虑以下非线性因素：1)几何非线性。结构的平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，考虑P-Δ效应。2)材料非线性。直接采用材料非线性应力-应变本构关系模拟钢筋、混凝土的弹塑性特性。3)施工过程非线性。考虑到塔楼在长久荷载作用下竖向变形与一次性加载较为接近，因此不考虑施工模拟。为避免环带桁架受力异常，其腹杆在塔楼一次性加载完成后再进行添加。

　　 计算时选取安评报告提供的5组天然波和2组人工波，按双向地震输入，双向地震输入的地震波峰值比分别为X∶Y =1∶0.85和X∶Y =0.85∶1,地震波主方向峰值139.5gal, 持续时间均为40s。

　　 罕遇地震作用下的弹塑性时程分析计算结果见表6,从表6中发现天然波1、天然波2及人工波1这3条地震波的结构响应较大。图5,6分别为天然波1作用下结构顶点位移时程曲线和基底剪力时程曲线。

　　 罕遇地震作用下弹塑性时程分析计算结果 表6

地震波	方向	天然波1	天然波2	人工波1
最大基底剪力/kN	X 向	58 181	39 706	66 098
	Y 向	78 760	65 736	81 495
顶点最大位移/m	X向	0.377	0.540	0.749
	Y向	0.683	0.412	0.632
最大层间位移角	X向	1/378	1/268	1/253
	Y向	1/282	1/393	1/339

 

　　  

　　 图5 天然波1作用下顶点位移时程曲线  

　　  

　　 图6 天然波1作用下基底剪力时程曲线 

　　  

　　 本工程以结构强度和变形能力小于规定的CP(指构件受到严重破坏，已不可修复使用，但构件尚能承受重力荷载而不倒塌)状态为目标，结构变形能力参照中国规范《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[5]和美国规范ASCE41-06 ^[7],罕遇地震作用下构件的抗震性能目标见表3。

　　 使用Perform 3D软件分析的主要结果如下：1)结构整体性能。结构X向最大层间位移角为1/253,Y向为1/282,满足规范限值1/100要求。2)构件性能。计算结果表明构件均满足表3设定的性能目标，具体如下：剪力墙满足抗弯、抗剪均不屈服；外框柱满足抗弯IO(指构件只受到轻微破坏，无须修复即可继续使用)性能水准，同时满足抗剪截面要求；环带桁架腹杆在罕遇地震作用下不屈服、不屈曲；连梁满足抗弯CP性能水准要求，大部分满足抗剪IO性能水准要求，所有连梁都满足抗剪截面要求；框架梁(均为钢梁)满足抗弯LS(指构件受到显著破坏但不危及生命安全，修复后可继续使用)性能水准要求。

　　 图7 塔冠结构计算模型图 

　　  

5 塔冠钢结构设计

　　 A1#楼顶部设置了钻石形状的塔冠，塔冠设计采用了建筑结构一体化设计，即玻璃直接安装在结构构件上完成建筑找形。根据建筑形态，结构采用圆钢管空间折面桁架体系，作为支撑玻璃屋面及桅杆的主受力结构。

　　 根据室内空间及造型要求，按米字形布置了3榀变截面主桁架，其跨度分别为27.9,34.7,41.7m, 桁架高度取为1.3～3.9m, 高跨比为1/9～1/22 ^[8,9,10],为减小跨度，在核心筒顶部设置支撑；在主桁架之间，沿高度布置了4道环向桁架；主桁架、环向桁架之间采用钻石切面形状的次桁架相连；塔冠顶部敞开，3道主桁架相交处支撑33m高桅杆；为满足下部观光空间的舒适度及节能要求，塔冠下部设置一层玻璃屋面以形成室内空间，其支撑结构搭设在主桁架及核心筒上。图7为塔冠结构计算模型图。

　　 塔冠高度为23.5m, 平面尺寸为28.9m×30.2m, 桁架柱脚位于塔楼周边外框柱顶和核心筒顶部。主桁架多数弦杆截面为ϕ500×20,ϕ351×12,腹杆截面为ϕ180×10,ϕ159×10,桅杆采用变截面圆钢管ϕ(500～1 200)×30。

　　 塔冠结构采用整体结构模型、单独塔冠结构两个模型分别计算，根据计算结果进行包络设计。塔冠风荷载按风洞试验报告结果施加；地震作用下采用反应谱方法计算，塔冠结构单独计算时考虑鞭梢效应，将地震力放大2.5倍；温度考虑升温30℃、降温30℃。计算采用MIDAS Gen软件，单独塔冠结构变形、构件应力计算结果如图8,9所示。

　　 塔冠主体结构支承在塔楼周边的外框柱上，主体结构主桁架根部与塔楼外框柱采用刚接连接，连接节点见图10。

6 针对结构超限采取的措施

(1)提高核心筒墙体延性的措施

　　 1)墙体洞口布置按照均匀对称的原则；2)核心筒抗震等级按特一级设计；3)对抗剪承载力不够的连梁，设置交叉暗撑和钢板以增加其抗剪承载力。

(2)提高外框架延性的措施

　　 1)控制外框架型钢柱轴压比小于0.7,其剪跨比小于2时轴压比取0.65;2)变截面、变标号和建筑墙体截面标号的变化全部错开，减小竖向刚度的突变。

　　 图8 1.0恒荷载+1.0风荷载下结构变形/m  

　　  

　　 图9 构件应力比  

　　  

　　 图10 主桁架柱脚节点 

　　  

(3)针对穿层柱的措施

　　 A1#楼地上2,3层由于楼板开洞形成了穿层柱，为考虑穿层柱的P-Δ效应，通过计算穿层柱的有效计算长度调整柱的内力，并对比其截面的抗弯承载力来进行手工复核校对。

(4)针对加强层的措施

　　 1)计算环带桁架内力，不考虑楼板作用；2)适当增大加强层及上下两层的剪力墙水平分布钢筋；3)环带桁架上下弦对应楼层的楼板加厚为200mm, 楼板配筋双层双向拉通并适当加大；4)对于楼层高度较大导致侧向刚度较小而形成的薄弱楼层，对其地震作用标准值的剪力乘以1.25倍的放大系数。

(5)针对斜柱的措施

　　 1)提高斜柱楼层下一层及51层框架柱的抗震等级到特一级，并控制斜柱楼层在中震、大震作用下的应力比不大于0.90;2)计算斜柱内力，不考虑楼板作用；3)斜柱轴力的水平分力全部由水平钢梁承担；4)对斜柱及与其相连楼层楼板进行受力分析，以明确斜柱的受力特性，并加强楼板配筋。

(6)针对楼板不连续的措施

　　 A1#楼地上2层与3层的楼板不连续，楼板厚度为150mm, 采用双层双向配筋，配筋率不小于0.30%。

7 环带桁架设置方案比较

　　 因本工程所在地抗震设防烈度为6度，场地类别为Ⅱ类，所以地震力较小。在A1#楼的结构设计中，在避难层21,31,40,50层均匀布置了4道环带桁架。因A1#楼为矩形平面，从几何尺寸来看，X向较Y向刚度略大。为保证环带桁架布置方案经济且合理，根据超限审查专家及建设单位的意见，在结构设计中，进行了环带桁架不同布置方案的对比研究。环带桁架的布置仅考虑在Y向设置或同时在X,Y两个方向设置，沿塔楼竖向高度上设置不同的环带桁架数量、改变其构件的截面，对不同的布置方案进行塔楼敏感性及响应分析。本文选取4种典型的环带桁架布置方案：方案1为4道环带桁架，弦杆截面高度为950mm, 腹杆截面高度为600,800 mm; 方案2为4道环带桁架，弦杆截面高度为800mm, 腹杆截面高度为400mm; 方案3为4道环带桁架，仅Y向设置，截面与方案1一致；方案4不设置环带桁架。不同环带桁架布置方案在小震作用下的主要计算结果见表7。

　　 从表7中可看出，各方案基底剪力与倾覆力矩相近，根据试算选出合适的环带桁架构件截面；方案2设置4道环带桁架是较为合理的方案，能有效降低外框柱的材料用量尤其是钢材用量，并能有效减小外框柱截面。

　　 环带桁架的设置数量、位置及方向，对A1#楼等同类超高层建筑的抗震性能影响明显，影响较大的参数为刚重比、抗剪承载力比、剪力调整系数以及周期。环带桁架有利于提高结构的侧向刚度、降低材料用量。但是需要注意环带桁架上下相邻楼层的设计，因为刚度突变，外框架柱的设计需要加强，腹杆应在结构封顶后再行安装或连接。

　　 本工程在避难层设置了环带桁架，对建筑的外立面及功能影响不大，但可以减小外框柱的截面并节约材料用量。在超高层结构设计中，同类项目可以借鉴并采用。

　　 不同环带桁架布置方案小震作用下计算结果 表7

环带桁架布置方案		方案1	方案2	方案3	方案4
刚重比	X向	1.97	1.77	1.63	1.63
	Y向	1.54	1.49	1.50	1.16
抗剪承载力比	X向	0.73	0.83	0.89	0.83
	Y向	0.75	0.84	0.76	0.86
剪重比	X向	0.88%	0.84%	0.83%	0.83%
	Y向	0.84%	0.83%	0.84%	0.81%
剪力调整系数	X向	1.12	1.172	1.195	1.195
	Y向	1.17	1.191	1.183	1.217
周期/s	T1(Y向)	6.72	6.84	6.84	7.84
	T2(X向)	5.73	6.06	6.38	6.38
	Tt(扭转)	3.46	3.75	3.55	3.71
周期比Tt/T1		0.51	0.55	0.52	0.47
层间位移角	X向	1/1 199	1/1 132	1/1 034	1/1 033
	Y向	1/ 987	1/ 955	1/ 961	1/ 741
位移比	X+5%	1.09	1.12	1.08	1.08
	Y+5%	1.09	1.13	1.09	1.08
	X-5%	1.19	1.17	1.19	1.19
	Y-5%	1.15	1.19	1.15	1.14

 

　　 注：+5%为正方向考虑5%的偶然信心；-5%为负方向考虑5%的偶然偏心。

　　  

8 结论

　　 (1)经过对A1#楼结构进行弹性计算和弹塑性计算，发现 A1#楼结构能满足设定的抗震性能目标，可形成预期的多道抗震防线，具有良好的抗震能力。

　　 (2)设置了环带桁架的超高层结构，在计算结构内力时，环带桁架上下弦对应楼层的楼板应设置为弹性板。

　　 (3)采用了斜柱的同类结构，在计算外框架梁及楼层框架梁内力时，对应楼层的楼板应设置为弹性板，以避免梁无轴向变形引起轴力为0,将会直接影响结构安全。计算位移等大参数时，对应楼层楼板宜设置为弹性板。

　　 (4)合理设置环带桁架可有效提高结构侧向刚度，节约材料用量。在超高层结构设计中，仅设置环带桁架而不设置伸臂桁架，对建筑功能影响小，施工难度不大，但可减小外框柱截面并节约材料用量。