【建筑圈的结构事】京基金融中心（京基100）结构设计介绍

作者：鲲鹏

一、项目概况

京基金融中心A座（简称京基100）地上建筑面积约为23.4万㎡，100层，楼高441.8m。据说，大厦外形创意来源于喷泉和瀑布。大厦共有4个功能分区，其中1~3层为通高大堂空间；4层设置酒店宴会厅、相关功能区和餐厅；5~74层为甲级写字楼，标准层层高4.2m，7个专业证券交易厅，楼层层高5m。顶部75~97层为六星级酒店，层高3.6米，约有250套房间以及与酒店相关的餐厅和健身房等服务用房，在大厦最顶部40m高的拱顶内设置飞艇形（蛋形）特色餐厅。

京基100平均高宽比为10.26（中间部位高宽比9.54，端部高宽比10.98，核心筒高宽比17.3），为国内摩天楼之最（上海环球金融中心高宽比8.5，上海中心7.0，平安金融中心7.4，深圳地王大厦8.8）。京基100使用的钢板最大厚度达到130mm，大厦的用钢量达到6万吨，将所有的焊缝连接起来，累积长度可以绕地球赤道4周（未考证），采用了强度与韧性更高的C80高强混凝土。

京基100图片

立面图

顶部蛋形餐厅

结构平面图

二、结构体系

主体结构体系分别采用钢筋混凝土核心筒、巨型斜支撑框架及三道伸臂桁架、五道腰桁架组成三重抗侧力结构体系：

外框+核心筒

2.1钢筋混凝土核心筒

核心筒从承台面伸延至77层,该层以上取消核心筒体，仅保留左侧一片右侧两片竖向布置的剪力墙，使得酒店区可以设有开放式通高中空中庭（从77层~94层）。

本工程混凝土剪力墙厚度最大达1.9m，初步设计时为内置工字钢，施工图设计时改为内置王字形钢骨，布置更均匀，同时适当减小断面。规范尚没此类构件设计方法，应采用纤维模型或有限元模型计算。

墙内型钢

2.2巨型斜支撑

巨型斜支撑设置于大楼东西两侧的垂直立面上，采用X形交叉形式,水平倾角在50°~68°之间，斜撑材料为Q345GJC,采用箱型断面底部最大为1600x1400，钢板厚80mm。

伸臂桁架、巨型斜撑都是为了提高整体结构的抗侧刚度，主要目的是抵抗水平力。因此，设计时应采取措施尽量减小由于竖向荷载作用以及竖向构件变形差引起的附加初始应力。理论上来说，等主体结构施工完成后，再对此类构件进行连接是最好的。但是，主体结构在施工阶段也需要一定的抗侧刚度，所以设计时也需满足施工需要。

经施工模拟分析，斜支撑合拢后因柱子相继轴向变形产生的内力不大于斜支撑承载力的5%，对斜支撑不起控制作用，因此，斜撑无需采用后连接。

一般来说，与伸臂桁架不同，斜撑与框柱同处外框平面，框柱轴向变形差比较小，对与其相连的斜撑造成的附加应力也较小，腰桁架也是相同的道理。

斜撑与外框柱连接

增加X型斜撑和加大角柱会有效提高Y向抗侧刚度，其对整体结构Y向抗侧刚度贡献约30%，施工图阶段，将巨柱改为矩形钢管混凝土柱，借此，可将X型斜撑移至柱外皮，可增加建筑使用面积约300平方米。同时，此处的框架梁可与X型斜撑在平面上错开，如此，可保证X型斜撑受力直接，简化连接节点，方便施工。

2.3外框架

框架部分由矩形钢管混凝土柱及型钢混凝土梁组成，矩形钢管柱断面底部最大为2.7x3.9m, 钢板材料为Q345GJC、最大厚度为70mm。南北面的型钢混凝土柱从承台面～38层呈圆弧倾斜，自38层以上配合总体建筑布置呈圆弧向内倾斜。采用巨型钢管混凝土柱可增加框架的延性，方便结构主体施工，降低结构造价，同时亦可减少柱截面从而提高使用率。

巨柱截面调整及优化过程：

方案阶段柱截面

采用上述截面，主要优缺点如下：

（1）钢筋用量多，现场钢筋绑扎量大，而且还需搭建施工平台，设置柱子模板；

（2）截面可以分拆开吊装，然后进行现场拼接，对吊装要求不高；

（3）节点构造复杂，不宜施工；特别是柱子纵向钢筋和箍筋碰到楼面梁、巨型斜撑伸臂桁架和腰桁架时无法穿越，难以处理。

（4）由于型钢集中在截面的中部，截面抗弯刚度低；钢材承载力利用率低；钢板截面较厚，成本高。

（5）型钢分片布置，高含钢率，能否保持平截面假定，需进行进一步的研究和试验。

（6）混凝土作为型钢的外保护层，可以有效解决防火问题；

施工图阶段采用如下截面：

施工图阶段柱截面

采用该截面，优缺点如下：

（1）节点构造简单，方便施工。

（2）型钢布置在截面外侧截面抗弯刚度高；钢材承载力利用率高；构件延性好。

（3）现场钢筋用量少，施工绑扎方便.

（4）截面须分段吊装，然后进行现场拼接，对吊装要求较高；

（5）钢管可以作为浇筑柱内混凝土的模板；可采用逆作风施工，加快施工进度。

（6）要解决矩形钢管混凝土的防火问题。

（7）采用最优的内隔板宽度，加强管内混凝土的连续性。增加楼层中间的横隔板，增强矩形钢管柱的围束作用，可减少竖向加劲肋之间钢筋拉结，方便施工。

（8）截面设计时预留施工空间保证浇灌混凝土时可进行人工振捣。

根据统计，框柱用钢量占项目总用钢量的50%以上，在优化阶段，对上述截面进一步调整，降低含钢率，优化后截面如下所示：

施工图阶段柱截面优化

本工程外框柱截面主要是轴向刚度控制，通过采取适当增加钢筋用量，考虑钢筋的纵向刚度，柱内混凝土强度等级由C60提高为C80，从而减少柱子型钢含量（调整壁厚），根据统计，优化后，外框柱共节省钢材6290t。

2.4五道腰桁架

腰桁架沿塔楼高度均匀分布，结合避难及设备层，可增加外框架的抗扭性能，从而减低扭转效应在地震作用下的不利影响；在设置腰桁架时，需要对其位置及数量进行研究，通常是以周期、层间位移角、顶点位移等指标对腰桁架布置方案进行敏感性分析。

腰桁架

2.5三道伸臂桁架

三道伸臂桁架则设于37～39层、55～57层、73～75层，同时在相连伸臂桁架的剪力墙中设置剪力墙暗桁架，加强了结构的整体性、增大了结构的抗侧刚度。

伸臂布置

伸臂剖面图

由两根斜杆组成伸臂桁架（对跨层伸臂桁架，这是一种常见布置方式），传力路径简单直接，伸臂桁架于核心筒内贯通，核心筒内钢柱上下延伸，并设置栓钉传力至核心筒。

伸臂桁架采用后连接方法，直至主体结构施工完成后及大量轴向变形差产生后才把伸臂桁架连接（另有文献讲，伸臂桁架采用后连接施工，即等上一个加强层伸臂桁架就位后，再对下面层的伸臂桁架进行焊接连接）。

伸臂施工阶段连接节点

三、层间位移角控制

按照规范，京基100，层间位移角需要控制在1/500，即使在Y向加了斜撑、加了五道腰桁架，加了三道伸臂，仍然不能满足限值要求。主要原因是结构高宽比太大，深圳风荷载也较大。如果坚持要控制在1/500，意味着在已有构件截面的基础上，要将南北侧墙体厚度由原来的1.9米调整为2.2m，同时加大南北侧柱子截面，这不仅会减少建筑的净使用面积，还将直接增加约3500万投资，可以说，代价非常大。

借鉴几栋已经在使用的超高层建筑，其计算层间位移角也不满足1/500的限值要求。当时，在设计地王大厦（高宽比8.8）时，层间位移角就已经难以满足规范要求，魏总作为当时的咨询顾问，曾做过很多研究，有兴趣的可以仔细阅读他的论文。

控制层间位移的主要目的有两个：（1）保证受力构件本身不受损坏；（2）保证非结构构件（隔墙、装修、幕墙）不受损坏。对第一个目的，其真正的控制指标应该是有害层间位移，即，应在位移差中扣除因楼层整体转动引起的非受力位移；对第二个目的，可以通过合适的构造措施来处理。

地王大厦横向在风荷载作用下，最大层间位移角为1/274（过程模型），但是，筒体剪力墙的有害层间位移角只有1/2895，不会有安全问题。按此思路，京基100的最大有害层间位移角分别为1/1619（框柱），1/3020（剪力墙）。

广东省超限专家曾在去年4月开过一次会，会上建议将250m超高层建筑层间位移角限值调整为1/400（深圳有些项目已经按此执行），这一条，有可能写入下一版的广东省超限审查实施细则，可能同时，也会对有害层间位移角进行规定。

四、风振分析与控制

相比之前介绍的上海中心、上海环球金融中心以及平安金融中心，京基100最主要的问题（也可以说是它的特点），应该就是风振的问题，尤其是横风向风振，毕竟10.26的高宽比是客观存在的。

京基100结构平面呈扁平状。Y向刚度弱，所以在Y向加斜撑、加伸臂，调整后，X向及Y向刚度基本接近，第一阶振型X向，周期7.5s，第二阶振型Y向，周期7.2s，第三阶扭转，周期3.9s，扭转藕连效应较弱。

在0°风向角（沿长边方向）作用下，长边方向共振响应约为背景响应的4倍，而短边方向共振响应约为背景响应的5倍，共振响应远大于背景响应。

风向沿长向时，长向为顺风向，短向则为横风向，其关系如下面这幅图。对高柔结构，横风向效应一般比顺风向要大。计算显示，以基底弯矩对比，横风向比顺风向大40%；

参考荷载规范（2012版），顺风向与横风向效应都可以计算，根据几个项目的统计情况，由荷载规范计算得出的顺风向效应与风洞试验接近，但横风向效应则偏大较大。大家以后不妨注意这一点。

在查看风洞试验分析报告时，经常会看到如下两种试验方法：

a）初步风洞试验——高频天平风洞试验（High Frequency Force Balance）

HFFB试验方法由于模型制作与试验简便、成本低、方便应用，被广泛用于高层建筑抗风研究。该技术是基于建筑振型为理想振型，且由一阶控制，故一般只适用于结构形状、质量、刚度没有太大变化的高层建筑，忽略了高阶模态及模态间的耦合作用，且不考虑气动弹性效应，故只能获得结构上总的风荷载，而无法得到风压分布特性。

b）详细风洞试验——高频压力积分风洞试验（High Frequency Pressure Integration）

相对来说，HFPI就要精细得多，可以确定结构的表面风压（平均风压与脉动风压），可以确定结构体型系数，而且还能考虑高阶振型的影响。目前，结构风洞试验一般都用这种方法。

这两个试验的关系可以以结构计算中的基底剪力法与振型分解反应谱法类比。

除了上述两种方法，有时还会碰到一种叫作“气动弹性模型试验”的方法，多自由度的气动弹性模型能全面真实地反映风与结构的相互作用，可以考虑气动阻尼，它除了考虑建筑外形的影响，试验时还要模拟结构的振动周期、振型和质量分布等，但由于其设计技术、制造工艺比较困难，使用相对受限。

对京基金融中心进行抗震专项审查时，超限审查专家提出要通过健康监测，根据实测加速度值对舒适度进行评估，考虑采用预留阻尼减振装置空间后续安装的方式。当时有三个备用方案：日本VSL高阻尼硅橡胶阻尼墙方案、广州大学调谐质量阻尼器（TMD）+粘滞阻尼器（VD）组合方案和哈尔滨工业大学主动质量阻尼器（AMD）减振方案。

经过对比分析，最后选取了哈尔滨工业大学主动质量阻尼器（AMD）减振方案。

主要原因有：

a）AMD方案能够满足超限审查报告中提到的预留空间后续安装的要求，且占用空间小，其与建筑其他工种交叉小，对原设计改动小，与结构结合方便，所需质量块重量约为大楼总质量的0.2%左右；

b）考虑外界环境的不确定性，结构动力特性需要工程竣工后才能实测得到。TMD/TLD 装置的减振控制效果与对结构自振频率把握是否准确关系很大，相比之下，AMD系统对外部环境具有更好的适应能力。

AMD方案，即在结构91层（约380m高）布置AMD控制系统。考虑两套装置作用，直接和楼板连接。单套装置的质量块为300t，每套控制系统的尺寸为9.6mX3.9mX2.8m。

AMD是将结构响应的反馈或结构中关键位置处外激励的反馈，经计算机分析处理向驱动器（连接质量块和结构）发送适当的信息，于是驱动器对抗质量块将惯性控制力施加于结构实现振动控制。

五、其他问题

5.1巨型钢管混凝土柱柱脚

文献指出，在结构计算模型中，工程结构计算模型底部采用铰接柱脚，而框柱截面巨大，没有自由转动的能力，所以在柱脚计算时采用柱脚固接模型。

典型柱脚剖面大样图

典型柱脚俯视图

5.2入口大雨蓬

扩初阶段，入口大雨篷采用单层网壳结构，八层以下采用三角形网格，八到十一层采用四边形网格，主网格单元为200x400x16x16矩形管（紫色），斜撑单元为200x200x10x10矩形管（黄色）。

施工图阶段结构形式仍为单层网壳结构，网格划分做了适当调整，均采用四边形网格，主要单元为200x400x14x14矩形管（紫色），局部加强为200x400x20x20矩形管（淡蓝色），檐口300x800x25x25矩形管（深蓝色）。

将三角形网格调整为四边形网格后，用钢量降低，同时大大简化了连接节点，施工更有保证。直观上来看，四边形网格没有三角形网格稳定，但由于节点连接均为刚接，设计中充分考虑各种受力工况，并对稳定性进行复核，也没问题。

5.3拱顶钢结构

考虑风荷载分布不均的扭转效应，中间四榀桁架采用三管拱，两端局部加强采用四管桁架拱，提供所需抗扭转刚度。

利用三管拱的宽度减低横梁的自由长度，减小横梁尺寸及提高整体稳定性。

参考文献

（1）建筑结构专访——京基100结构设计与创新实践；

（2）横风向激励下深圳京基金融中心舒适度控制，鲁志雄；

（3）京基金融中心风振控制的设计，李炎；

（4）深圳京基金融中心气动抗风措施试验研究，谢壮宁；

（5）深圳京基金融中心巨型框架柱柱脚设计分析，顾建；

（6）深圳京基金融中心巨型节点设计研究，马臣杰；

（7）深圳京基金融中心风振响应分析，李波；

（8）百度文库等；