魏丰登， 陈浩
（上海联创建筑设计有限公司，上海200093）
[摘要] 超高层建筑结构常采用伸臂桁架或环带桁架来提高其自身刚度。结合具体工程项目，通过对框架·核心筒结构设置伸臂桁架或环带桁架加强层数量及位置的研究，分析伸臂桁架和环带桁架提高框架一核心筒结构刚度的效率。分析结果表明，伸臂桁架提高框架一核心筒结构刚度的效率高于环带桁架；当仅设置环带桁架加强层时，环带桁架位于0.7倍结构高度时最为有效，设置于结构高区时提高结构刚度的效率大于设置于结构低区时，随着环带桁架加强层数量增加其对结构刚度的贡献效率快速下降。根据分析结果，最终采用钢管混凝土钢框架一钢筋混凝土核心筒一环带桁架混合结构体系。
[关键词] 混合结构；伸臂桁架；环带桁架；加强层
1 工程概况
淮安雨润中央新天地位于江苏省淮安市，由1幢地标塔楼、3幢超高层住宅塔楼和商业裙房组成（图1）。地标塔楼地上68层，结构高度约299m，建筑高度325m，功能为办公、公寓等，典型层高为4.5，3. 8m，其中9，23，36，49，63层为避难层和设备层；超高层住宅地上39~40层，结构高度约140m；裙楼地上7~9层，屋面高度33. 500~47. 500m;地标塔楼、超高层住宅及裙房均设4层地下室。裙房与主体塔楼地上通过防震缝分为独立单体。项目总建筑面积约50万m2。
本地标塔楼的结构安全等级为二级；地基基础设计等级为甲级；建筑工程抗震设防分类为标准乙类；抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，设计基本地震加速度为0. lOg，特征周期为0. 50s；多遇地震、设防烈度地震下阻尼比取0. 04；框架、核心筒剪力墙抗震等级均为特一级。
50年一遇基本风压为0. 40kN/m2，100年一遇基本风压为0. 45kN/m2；场地地面粗糙度类别为C类，风荷载通过风洞试验得到，体型系数约为1. 38～1.41。
根据《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规），钢筋混凝土核心筒一钢框架混合结构体系在7度区最大适用高度为190m，本地标塔楼结构超出高规限值109m，超出约57%，属于超限高层建筑，需要进行超限高层抗震设防专项审查，本项目已一次性通过全国抗震超限高层抗震设防专项委员会的审查，委员会没有提出修改建议。
2 结构体系选型及分析
本地标塔楼结构平面呈等边切角三角形，边长约为42m，核心筒平面也为等边切角三角形，边长均为26. 2m，核心筒面积为522m2，占建筑面积24. 8%，核心筒高宽比为11.3，典型结构平面布置图如图2所示。根据中国高层建筑委员会对我国超高层结构体系的统计结果，250m高以上超高层建筑67%采用混合结构（统计至2009年底），如图3所示。故本结构最初选型为带伸臂桁架加强层的混合结构体系，经过大量的分析研究，结构体系最终采用钢管混凝土钢框架一钢筋混凝土核心筒一环带桁架混合结构体系，环带桁架分别位于避难层49层和63层，核心筒外墙底部厚度为1100mm，取消伸臂桁架，使结构对建筑功能的影响减至最小，其经济性也得到大幅度提高。
2.1设置伸臂桁架及环带桁架的对比分析
对于300m高的超高层建筑，采用普通稀柱框架，核心筒已无法满足高规对结构刚度要求。本地标塔楼结构在不设置任何加强层时，结构的最大层间位移角为1/455，不满足高规限值1/500要求，在建筑平面确定的情况下，常通过增设加强层来提高结构刚度，加强层可采用伸臂桁架+环带桁架，也可仅设置环带桁架。本文选用两种加强层，并对其进行详细对比分析：1）方案1，采用钢管混凝土钢框架，钢筋混凝土核心筒一伸臂桁架．环带桁架混合结构体系。由高规可知，当结构需要增设加强层来提高刚度时，应合理设计加强层的数量、刚度及设置位置。当布置1个加强层时，可设置在0.6倍房屋高度附近；当设置2个加强层时，可分别设置在顶层和0.5倍房屋高度附近；当布置多个加强层时，宜沿竖向从顶层向下均匀布置。本地标塔楼结合建筑功能，利用避难层和设备层，设置两道伸臂桁架，分别位于36，63层，配合伸臂桁架同时设置环带桁架，核心筒外墙厚自下而上为1 400~500mm。2）方案2（所采用的结构方案），采用钢管混凝土钢框架一钢筋混凝土核心筒·环带桁架混合结构体系，即取消伸臂桁架仅设环带桁架，环带桁架分别位于避难层49层和63层，核心筒外墙厚自下而上为1100~ 400mm。
采用SATWE软件对两种方案的结构进行分析，主要分析结果见表1。由表1可知，结构方案1、方案2在地震作用、风荷载作用下X，Y，向最大层间位移角均能满足高规要求。因结构为等边三角形，两个方向刚度较接近，故以下以X向指标进行分析。
由表1和图4可知，对于方案1，在设置伸臂桁架+环带桁架后，风荷载作用下，与不设置环带桁架加强层结构相比，结构X向最大层间位移角由1/455减小为1/648，结构X向刚度提高了约42%；地震作用下结构X向最大层间位移角仅为1/541，显然结构刚度偏大。对于方案2，在取消伸臂桁架仅设置环带桁架后，风荷载作用下，与不设置环带桁架加强层结构相比，结构X向最大层间位移角由1/455减小为1/5 24，结构X向刚度提高了约15%，结构最大层间位移角满足高规要求，结构刚度基本适宜；取消两道伸臂桁架，其节约钢材600t，核心筒剪力墙减薄后，节省混凝土5 544m3，考虑核心筒配筋，共可节省工程造价约1 000万，故本工程最终采用方案2作为实施方案。
方案1与方案2相比，风荷载作用下结构X向最大层间位移角由1/5 24减小为1/648，结构X向刚度提高了约23%，说明设置伸臂桁架对结构刚度的贡献效率高于环带桁架。
通过方案1、方案2对比可知，对于超高层建筑结构，选择适宜的结构刚度至关重要。当结构刚度无法满足变形要求时，通常采用增大结构刚度方法，如加强核心筒刚度、增加体厚度、增设加强层等，但是由于结构刚度的增加，结构在地震作用下的反应也相应增大，反而可能造成结构水平位移不降反升，甚至形成死循环。本文方案1的结构刚度大于方案2，而方案2与方案1相比，地震作用下结构X向最大层间位移角反而由1/5 88增大为1/541，结构最大层间位移角不降反升，提高了8%左右。适宜作法是增大结构刚度的同时减小结构的自重，结构刚度应首先满足风荷载作用下结构水平变形要求，然后再调整结构刚度使结构水平变形满足地震作用下要求。
2.2设置环带桁架对结构刚度的影响
为了研究环带桁架对结构刚度的提高效率，结合建筑避难层和设备层，通过设置一道环带桁架、两道环带桁架及多道环带桁架来分别考察环带桁架位置、数量对结构刚度的贡献效率。
设置一道环带桁架，环带桁架分别位于结构层12，26，39，52，66层（即避难层和设备层9，23，36，49，63层），维持其他结构构件和参数不变，风荷载作用下SATWE计算的结构最大层间位移角变化如图4所示。由图4可见，总体上，环带桁架设置的位置越高，对结构层间位移角的减小越明显，对结构刚度的贡献越大；当环桁架位于结构层52层时，即约为结构高度的0.7倍时，其效果最佳，此时结构的最大层间位移角为1/491，比不设置环带桁架情况下结构最大层间位移角1/455减小了7.8%左右。
设置两道环带桁架，考察环带桁架设置位置对结构刚度的贡献效率。环带桁架分别位于结构层12 +26层、12 +39层、12 +52层、12 +66层，26 +39层、26 +52层、26 +66层，39 +52层、39 +66层，52+66层，维持其他结构构件和参数不变，风荷载作用下，SATWE计算的结构最大层间位移角变化如图5所示。图5表明，总体上，环带桁架设置的位置越高，对结构层间位移角减小越有效，对结构刚度的贡献越大；当环桁架位于结构层52 +66层时，效果最佳，此时结构的最大层间位移角为1/524，比不设置环带桁架结构最大层间位移角1/455减小了15%左右。这是因为对于框架·核心筒结构，核心筒剪力墙变形为弯曲型，框架变形为剪切型，结构低区核心筒剪力墙层间变形较小，框架层间变形较大，通过变形协调可知，核心筒有助于减小外部框架变形；结构高区核心筒剪力墙层间变形较大，框架层间变形较小，外部框架有助于减小核心筒变形，而位于结构高区的环带桁架恰恰提高了外框架的刚度，故其设置位置愈高，对外框架刚度的贡献效率愈高，从而导致结构整体刚度提高。
设置多道环带桁架，考察环带桁架设置数量对结构刚度的贡献效率。结构分别设置1道、2道、3道、4道、5道环带桁架，因环带桁架的设置位置越高对结构刚度贡献越大，故当环带桁架数量较少时，优先设置于结构高区，环带桁架设置位置如图6所示，维持其他结构构件和参数不变。风荷载作用下SATWE计算的结构最大层间位移角变化如图7所示，不设置环带桁架时的数据也绘于图中。图7表明，环带桁架的设置数量并非越多越好，设置1道、2道时，提高结构刚度的效率最为明显，随着环带桁架数量的增加，提高结构刚度的效率急剧降低，设置4道、5道环带桁架时，结构刚度几乎没有变化。环带桁架数量对结构刚度的贡献效率呈指数下降。
综上所述，超高层建筑结构设置环带桁架可以有效地提高结构刚度，环带桁架的设置数量和设置位置对提高结构刚度的效率影响显著，设置于结构高区优于低区，设置于0.7倍结构高度处尤为明显；环带桁架的数量并非愈多愈好，随着其数量的增加，对结构刚度的贡献效率急剧下降，对于高度300m左右的超高层，一般设置2，3道为宜。本地标塔楼最终结构方案采用设置2道环带桁架，分别设置于结构层52，66层（即避难层49，63层），在地震作用、风荷载作用下，结构刚度均满足高规要求，结构体系得到专家和业主好评。
2.3外框柱选型
在高层和超高层建筑结构中外框架柱常采用钢管混凝土( CFT)柱或型钢混凝土(SRC)柱，与钢筋混凝土和钢结构相比，此两种组合构件可充分发挥不同材料的长处，提供更大的承载力和更好的延性，从而减小框柱截面，增大建筑的有效使用面积。钢管混凝土柱和型钢混凝土柱各有利弊，表2给出两者的构造、力学性能、施工工艺、防火以及节点处理等方面比较。综合分析表明，柱截面尺寸和含钢率相同时，钢管混凝土柱比型钢混凝土柱抗弯刚度提高49%，轴心抗压强度提高25%，结合组合钢梁楼屋盖体系，结构梁柱节点构造简单，且框柱无需钢筋绑扎和支撑模板，施工方便，钢管混凝土柱优于型钢混凝土柱，故本工程外框柱最终采用圆钢管混凝土柱，柱截面自下而上为41 700×30~4800×20，柱含钢率约为6.9%~9.6%。
3 工程实际主要设计和分析结果
3.1抗侧力体系
地标塔楼采用钢管混凝土钢框架一钢筋混凝土核心筒，环带桁架混合结构体系，作为双重抗侧力体系，钢筋混凝土核心筒构成第一道防线，钢框架+环带桁架组成结构第二道防线（图8）。核心筒的外墙厚度由首层的1100mm逐渐减薄至顶部的400mm，内墙厚度为500~300mm，混凝土强度等级自下而上为C60~C40，为增强核心筒的延性，底部加强区受力关键部位和非加强区三角形角部设置型钢。
为改善框架柱的延性，提高其抗剪承载力，并减小截面尺寸，增加建筑有效的使用面积，设计中采用钢管混凝土柱，钢管的套箍指标p控制在1.0左右（含钢率约8%），其截面由底部咖1 700×30逐渐过渡到顶层咖800×20，内填充混凝土强度等级为C60；框架梁采用H型钢梁，环向框架梁与框架柱采用刚接，径向框架梁与框架柱刚接，与核心筒铰接。外环框架钢梁截面主要为H900×300×20×24~800×300×20×24，楼面径向钢梁截面主要为H500×200×12×20。
设计中，利用避难层49，63层（结构层52，66层）设置两道环带桁架，从而使结构的抗侧刚度有效提高，环带桁架可作为结构第二道防线的有效补充。环带桁架选择合适的刚度，将上下楼层的刚度突变控制在合理的范围以内，确保其在中震、大震下的抗震性能。桁架的上下弦杆采用H型钢，截面尺寸为H1200×600 x30×30，斜腹杆采用H型钢，截面尺寸为H700×600×40×40。
3.2楼盖体系
核心筒内采用现浇钢筋混凝土楼盖，核心筒内因设置竖向交通存在较多的楼板缺失，楼板厚度采用150mm，混凝土强度等级为C30。核心筒外采用钢筋桁架楼承板组合楼板，混凝土强度等级为C30，下部办公楼层楼板跨度主要为3. 5m，楼板厚度为110mm；上部公寓楼层楼板跨度主要为2.9m，楼板厚度为100mm。加强层和其相邻层楼板采用现浇钢筋混凝土，板厚为150mm，并采用双层双向配筋。
3.3主要分析结果
采用MIDAS和SATWE软件对结构进行整体分析，主要分析结果见表3，表3表明，两种软件的分析结果差别不大，地震、风荷载作用下，结构各项指标均符合高规限值要求，结构刚度适宜。地震作用下楼层最大层间位移角小于风荷载作用下的，说明本结构为风荷载控制。风洞试验表明，在1. 5%阻尼比情况下，10年回归期公寓顶层峰值加速度为0. 086 8m/s2，小于高规限值0.15m／s2，舒适度满足要求。
4 结论
(1)对于超高层框架·核心筒结构，当结构刚度无法满足高规要求时，设置伸臂桁架和环带桁架等加强层来提高结构刚度是有效途径，伸臂桁架提高结构刚度效率高于环带桁架，当结构刚度离目标刚度差别不大时，可仅设置环带桁架来提高结构刚度，从而避免设置伸臂桁架导致结构刚度突变。
(2)环带桁架设置数量和位置对提高结构刚度的效率影响显著，设置于结构高区优于低区。当结构设置1道环带桁架时，可设置在0.7倍房屋高度处，此时提高结构刚度效率最高；当设置2道环带桁架时，可分别设置在顶层和0.7倍房屋高度附近，效率较高。环带桁架数量并非愈多愈好，随着其数量的增加，提高结构刚度效率愈来愈低，呈指数下降。
(3)当超高层结构楼屋盖体系采用钢结构组合楼盖时，框架·核心筒结构外框柱宜采用钢管混凝土柱，其承载效率高、节点构造简单、施工方便。
