1 工程概况

　　 沈阳金廊超高层写字楼位于沈阳市沈河区青年大街和热闹路交角区域的东南角。塔楼总建筑面积约22万m²,地下5层，层高3.5～4.5m; 地上71层，1,2层层高5.5m, 局部11m通高，标准层层高4.1m; 主要功能为酒店和办公。塔楼12,24,36,48,60层为设备层和避难层。塔楼无裙房，建筑屋檐高度330.0m, 结构高度300m。塔楼建筑效果图如图1所示。

2 结构体系

　　 塔楼设防烈度7度，设计地震分组第一组，场地类别Ⅱ类，采用钢骨混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系，外框柱采用钢骨混凝土柱，个别位置为方便构件连接采用钢管混凝土柱，楼面结构体系采用钢梁+组合楼板形式，钢框架梁与外框柱刚接、与内筒墙体铰接，在设备层设置了结构加强层，加强构件采用伸臂桁架和腰桁架。

　　 图1 塔楼建筑效果图 

　　  

2.1 结构加强层方案比选

　　 在结构方案设计阶段，对塔楼结构加强层设置方案进行了调研和比较 ^[1,2],对加强层设置数量、加强层伸臂桁架的不同组合方式进行了试算比较，考察了结构基本动力特性和结构最大层间位移角，结果如表1～3所示，表中1,2,3,4,5代表自下而上5个避难层，伸臂桁架2+4代表在第2,4避难层设置伸臂桁架，其余类推。

　　 图2 结构加强层设置示意 

　　 图3 标准层结构平面布置  

　　  

　　 伸臂桁架设置方案一对比 表1

计算指标		无伸臂桁架	伸臂桁架2+4	伸臂桁架4+5
周期/s	T1	7.877	7.157	7.160
	T2	5.398	5.303	5.289
	T3	4.095	4.055	4.076
剪重比	X向	0.96%	0.96%	0.97%
	Y向	1.12%	1.13%	1.13%
刚重比	X向	1.55	1.88	1.89
	Y向	3.32	3.44	3.47
最大层间 位移角	X向	1/532	1/667	1/707
	Y向	1/1 273	1/1 330	1/1 357

 

　　  

　　 伸臂桁架设置方案二对比 表2

计算指标		无伸臂 桁架	伸臂桁架 1+2+4	伸臂桁架 2+3+4	伸臂桁架 2+4+5	伸臂桁架 3+4+5
周期/s	T1	7.877	7.072	6.940	6.967	6.944
	T2	5.398	5.294	5.273	5.267	5.261
	T3	4.095	4.034	4.042	4.053	4.060
剪重比	X向	0.96%	0.97%	0.97%	0.97%	0.98%
	Y向	1.12%	1.13%	1.13%	1.14%	1.14%
刚重比	X向	1.55	1.92	1.99	1.99	2.00
	Y向	3.32	3.45	3.48	3.49	3.50
最大层间 位移角	X向	1/532	1/675	1/705	1/741	1/755
	Y向	1/1 273	1/1 333	1/1 346	1/1 364	1/1 369

 

　　  

　　 由表1～3可知：1)伸臂桁架对剪重比的影响较小；2)伸臂桁架对结构刚度的影响比较明显，对相应方向的层间位移角和刚重比改善作用较为显著；3)结构刚度的变化对最小剪重比影响较小，表明通过增大结构刚度来提高最小剪重比的方法不可行；4)沿结构高度中上部设置伸臂桁架对提高结构刚度的效果较为明显。

　　 伸臂桁架设置方案三对比 表3

计算指标		无伸臂 桁架	伸臂桁架 1+2+3+4	伸臂桁架 2+3+4+5	伸臂桁架 1+2+3+4+5
周期/s	T1	7.877	6.868	6.799	6.730
	T2	5.398	5.265	5.245	5.238
	T3	4.095	4.022	4.041	4.022
剪重比	X向	0.96%	0.98%	0.99%	1.00%
	Y向	1.12%	1.13%	1.14%	1.14%
刚重比	X向	1.55	2.03	2.09	2.13
	Y向	3.32	3.49	3.52	3.53
最大层间 位移角	X向	1/532	1/713	1/766	1/774
	Y向	1/1 273	1/1 348	1/1 374	1/1 376

 

　　  

　　  

　　 超限审查中，专家建议对于300m高度左右的超高层结构，结构基本周期宜控制在6.5s左右，避免结构刚度过小导致地震力偏小。结合超限审查专家意见，在第2避难层(24层)设置四道伸臂桁架，第4避难层(48层)设置二道伸臂桁架和封闭的腰桁架(图2)。

2.2 结构布置

　　 塔楼结构采用钢骨混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构，标准层结构平面布置如图3所示。外框柱采用矩形钢骨混凝土柱，低区三角形凸出部位为便于钢梁连接，采用钢管混凝土柱，框架柱钢材和混凝土强度等级分别采用Q355和C60,加强层与伸臂桁架相连的框架柱钢骨采用Q420GJ;外框楼面梁采用H型钢梁，钢材采用Q355;伸臂桁架上下弦钢材采用Q420GJ;楼板采用钢筋桁架楼承板，中筒为现浇钢筋混凝土结构。钢筋混凝土核心筒平面为长方形，底部核心筒尺寸约为49.4m×19.2m, 核心筒保持外形不变延伸至48层，49层及以上楼层由于建筑功能布局变化，核心筒南北两侧各收进一跨，之后保持外形不变，向上延伸至主要屋面。外框柱截面尺寸自下而上由1 700×1 700逐渐收缩至1 100×1 100,剪力墙厚度自下而上由1 400mm逐渐收缩至700mm, 标准层径向框架梁截面为H700×400×16×30,外框梁截面为H900×400×20×40。

3 结构计算分析

　　 本工程塔楼属于超限高层建筑，通过了超限高层建筑抗震设防专项审查。采用SATWE,ETABS两种计算软件进行整体计算分析，采用PKPM-SAUSAGE软件进行整体动力弹塑性分析。

3.1 弹性分析结果

　　 两种软件反应谱分析主要结果对比如表4所示，层间位移角分布如图4所示。可见，两种计算软件的主要计算结果基本一致，表明计算模型准确有效。

　　 反应谱方法计算的周期、基底剪力和位移 表4

计算软件		SATWE	ETABS
周期/s	T1	6.615	6.689
	T2	5.593	5.683
	Tt	4.304	4.342
基底剪力/kN	X向	34 832	34 132
	Y向	35 516	34 512
最大层间位移角 (所在楼层)	X向	1/792(49)	1/775(49)
	Y向	1/1 043(49)	1/1 062(49)
扭转位移比 (所在楼层)	X向	1.27(1)	1.31(1)
	Y向	1.30(25)	1.32(25)

 

　　 注：数据为初步设计结果，由于建筑条件变化，结构布置相较于方案设计阶段有所调整。

　　  

　　 图4 地震和风荷载作用下层间位移角曲线  

　　  

　　 根据本工程所处场地条件，选取了7组地震波(5组天然波、2组人工波)进行小震弹性时程分析。小震弹性时程分析的主要结果如图5～7所示。施工图设计中，小震弹性时程分析结果大于反应谱法(CQC法)计算结果的楼层，按弹性时程分析结果与反应谱法计算结果的比值对楼层地震剪力进行放大。

　　 图5 小震弹性时程分析的层间位移角曲线  

　　  

　　 图6 小震弹性时程分析的楼层剪力曲线 

　　  

3.2 最小剪重比分析及设计措施

　　 本项目塔楼自振周期约6.6s, 基底剪重比X向为0.98%,Y向为1.01%,均不满足最小剪重比1.20%的要求。方案设计阶段结构加强层设置方案比较结果表明，结构刚度的变化对基底剪重比影响较小(详见2.1节)。文献[3,4]研究表明，超高层建筑结构的自振周期较长(一般均>6s),其最小剪重比对结构刚度变化不敏感，通过提高结构刚度以满足最小剪重比要求，效率很低甚至无法实现。因此通过提高结构刚度以满足最小剪重比要求的方案不可行。在施工图设计中，针对最小剪重比要求不满足的情况，采取了以下措施：

　　 图7 小震弹性时程分析与反应谱法的楼层剪力比值 

　　  

　　 (1)根据住房与城乡建设部颁布的《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)规定“基本周期大于6s的结构，计算的底部剪力系数比规定值低20%以内，基本周期3.5～5s的结构底部剪力系数比规定值低15%以内，即可采用规范关于剪力系数最小值的规定进行设计”,本项目塔楼基本周期大于6s, 且计算基底剪重比与规定值的差值百分比在20%以内，按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版) ^[5]的规定，对全楼各楼层地震剪力按相同增大系数进行放大，放大系数取最小剪重比与基底剪重比之比值。

　　 (2)参考文献[3]建议的方法，本项目塔楼基本周期为6.6s, 满足0.3H−−√∼0.4H−−√0.3Η∼0.4Η(H为结构高度，m)的合理范围要求，因此将规范反应谱在周期为5s处拉平(图8)。弹性分析时按此调整后的反应谱作为设计反应谱验算结构的各项位移指标，同时按此设计反应谱进行构件承载力设计。

　　 图8 调整后的设计反应谱与规范反应谱对比 

　　  

3.3 动力弹塑性时程分析

　　 采用PKPM-SAUSAGE软件进行塔楼动力弹塑性时程分析，选取了2组天然地震波和1组人工波作为地震动输入。采用双向地震输入，主、次方向峰值加速度比值为1∶0.85,主方向峰值加速度为220gal, 分别沿X轴、Y轴输入。结构位移响应如表5所示。可见，结构顶点位移不发散，满足“大震不倒”要求，最大弹塑性层间位移角小于1/100,满足规范要求。

　　 大震弹塑性动力时程分析的结构位移 表5

地震波	主方向沿X轴		主方向沿Y轴
	顶点位移 /m	最大层间 位移角	顶点位移 /m	最大层间 位移角
人工波1	0.777	1/193	0.649	1/151
天然波1	0.886	1/158	0.612	1/192
天然波2	1.137	1/142	0.886	1/151

 

　　  

　　 对比了塔楼大震弹塑性与弹性时程分析的结构顶点位移时程曲线、基底剪力时程曲线，分别如图9、图10所示。

　　 由图9、图10可知，地震作用初期，结构未发生损伤，处于弹性状态，结构大震弹塑性与弹性时程分析的结构顶点位移和基底剪力时程曲线基本重合。随地震作用持续进行，输入能量加大，结构开始出现损伤，耗能构件屈服，结构整体刚度退化，周期变长。大震弹塑性时程分析的结构顶点位移与基底剪力逐渐小于大震弹性时程分析的结果。

　　 抗震性能化设计中，对于底部加强区主要墙肢和收进部位及其上下各一层范围的核心筒的主要墙肢，其性能目标为“大震满足抗剪截面控制条件，控制混凝土压应变和钢筋拉应变在极限应变内”,其他墙肢的性能目标为“满足抗剪截面条件”。经计算，塔楼核心筒剪力墙和外框柱在大震作用下的性能水平如图11、图12所示。结果表明，大震作用下剪力墙墙肢大部分处于弹性或轻度损坏状态，墙肢均可满足抗剪截面控制条件。核心筒连梁大部分发生破坏，充分发挥了耗能作用；外框柱中低区基本处于弹性状态，中高区出现轻微损坏。主要竖向构件均可满足预设的性能目标。

4 关键构件设计

4.1 加强层伸臂桁架设计

　　 塔楼在第2避难层和第4避难层设置了伸臂桁架加强。基于有限刚度设计理念，加强层伸臂桁架的刚度不宜过大，如伸臂桁架腹杆采用普通支撑，为满足支撑稳定应力要求，其截面需求较大，会造成加强层刚度突变，于结构体系不利，因此工程实践中超高层建筑伸臂桁架腹杆常选用屈曲约束(BRB)构件 ^[6,7,8],一方面BRB构件可以实现适宜的刚度需求，另一方面BRB构件在大震下可以屈服耗能，保护主体结构。基于以上考虑，本工程伸臂桁架腹杆采用BRB构件。计算表明，BRB构件吨位由刚度控制，最终确定的BRB构件吨位为1 350～1 700t不等。伸臂桁架腹杆设置BRB构件后，结构抗侧刚度满足位移需求，同时加强层无刚度突变，在大震下BRB构件能实现滞回耗能，取得了良好的效果，结构能量分布如图13所示，典型BRB构件滞回耗能曲线如图14所示。

　　 图9 大震弹塑性与弹性时程分析的 结构顶点位移时程曲线对比 

　　  

　　 图10 大震弹塑性与弹性时程分析的 结构基底剪力时程曲线对比

　　  

　　 图11 剪力墙 性能水平 

　　  

　　 图12 外框柱 性能水平 

　　  

　　 为便于伸臂桁架与剪力墙连接，在墙肢端部设置钢骨，从加强层向上向下各延伸1层。为便于施工，伸臂桁架上下弦在核心筒剪力墙内贯通，伸臂桁架腹杆不进入剪力墙。为保证水平力的可靠传递，剪力墙内贯通的上下弦均设置栓钉，同时在伸臂桁架腹杆与剪力墙连接的墙肢端部设置竖向钢板，钢板分两段，每段1.5m宽，厚度分别为60mm和30mm, 钢板双面设置200mm×200mm间距的栓钉。伸臂桁架立面构造如图15所示。

　　 图13 结构能量分布图  

　　  

　　 图14 典型BRB构件滞回耗能曲线  

　　  

4.2 中筒剪力墙收进部位加强措施

　　 由于建筑功能布局需要，塔楼49层及以上楼层核心筒南北两侧各收进一跨，之后保持外形不变，向上延伸至主要屋面，如图16所示。

　　 中筒剪力墙收进部位为结构受力薄弱部位，在地震作用下，收进部位的墙肢容易出现损伤，需要针对收进部位采取针对性的加强措施 ^[9,10]。为了减缓中筒剪力墙收进部位的突变程度，避免该部位在大震下损伤严重，结合建筑功能布局，在设计中采取了如下措施：

　　 1)X向墙肢直接收进为钢骨柱，钢骨柱下插1层；2)Y向墙肢在49层以下若干层逐层收进以减缓收进部位的刚度和承载力突变；3)加强收进楼层及上下层的墙肢配筋，提高这些部位墙肢构件的性能目标，按照同底部加强区构件相同性能目标(中震弹性)进行设计。

　　 按照上述措施进行加强后，大震动力弹塑性分析结果表明，收进楼层及其上下1层范围的大部分墙肢处于弹性或者轻微损坏的状态，该部位墙肢的损伤可控，满足预设的性能目标。

　　 图15 伸臂桁架立面构造示意 

　　  

　　 图16 中筒剪力墙在高区收进示意 

　　  

5 结语

　　 (1)沈阳金廊塔楼为超限超高层建筑，采用钢骨混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构方案，在第2避难层设置四道伸臂桁架，第4避难层设置二道伸臂桁架和封闭的腰桁架，并对结构关键构件进行合理设计，满足规范的控制指标和预设的性能目标要求，具有良好的抗震性能。

　　 (2)加强层设置方案比选结果表明，伸臂桁架对塔楼结构刚度的影响比较明显，对塔楼弱轴方向的层间位移角和刚重比改善作用较为显著，但对剪重比的影响较小；沿结构高度中上部设置伸臂桁架对提高结构刚度的效果较为明显。

　　 (3)项目塔楼最小剪重比不满足规范要求，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)规定，对全楼楼层地震力采用相同的放大系数进行放大，同时参考相关文献，对规范反应谱进行调整(即将规范反应谱下降段5s后拉平)作为设计反应谱，进一步提高结构设计安全度。

　　 (4)基于有限刚度设计理念，加强层伸臂桁架腹杆采用屈曲约束支撑，桁架弦杆在中筒剪力墙贯通，伸臂桁架腹杆不伸入剪力墙，同时设置竖向钢板和栓钉，加强伸臂桁架与中筒剪力墙的连系，保证水平力可靠传递。

　　 (5)对中筒剪力墙收进部位采取逐层收进的方式减缓突变程度，同时提高收进部位性能目标，设置钢骨柱并从收进部位下延1层，从而实现该部位损伤可控的性能目标。