华中第一高楼——武汉绿地中心主塔楼结构设计探秘

文/周建龙，黄良，季俊，等

武汉绿地中心主塔楼地处武昌滨江商务区中心区域，为集办公、酒店等一体的超高层综合体。原设计高度为636m，2018年建筑设计进行了调整，现方案主塔楼建筑高度调整为475m，调整后地上总建筑面积约为29万m ² ，楼层数为99层，为华中第一高楼。建成后它以“长江会客厅”之姿，构筑起面向全球的招商运营平台，促进湖北全域协同发展。

武汉绿地中心主塔楼建筑效果图

武汉绿地中心主塔楼为集办公、酒店等一体的超高层综合体，楼层数为99层。塔楼结构抗侧力体系为核心筒+12根巨柱+3道伸臂+9道环带桁架+首层至66层角部巨柱间支撑。

武汉绿地中心楼层分布图

武汉绿地中心主塔楼抗侧力体系示意

塔楼重力体系为：标准层采用钢梁+压型钢板组合楼板体系；加强层采用钢梁+钢筋桁架楼承板组合楼板体系；外框柱除12根巨柱外，其余巨柱间重力柱均立于环带桁架之上，并与上部环带桁架通过带长圆孔 滑动节点连接。

主塔楼典型标准层结构平面布置图

巨型外框竖向荷载传力路径及角部巨柱间中心支撑节点

环带桁架上立次结构重力柱节点

（一）“三叶草”的建筑平面造型与超高层结构抗弯刚度需求的完美契合

作为高度达到475m的超高层建筑，对结构抗侧刚度有很高要求。在平面面积相同、竖向构件面积相同以及竖向构件位于多边形顶点的前提下，三角形的建筑平面相对于其他常规的多边形或圆形平面，具有更高的抗弯刚度，建筑“三叶草”的平面设计理念与结构刚度需求完美呼应。

主塔楼典型楼层结构平面布置示意图

（二）建筑形体与结构风荷载优化的和谐统一

通过平面角部的柔和化、竖向内缩的形体、自底至顶设置三道透风风槽等建筑形体设计，有效减小结构受到的风荷载，尤其是大大减小结构横风向响应。在考虑顺风向响应与横风向响应的相关性后，由风洞试验得到的风荷载合力低于标准矩形截面基底总剪力的80%，塔楼风荷载相比常规矩形截面的降低非常明显。

通过建筑形体优化减小超高层结构风荷载

 塔楼透风槽设计示意图

由于建筑形体需求，塔楼从首层至36层平面逐层外扩，巨柱先向外倾斜，至36层之后再向内倾斜，平面逐渐收小。在巨柱外倾楼层，考虑巨柱轴力水平分量后，外框剪力分担比为负值。

巨柱收分及斜柱受力分析示意图

结构采取的设计对策为：

（1）提高巨柱外倾楼层核心筒剪力墙的设计剪力，剪力墙内置钢板伸至40层以上超过200m高，高于塔楼低区巨柱外倾楼层（36层），以加强此部分楼层核心筒抗剪能力。

塔楼核心筒剪力墙内置钢板示意图

（2）结合建筑平面，在角部巨柱SC1间从首层至66层设置柱间支撑，从而提高外框刚度及剪力分担比。

角部巨柱SC1间中心支撑三维模型及现场照片

（3）将位于环带桁架与巨柱之间的“次结构”框架柱与外框梁刚接以进一步提升外框结构刚度。

塔楼荷载通过核心筒及外围12根巨柱传递至桩筏基础。塔楼筏板厚度为5m。超高层结构主塔楼有极大的竖向及侧向荷载，为合理控制桩数，将单桩承载力分为两种：1）在塔楼核心筒及巨柱下区域采用单桩极限承载力特征值17000kN的桩；2）在其余荷载相对较小区域采用单桩极限承载力特征值15000kN的桩。塔楼下桩采用1.2m直径钻孔灌注桩，工程桩皆采用桩端、桩侧后注浆工艺，桩端进入微风化砂质泥岩或微风化细砂岩持力层，有效桩长在22~33m之间。

主塔楼下桩筏基础示意图

在地下室结构设计时，在巨柱和核心筒之间增设12道翼墙，以加强底板的刚度，减少不均匀沉降。基础沉降分析时，考虑上部结构与基础一体化分析模型，底板沉降计算结果最大值约50mm。

主塔楼基础沉降分析有限元模型

基础沉降计算结果（最大值约50mm）

武汉绿地主塔楼共有12个巨柱，分别为位于角部的巨柱SC1以及中部的巨柱SC2。巨柱混凝土强度等级从C70收进至C60，典型巨柱钢骨含钢率为4%，钢骨强度等级为Q345GJ；典型巨柱纵筋配筋率为1%。

首层巨柱SC1及SC2示意图

通过屈曲分析获得巨柱的屈曲承载力P _cr ，然后通过经典欧拉公式P _cr =π ² EI/L ² 获得分段巨柱的计算长度Ｌ；基于巨柱性能目标及计算长度分析结果，开展巨柱在压弯下的构件验算。

楼板和钢梁对巨柱的约束简化为带刚度的弹簧示意图

巨柱屈曲分析简化模型及某段一阶屈曲模态

首层巨柱SC1的PMM曲线验算结果

对巨柱SC1、SC2在火灾作用下的耐火极限进行了计算，主要的研究与计算依据为清华大学韩林海教授团队的研究成果。计算结果表明，各楼层的巨柱SC1和巨柱SC2在ISO-834标准火灾作用下，考虑高强混凝土爆裂后耐火极限也均在7h以上，满足不低于250m超高层结构承重柱耐火极限不小于4h设计要求。

表1  巨柱SC1与巨柱SC2极限耐火时间计算

注：C为截面周长、α为含钢率，n为火灾荷载比，λ为柱长细比。

武汉绿地中心主塔楼核心筒内藏钢板剪力墙延伸至40层以上，超过200mm高度，为中国最高的超高层结构内藏钢板剪力墙。超200m高内藏钢板剪力墙提升了核心筒的抗剪能力，有效应对了外框结构外倾的设计挑战；减薄了剪力墙厚度，提升了建筑的使用空间；减轻了结构自重，减少了结构受到的地震作用与基础荷载，具有较好的经济性。

典型内藏钢板剪力墙平面布置示意图

超高剪力墙内藏钢板也带来很大的设计挑战，其结构设计应对如下：1）通过混凝土配合比针对性研究、高标准施工养护、焊接与栓接等钢板拼接节点的灵活应用等技术措施减少钢板剪力墙混凝土收缩等引起的微小裂缝；2）通过节点设计研究实现钢梁与钢板墙合理的连接节点构造，满足施工可行性；3）基于钢板墙受力机理并考虑施工可行性进行剪力墙内藏钢板的合理分段；4）通过加劲肋的合理设置以应对高空薄钢板拼装的变形及偏位等可能的施工问题；5）基于传力路径对钢板墙与塔楼外伸臂的连接构造精心设计。

典型剪力墙内藏钢板分段及剪力墙内藏钢板三维实体模型

剪力墙内藏钢板现场施工照片

主塔楼环带桁架具有如下特点：1）为了最大化建筑使用空间，主塔楼环带桁架在平面上贴建筑板边线设置，成平面折线形。2）在立面上，环带桁架随建筑形态倾斜，与巨柱斜率相同，倾斜角度约2°~5°，为空间异形环带桁架。3）环带桁架除作为抗侧力体系的重要组成部分外，同时亦为避难设备层之间楼层的重力柱转换桁架，需要承担很大的竖向荷载。

塔楼典型环带桁架三维实体模型

异形环带桁架在没有侧向约束时，竖向荷载下整体处于受扭状态。为提升本工程折线形环带桁架的抗扭刚度，对桁架平面外进行了多道防线加强：1）在环桁架上、下弦楼面设置1.5m高楼面桁架或者1m高楼面钢梁连接桁架节点与核心筒，对桁架进行平面外支撑；2）在环带桁架节点处设置楼面水平支撑，将环带桁架法向水平力传递至核心筒横向剪力墙。3）在桁架上、下弦结合建筑功能设置150mm或者200mm厚钢筋桁架楼承板。

折线形环带桁架加强平面外约束的结构措施

楼面梁与楼面支撑示意图

因主塔楼立面为均匀倾斜体型，为实现建筑师对室内空间利用率最大化的需求，塔楼巨柱定位采用尽量贴楼板边的原则设计，典型楼层巨柱定位为巨柱外边控制点距离楼板边线200~300mm。

在建筑结构施工图纸系统中提供各层平面与立面的定位图，同时建立了包括巨柱在内的定位完全与图纸一致的三维BIM模型，以方便后续的深化设计与施工。

典型楼层巨柱定位及结构三维犀牛模型

（二）空间异形环带桁架定位设计

为了最大化建筑使用空间，主塔楼环带桁架在平面上贴建筑板边线设置，成平面折线形；空间上随巨柱钢骨有2°～5°的倾斜，使得桁架各主要的平面均为空间四边形；同时，因巨柱SC1与SC2自身钢骨斜率不一致，导致空间四边形可能存在四个角点不共面的几何问题，这使得环带桁架控制点的定位设计较困难。不仅如此，从结构角度，各控制点的定位设计还需使得环桁架在传递竖向与水平荷载时符合桁架结构传力路径的需求。

空间异形折线形环带桁架控制点以及主受力面

针对上述设计挑战，首先基于桁架传力路线确定主传力面，主传力面需严格共面。对于桁架的每个面，其控制点为P1、P2、P3、P4，P1及P2点为桁架下弦及上弦节点板与巨柱钢骨的连接节点，为已知坐标点；P3点由建筑确定，为桁架中心距离楼板边缘不小于200mm的点，也为已知坐标点，则问题归结为已知P1、P2、P3点空间坐标，确定未知点P4坐标的问题。基于空间向量理论推导，可以准确得到桁架各控制点的定位坐标。

P1、P2坐标点在平面中的位置示意图

武汉绿地中心主塔楼在首层三边均设置大尺度雨蓬结构，其中北侧办公雨蓬平面尺寸达25m×70m，为中国最大的雨篷结构之一。主要的雨篷构件包括从巨柱SC2悬挑超过20m的方钢管梁，从边柱悬挑9m的方钢管梁，以及上下拉索组成，典型的雨蓬构件均为方钢管。雨篷上下均设置了拉索，是考虑上下拉索的张力可以更好地平衡大尺度雨篷承担的自重以及较大的风压与风吸力，同时拉索的设置也非常有效地减小了巨柱及边柱单悬挑引起的巨大弯矩。为了应对雨篷结构的防连续倒塌设计，雨篷构件适当预留了一定的冗余度，其中直接与巨柱SC2悬挑梁相连的上侧拉索设置了双索以进一步确保雨篷结构的安全。

雨篷建筑平面及结构分析模型

雨篷三维钢结构模型示意图

雨篷关键节点示意图

雨篷现场实景照片

为保证本摩天大楼在施工过程中的安全性，尤其是考虑到核心筒领先外框的施工顺序、伸臂桁架等关键构件后安装等特殊的施工工况，对主塔楼进行了全面的施工模拟分析，施工模拟分析时考虑基础刚度以及混凝土收缩徐变的非荷载效应。对核心筒剪力墙附着塔吊等特殊施工荷载进行专项分析并提出加强措施，保证施工阶段构件的安全性。

考虑基础刚度与混凝土收缩徐变非荷载效应施工模拟

核心筒考虑施工时塔吊荷载施工工况及剪力墙内力

环带桁架及其立柱施工示意图

环带桁架与楼面水平支撑现场照片

环带桁架与伸臂桁架现场照片

巨柱施工现场

塔楼施工现场

主塔楼目前现场照片