威海九龙湾超高层结构方案选型分析

威海九龙湾

超高层结构方案选型分析

威海九龙湾超高层项目高 291.7m，立面变化多，根据建筑结构特点，提出了三种结构设计方案，并从框 架柱类型、加强层类型、伸臂加强层最佳位置和数量、型钢混凝土梁等方面做了详细的计算分析。结果表明，三 种设计方案均可较好的满足设计规范要求；伸臂可增加结构的层间刚度，控制结构变形；同时设置带状桁架，可 减小柱轴力突变；加强层设置在中高区（44、52 层）效果最佳。

1 工程概况

威海九龙湾中心 CBD 项目位于威海经区滨海大道南侧，国际集箱码头北侧，西邻疏港路。项目总建筑 面积约 3021759m 2，地下 79785m 2。项目由一栋 61 层塔楼、4 层商业裙房、地下 3 层停车库及设备用房组成。 塔楼结构建筑高 291.7m，结构主体高度 276.7m，用途为办公及酒店。 其中 1~3 层为酒店及办公大堂，层 高 7.2m；4~43 层为办公区域，层高 4. 5m；45~60 层为酒店区域，层高为 3.8m。11、22、33、44、52 为 避难兼设备层，层高为 5.4m。建筑效果图见图 1。

图1  建筑效果图

结构安全等级为二级，设计使用年限 50 年，抗震设防类别为重点设防类（乙类），抗震设防烈度为 7 度（0.1g），场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组。多遇地震下水平地震影响系数最大值为 0.08，场地特征周期 Tg 为 0.35s。项目三面环海，地面粗糙度取 A 类，50 年一遇的基本风压为 0.65kN/m2，风荷载 体型系数按荷载规范取 1.4。

2 结构方案比选

2.1 建筑特点

结构外框平面尺寸为 45x45m，塔楼高宽比约为 6.2，核心筒平面尺寸为 22.5x22.5m，核心筒高宽比为 12.3，外框与核心筒的距离约为 10m。

项目建筑方案有以下几个特点：

1）建筑平面的四个角部存在三角形 凹口，其中东南角与西北角凹口由下到上逐渐变大，西南角与东北角凹口由下到上逐渐变小；

2）44 层为 酒店大堂，局部中空约 60m 高，板存在大开洞，核心筒收进；

3）44 层到 46 层存在穿越两层的跃层柱；

4） 建筑平面柱位不均匀且不对称，平均柱间距 9m。建筑平立面如图 2 所示。

图2（建筑平立面图）

3.2 结构方案 针对建筑的上述特点，选用三种结构设计方案进行对比分析。方案一为钢管混凝土柱-钢筋混凝土剪力 墙核心筒，在避难层 44、52 层设有伸臂桁架，外环梁与柱刚接；方案二为型钢混凝土巨柱-钢筋混凝土剪 力墙核心筒，每边 2 根共 8 根巨柱，巨柱与核心筒采用型钢混凝土梁刚接连接，其它楼面梁与核心筒铰接， 外环梁与巨柱刚接，不设伸臂及腰桁架。

方案一、二楼盖均为压型钢板组合楼盖；方案三为钢筋混凝土稀 柱（下层部分型钢柱）-钢筋混凝土剪力墙核心筒。典型结构布置如图 3 所示。

图3 典型结构布置图

3.3 结构主要构件截面尺寸

方案一核心筒外墙厚度为 1100~500mm，内墙厚度为 600~400mm，伸臂斜杆 H800x400x30x30；钢管混凝 土柱截面从下到上主要为 φ1300x50~600x30，外框钢梁办公区截面尺寸为 H1000x600x30x36，酒店区截面 为 H800x600x30x36，楼面梁截面尺寸 H550x200x10x16、H600x200x11x17；标准层外框架与核心筒间的楼 板采用组合楼板，厚度为 110mm，核心筒内楼板厚度为 120mm。

方案二核心筒外墙厚度为 1100~500mm，内墙厚度为 600~400mm，外框钢梁办公区截面尺寸为 H1000x400x20x30，酒店区截面为 H800x450x18x35，楼面梁截面尺寸 H550x200x10x16、H600x200x11x17， 8 根楼面型钢梁 800x800，内置 H500x400x20x30 型钢，8 根型钢混凝土柱 2000x2000~1100x1100，楼板同 方案一。

方案三核心筒外墙厚度为 1200~500mm，内墙厚度为 700~400mm，外框梁截面尺寸为 600x800，楼面梁 截面尺寸 400x700、300x700，核心筒外板厚 110 mm，核心筒内楼板厚度为 120mm。

3.4 计算结果分析

工程采用 SATWE 对结构进行整体计算分析。采用考虑扭转耦合的振型分解反应谱法，周期折减系数取 0.9，计算分别考虑了两个主方向的水平地震作用，并考虑 5%的偶然偏心，同时验算双向地震作用，设计计算结果取单向地震作用+5%偶然偏心及双向地震作用两者之最不利值。

三种方案的各项指标均按照规范 要求限值控制，主要计算结果如表 1 所示。由表 1 可知：

1）方案一总质量最轻，方案二的质量比方案一大约 7%，方案三比方案一大约 25%。

2）结构体型基本一致，风荷载作用下基底剪力接近；剪重比三方案分别为 1.03%、0.97%、0.95%。

3）结构主要受风荷载控制。方案一、二和三风荷载作用下的顶点最大位移约为地震作用下的 1.9 倍、 1.65 倍和 1.83 倍；方案一、二和三风荷载作用下的最大层间位移角约为地震作用下的 1.8 倍、1.60 倍和 1.3 倍。

表1 主要计算结果

图 4 给出了三种方案在风荷载和地震作用下的层间位移角曲线。

图4 层间位移角曲线

表2 柱类型计算结果比较

由图 4 可知：

1）三种方案结构层间刚度在中低区（约 40 层以下）均匀变化，高区层间刚度有较大突变。曲线上表 现为中低区曲线呈现弯剪型均匀变化，高区曲线有明显凹凸点。

2）44 层为高区酒店楼板大开洞位置，层间位移角均在此处突变。

3）伸臂的增加可局部减小相关层的层间位移角。方案一的层间位移角曲线在伸臂层处发生骤减。

3.5 三方案比较小结

1）方案一~三各项指标计算结果基本均能满足规范要求，三种方案均具可行性；

2）方案一、二层间位移角较方案三大，层间刚度较方案三弱；

3）方案一和方案二由于自重轻，竖向构件截面小，因此均能获得更大的有效建筑使用面积，其中方 案一约比方案三增加使用面积 1600m2，方案二约比方案三增加使用面积 1300m2；

4）方案三施工工艺传统，工序较多，方案一、二为工业化生产，施工速度快。

4 专项对比分析

根据项目的特点，为比选出一种最优方案，针对上述计算指标结果的差异性，同时进行了多项专项的 比较分析，包括有：柱类型研究、带状桁架与伸臂的对比分析、伸臂加强层最佳位置和数量研究。

4.1 柱类型研究

对于超高层结构，竖向构件需要承担较大的重力荷载，风荷载和地震作用作为水平荷载给建筑物带来 较大的水平剪力和倾覆力矩，这就要求结构在强度、刚度和延性三方面都需满足设计要求。

对于钢筋混凝土结构，为满足计算要求，竖向构件的截面尺寸往往很大，这使得建筑物的有效使用面 积减小，同时基础工程的造价增加，地震作用引起的地震效应相应大；钢结构强度高、自重轻、延性好、 抗震性能优越、施工速度快，但是耐火性能较差、造价高。

钢管混凝土柱的钢管对其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂的应力状态之下，不但提高了混 凝土的抗压强度，而且还使其塑性和韧性性能得到改善。试验研究表明[1]，钢管混凝土柱是空钢管和素混 凝土柱单独承载力之和的 1.73 倍，延性好，完全没有脆性破坏的特征。

施工过程中无需绑扎钢筋、支模 和拆模等工序。 型钢混凝土柱的型钢骨架与外包混凝土形成整体共同受力，截面尺寸较钢筋混凝土构件截面减小 30~50%；由于柱内型钢作用，其延性高于钢筋混凝土柱，大震下结构安全性能较好；混凝土作为型钢的保 护层，耐火度高；型钢优先形成钢构架，可兼做上部楼层平行施工的模板支架和平台。

综合考虑混凝土与钢在受力过程中的相互作用，选取钢管混凝土柱和型钢混凝土柱进行性能对比分析。

在方案一的模型基础上，将钢管混凝土柱改为型钢混凝土柱，并同时按规范规定的轴压比限值控制柱 的截面尺寸，其中钢管混凝土底层柱截面为 φ1300x50，型钢混凝土柱截面为 1200x1800mm（含钢率<8%）， 主要计算指标结果对比如表 2 所示。

由表 2 可知： 1）方案 b 柱截面截面面积比方案 a 大 60%。 2）方案 b 整体刚度以及层间刚度较方案 a 大。方案 a 的质量较方案 b 重约 6%，方案 b 层间位移角最 大值较方案 a 减小近 10%。 3）方案 b 框剪比达到 10%的楼层数较方案 a 多 40%，框架柱可承担较高的水平作用力，保证结构的安 全性。

4.2 带状桁架与伸臂的对比分析

对于超高层框架核心筒结构，当侧向刚度不能满足设计要求，工程中通常采取在建筑的设备层和避难 层设置结构加强层，加强层构件有两种类型，一是水平伸臂，二是带状桁架。二者的功能不同，不一定同 时设置，但如果设置，一般在同一层[2]。

水平伸臂的设置可使周边框架柱与核心筒共同作用，以减小整个结构的侧向位移。在风荷载作用下， 设置加强层是一种减少结构水平侧移的有效方法；带状桁架可加强结构外框柱的联系，减小竖向构件的变 形差，使竖向构件受力均匀，减小剪力滞后效应，同时可协调由于伸臂设置导致框架柱轴力的离散性，使 相邻柱子的轴力均匀化。

本文的伸臂以及带状桁架均采用斜腹桁架形式，如图 5 所示。 为分析伸臂和带状桁架加强方式对该项目的作用效果，基于方案 a，将两层伸臂换为带状桁架，得到 方案 c；在方案 a 设置伸臂的楼层同时加上带状桁架，得到方案 d；方案 e 为无结构加强层方案（无伸臂 和带状桁架）。主要计算指标结果如表 3 所示，风荷载作用下柱轴力变化如图 6 所示。

图5 （加强层类型示意图）

分析表 3 和图 6 可知：

1）伸臂体系的应用可以明显改善结构的层间刚度，设有伸臂的方案 a 和方案 d 层间位移角均达规范 要求的 1/500，且比未设置伸臂的方案 c 和方案 e 层间位移角减小约 18%~48%；但方案 a、d 的框剪比较方 案 c、e 处于较低水平，框架柱承担的剪力较小。

2）同时设置伸臂和带状桁架可在一定程度上提高结构的框剪比。增设带状桁架的方案 d 框剪比达 10% 以上的楼层数较仅设伸臂的方案 a 提高 50%。

3）设置伸臂后加设带状桁架可减小柱轴力突变，增强结构整体性。

4）图 6 中，未设任何加强层的方案 e，在风荷载作用下，轴力沿层高均匀变化；单独加设伸臂的方案 a 和单独加设带状桁架的方案 c，在伸臂和带状桁架设置的楼层轴力发生突变，突变量约为 400~1500kN； 同时加设伸臂和带状桁架的方案 d，轴力沿层高变化基本均匀，且有效减小了伸臂下柱的轴力。

4.3 伸臂加强层最佳位置和数量研究

Taranath[3]以顶部侧移最小为优化目标分析了加强层的最优设置位置，得出单道加强层最优设置位置为 离顶层 0.455 倍结构全高位置的结论。

McNabb 和 Muvdi[4]进一步求得设置两道加强层的高层结构加强层最 优位置在距离结构顶部 0.312 和 0.685 倍结构全高处。 针对本项目，为使比选结果更具应用性，基于型钢混凝土柱模型，根据项目建筑特点，分别在 33 层 （0.5H）、44 层（0.68H）和 52 层（0.82H）设置结构加强层。

以顶点位移和最大层间位移角最小为目标， 判别伸臂设置的最佳位置。比选三种方案，伸臂加强层设置位置如图 7 所示，其中方案 f 伸臂加强层为 33、44 层；方案 g 伸臂加强层为 33、52 层；方案 h 伸臂加强层为 44、52 层；主要计算指标结果如表 4 所示。 由表 4 可知：

表3 （加强层类型对比计算结果）

图6 风荷载作用下柱轴力变化

表4 加强层位置及数量结果比较

1）加强层位置的变化对结构整体刚度影响较小，自振周期变化幅度在 1%~2%之间。

图5 加强层位置示意图

2）加强层设置在 44、52 层效果最佳。由于高区酒店（44 层以上）存在楼板大开洞以及核心 筒收筒现象，侧向刚度突变较大，层间位移角亦有明显突变，故在该区域（即 44、52 层）设伸臂 加强层效果最佳。方案 h 较方案 g、f，层间位移角分别减小 2%、19%；顶点最大位移方案 g、h 接近，较方案 f 减小约 5%。

通过对两道加强层最佳位置的研究表明，加强层设置在 44、52 层效果最佳，且主要计算指标 有一定的富余空间，并考虑到建筑使用功能及结构造价的要求，尝试仅在 52 层设置一道伸臂（方 案 i），计算结果表明，结构整体刚度和层间刚度骤降，基本周期增大 4%，层间位移角增大 14%， 顶点最大位移增大 10%，故仅设置一道伸臂不能满足设计规范要求。

5 结论

1）结构方案一~三均满足规范设计要求。结构层间刚度在中低区（约 40 层以下）均匀变化，高区层 间刚度有较大突变。结构主要受风荷载控制，结构薄弱层位于高区酒店楼板大开洞位置（44 层附近）。

2）巨柱+型钢梁结构竖向抗侧刚度均匀，不设伸臂及重力柱，是一种较好的结构体系。

3）伸臂体系的应用可以明显改善结构的层间刚度，增设带状桁架可在一定程度上提高结构的框剪比。 设置伸臂及带状桁架可减小柱轴力突变，增强结构的整体性。

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