徐州苏宁广场超高层塔楼结构抗震设计概要

[摘要] 徐州苏宁广场位于徐州市主城区核心地段。其中的A塔楼主体结构为集办公、酒店式公寓及五星级酒店多种功能为一体的61层复杂超高层建筑，主体高度266m，目前为徐州市乃至苏北地区的标志性建筑。本工程结构存在超高、大底盘多塔楼、跃层柱、8m挑高空中大堂竖向不规则、伸臂桁架加强层等多项抗震不利因素，属于超限复杂高层建筑结构。结构设计采用大底盘多塔抗震分析、考虑收缩徐变的长期变形分析、跃层柱屈曲分析等多种技术手段，使塔楼具备了良好的功能和综合抗震性能。

[关键词] 超高层建筑；框架核心筒混合结构；竖向不规则；大底盘多塔楼；屈曲分析；收缩徐变分析；

1 工程概况

本项目位于江苏省徐州市最繁华的商业商务核心地段，西至彭城路，北靠河清路，南隔淮海东路，东接区域内支路，总建筑面积476809平方米。

项目由五座塔楼及裙房地下室组成。其中A塔楼61层，总高度266m，功能集办公、公寓式酒店及酒店式公寓为一身。办公部分标准层高4.2m，酒店部分标准层高3.6m，在42层设有8.2m空中大堂，顶部61层设有12m高空中餐厅。B，C，D，E号楼为100m高层住宅，标准层层高2.9m。

五栋塔楼通过大底盘裙房连为一体，中间不设缝。裙房地面以上为4层，局部6层，总高为22.4～32.4米。功能涵盖商业，餐厅，娱乐及休闲运动等，建筑面积约为104813m2。

项目整体坐落在三层地下室上方，地下一层层高6.5m，二、三层层高3.9m，主要用于超市，停车库，设备用房等。项目整体建筑效果图见图1。

本文着重讨论A塔楼设计中的关键点。A塔楼设计使用年限50年，建筑防火等级为一级，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，地下室顶板作为上部结构的嵌固端。

塔楼从下至上分为商业及酒店公共区、办公、酒店式公寓、酒店四个功能区段，每个区段间均设有设备层兼避难层。A塔楼建筑结构剖面图见图2，3。

2 荷载选取

各功能区域竖向荷载依照规范及功能要求取值。本文着重介绍对于风荷载及地震荷载取值。

2.1 风荷载

本工程在风荷载方面有2个特点：第一、A塔楼平面为椭圆形，漩涡脱落引起的横风向风振非常明显，甚至大大超过顺风向风振引起的风荷载。第二、多栋塔楼相邻布置，对风环境的改变是非常明显的。塔楼间的相互影响。

这些问题必须进行风洞试验研究，以准确地把握建筑物周围的风环境，以便在设计中对可能出现的不良情况提出有效的改善措施。

风洞试验结果[1]与规范风荷载计算值的比较

2.2地震荷载

本工程抗震设防烈度7°，场地类别为II类。设计基本地震加速度0.10 g，特征周期Tg=0.35s （规范值） 0.40s（安评值）。将安评报告的结果与规范反应谱进行了对比。

设计采用抗震规范与安评报告[2]提供的设计基准期为50年的场地地面设计地震动参数及曲线。

虽然安评得到的地震影响系数最大值更高。但由于其谱线衰减快，在长周期的地震影响系数反而略小于规范谱。因此按规范取值基底剪力稍大，在设计中小震作用下地震动参数按规范进行取值，根据专家意见，中震及大震作用下也按规范取值进行设计。

3 结构体系及不规则情况

3.1 结构体系

基于建筑与结构相结合的考虑，采用稀疏外框架+钢筋混凝土内筒+伸臂桁架体系，为框架-核心筒结构体系。钢筋混凝土核心筒是A塔楼的主要抗侧力构件。在底部墙体适当配置钢骨并适当加强边缘构件件配筋以兼顾延性。核心筒墙体厚度从底部的1200mm逐渐减小至顶部的400mm。

本工程外框架柱采用圆钢管混凝土柱，在不明显增加柱截面的条件下大大提高了外框架刚度及延性的同时也简化了钢梁与柱的连接。柱直径从底部的1500mm逐步向上缩小到800mm。梁采用钢梁，并对两端铰接的次梁按照组合梁设计。最大限度的保证建筑净高。主要梁高控制在400～600mm之间。

A塔楼楼板采用钢筋桁架组合楼板，施工速度快，有效截面高，并可有效帮助组合梁的受力，节约钢材。楼板厚度普通标准层120mm，核心筒楼板、避难层及顶层150mm，加强层200mm。

由于平面两个方向的尺度相差较大，长宽将近2：1，导致筒体宽度方向的抗侧刚度明显不足，设计考虑在避难层或设备层位置设置伸臂加强层，主要布置宽度方向的伸臂桁架以减少结构在水平荷载作用下的位移，使其满足规范要求。

伸臂桁架结合机房及避难层设置在塔楼的25F（0.41H）、41F（0.64H）、56F（0.88H），兼顾建筑使用、结构合理、经济美观的要求。为保证伸臂与核心筒的协同工作，伸臂桁架采用贯穿核心筒墙体的布置方式。

3.2 不规则情况分析

4 分析计算结果及结构措施

上述分析可知，本工程较为复杂，对于多种不规则及超限问题需有针对性的进行计算分析并采取结构措施，以保证结构的安全。

根据本项目设定的工程抗震性能化设计目标（详见表6），对结构主要进行了下述分析计算：

1） 小震作用下的结构整体反应谱分析；

2） 小震作用下结构整体弹性时程分析；

3） 风荷载作用下舒适度分析；

4） 中、大震作用下墙、柱、伸臂桁架等结构关键构件的性能化设计计算；

5） 跨层柱计算长度分析；

6） 大底盘多塔楼计算比较分析；

7） 非荷载作用分析。

8） 罕遇地震作用下结构弹塑性时程分析；

4.1弹性分析结果

结构的小震弹性计算用SATWE和Midas系列软件进行计算，计算时均取地下室顶板作为结构的嵌固端，计算结果见下表：

X向的刚度突变是由于42层空中大堂引起的。设计在空中大堂上方增设4.5m刚度过渡层，避免薄弱层、软弱层同层。

Y向非刚度突变主要是由于伸臂桁架加强层引起的。设计合理设置加强层及周边楼层抗侧构件性能目标。将伸臂桁架构件性能目标适当降低，伸臂桁架腹杆性能目标降低为中震不屈服，减轻在罕遇地震下的刚度突变程度。同时将伸臂桁架加强层及上下各一层的墙、柱构件性能目标提升至中震弹性并加强构造措施，以确保起工作性能。

4.2跨层柱计算长度分析

在本工程项目设计中，各主要框架柱构件所采用的计算长度确定方法基本按照规范规定取用。但对于跨层柱且在所跨楼层受有限约束或不受约束的情形，则需要特别予以关注。因此，需要对该类柱作专门分析以确定其计算长度。根据钢结构规范GB50017的附录D及钢管混凝土结构设计与施工规程CECS28：90的附录一中求框架柱计算长度系数时采用的方法，利用屈曲分析来求跨层柱的计算长度。公式如下：

利用结构整体荷载定义屈曲分析工况的加载方法，初始荷载为1.0恒载+1.0活载，为了准确地获取构件的屈曲临界荷载，每个构件几何长度内都划分为3个单元，分析计算模型结果显示，在第41阶模态出现了局部柱的屈曲，柱在整体模型中的位置以及屈曲模态如下：

4.3 多塔楼大底盘作用分析

大底盘多塔结构是一种复杂结构体系，如按整体模型进行设计，以现有软件及硬件条件难度较大，可行性较差。我们通过对单塔与多塔的计算结果进行分析比较，对单塔的计算进行修正，以此作为结构设计的依据。

4.4 非荷载作用分析

超高层结构竖向构件的变形由两部分组成，一部分是由重力荷载作用下产生的弹性压缩变形，另一部分是由混凝土收缩和徐变产生的非弹性变形。框架柱和核心筒的竖向差异将在联系巨柱和核心筒的水平构件（如伸臂桁架）中引起很大的附加内力，从而导致竖向构件内力重分布。施工方案应考虑释放这类构件结构自重作用下的附加内力。

由以上数据分析可知，非荷载作用对伸臂桁架加强层杆件影响最大，特别是伸臂桁架弦杆及加强层柱。设计中应注意充分考虑其影响，留出足够的安全余量。此外，连接核心筒的框架梁越接近屋面，受非荷载作用影响越大，且主要是端弯矩。设计中只要注意非荷载作用引起的框梁弯矩与水平荷载作用产生弯矩的叠加效果。框架柱及剪力墙受非荷载作用影响最小，且对剪力墙为有利作用。可忽略。

5 结语

本工程不仅高度超限，同时还存在大底盘多塔、跃层柱、竖向刚度突变等多项不规则。设计采取三项主要手段保证结构的安全及合理性：

a. 合理的选取结构荷载，特别是风荷载的选取；

b. 对各项超限及不规则分别采取有针对性的计算分析；

c. 依据分析结果对关键构件进行适度的加强。

参考文献

[1] 周志勇，丁泉顺等，徐州苏宁广场项目风洞试验及风振分析研究，SLDRCE WT2010Z1

[2] 黄伟生，张 鹏，杨伟林，徐州苏宁广场工程场地地震安全性评价报告，JSE2010A000

[3] GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010

[4] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京： 中国建筑工业出版社，2010