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摘要：。通過將外圍框筒結構改為框撐結構，與內筒構成框撐－核心筒結構體系，經過計算分析，該結構體系可取得較好的抗側剛度，能滿足現行規范的要求，并能節約混凝土用量約7000m3，增加建筑使用面積約2000m2。這種結構體系具有減輕自重、提高剛度、擴大建筑空間的優點，是超限高層建筑結構比較經濟、合理、可行的一種結構體系。

關鍵詞：框撐－核心筒結構超限高層受力性能剛度

1工程概況[1]

本工程位于重慶市渝中區的中心地帶，建筑面積約100000m2，由7層裙樓及56層塔樓組成，裙房平面尺寸為81m×54m，塔樓平面尺寸為34m×34m（外包尺寸為37.6m×37.6m），將地下二層按規范要求的嵌固構造處理，使其作為上部的嵌固端，嵌固以下埋深11.9m，以上229.3m（結構計算高度）。建筑總高度為241.2m（未包括出屋面的電梯，觀景廳及水箱間的高度），核心筒平面尺寸14.6m×14.6m。該結構平面布置規則、對稱，豎向抗側力構件上下連續貫通、無剛度突變（見圖1、2）。

該項目地下部分及塔樓筏板基礎建成后停工至今已達三年之久，被市列為“四久工程”。

2結構優化

2004年7月業主委托我院對該項目進行方案優化設計，要求方案滿足建筑擴大空間、結構安全、經濟合理并符合超限高層建筑抗震規范要求。對原設計單位所作的結構設計方案，我院提出以下優化意見。

①減少外圍框架柱數量，增大建筑空間

為滿足建筑大空間的功能要求，將原設計方案中每邊八根柱減少到每邊五根柱，底層柱截面由原設計的1500mm×1500mm、1400mm×1500mm增大為1800mm×1800mm、1700mm×1700mm，上部各層柱分段減小，以滿足軸壓比的要求。優化后可以增加建筑使用面積約750m2，并節約混凝土用量約2700m3。為了彌補結構抗側剛度的不足，在塔樓四角區設置“L”型桁架（見圖3），構成框架桁架結構，內部布置剪力墻核心筒，形成框撐－核心筒體系。并且在建筑上將四周的支撐暴露，造型美觀，具有獨特的標志性風格。

圖1結構平面示意圖圖2建筑軸側圖

②減小核心筒內墻墻體厚度

經過計算分析，芯筒內的內墻對抗側剛度貢獻較小，主要承受的豎向荷載是墻體本身的重量，因此可以將內墻厚度適當減薄。原設計方案芯筒內墻厚度為800、400、350、250mm，優化設計后改為400、250、200mm。同時將原設計中芯筒外墻厚度也減少100mm，由此可以節約混凝土用量約4500m3，增加建筑使用面積約1250m2。

③其他

在滿足結構安全的情況下，將原設計方案中窗群梁由500mm×1500mm優化為500mm×700mm，塔樓井字梁由250mm×450mm優化為200mm×400mm。

3結構整體分析

3.1設計基本參數

①設計基準期50年，使用年限100年，安全等級為一級，地基設計等級為甲級。

②本工程抗震設防烈度為6度，地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.05g，建筑抗震設防類別為兩類。由于本工程特別重要，現將建筑設防類別提高為乙類。由于本工程建筑場地為I類場地，仍按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震構造措施。該工程為B級高度建筑，其結構抗震等級剪力墻和框架柱均為二級。

③場地的特征周期，水平地震影響系數最大值，放大系數。

④基本風壓為0.45kN/m2，基本風壓增大系數取1.2，即按0.54kN/m2取用。地面粗糙為C類，風壓體形系數、風壓高度變化系數及風振系數均按《建筑結構荷載規范》GB50009-2001的規定采用，樓面活荷載標準值按荷載規范取值。

3.2主要結構構件截面

表1核心筒剪力墻尺寸

樓層

心筒外墻厚

心筒內墻厚

-2F～4F

800

400/250/200

5F～21F

700

400/250/200

22F～32F

600

350/250/200

33F～40F

500

350/250/200

41F～53F

400

300/200

53F以上

400

300/200

表2框架柱截面尺寸

樓層

角柱

中柱

框架主梁

-2F～4F

1800×1800

1700×1700

500×700

5F～22F

1800×1800

1700×1600

500×700

23F～31F

1700×1700

1700×1400

500×700

32F～39F

1600×1600

1700×1200

500×700

40F～52F

1400×1400

1700×1000

500×700

52F以上

1200×1200

1700×800

500×700

表3混凝土強度等級

樓層

核心筒墻

框架柱

梁、板

-2F～24F

C60

C60

C30

25F～33F

C50

C50

C30

34F～42F

C40

C40

C30

42F以上

C30

C30

C30

3.3計算模型與程序

根據本工程結果的特殊性，結構整體分析采用SATWE和TAT兩種軟件分析計算。為了優化結構設計，并充分利用已經施工完成的基礎，根據專家組的建議，分別對六柱方案、五柱方案和四柱方案三種框撐－核心筒體系進行計算分析。綜合分析以上三種方案，專家組一致推薦第二方案，即五柱方案。

3.4主要計算結果

①五柱方案

表4～表6為SATWE和TAT主要計算結果的對比分析。應說明的是，采用SATWE程序計算，可將樓板按彈性樓板考慮，消除了復雜結構體系按剛性樓板假定計算帶來的誤差。

(a)平面圖(b)立面圖

圖3五柱方案

表4模態分析計算結果

分析軟件

SATWE

TAT

備注

結構總質量（t）

147815.625

146626.9

第1周期（s）

5.6758

5.8466

第2周期（s）

5.5607

5.7573

第3周期（s）

2.3090

2.5085

<0.8T1

第4周期（s）

1.4015

1.4830

第5周期（s）

1.3840

1.4739

第6周期（s）

0.8100

0.8773

第7周期（s）

0.6542

0.6842

第8周期（s）

0.6194

0.6466

第9周期（s）

0.4535

0.4717

注：表中只列出了前9個周期。

表5抗風計算結果

分析軟件

SATWE

TAT

備注

x向最大層間位移

1/1163

1/1033

滿足規范要求

y向最大層間位移

1/1127

1/1012

滿足規范要求

x向頂點位移

163.25

181.97

滿足規范要求

y向頂點位移

170.03

185.73

滿足規范要求

x向總剪力（kN）

12813.6

12999.04

y向總剪力

12796.3

12982.13

x向總傾覆力矩（kN·m）

1860922

1896806.4

y向總傾覆力矩（kN·m）

1860582

1896478.6

表6抗震計算結果

分析軟件

SATWE

TAT

備注

x向最大層間位移

1/1836

1/1969

滿足規范要求

y向最大層間位移

1/1804

1/1968

滿足規范要求

x向頂點位移

102.01

90.62

滿足規范要求

y向頂點位移

105.01

91.26

滿足規范要求

x向總剪力（kN）

8410.2

11730.15

y向總剪力

8491.4

11730.15

x向總傾覆力矩（kN·m）

1124786

1565804.38

y向總傾覆力矩（kN·m）

1112582

1536540.25

考慮第I振型，并忽略阻尼的有利影響，計算出結構頂點順風和橫風最大加速度：，，均滿足高規規定的小于0.15m/s2的要求。

②六柱方案

最大軸壓比0.66

結構頂層最大加速度：，。

內筒尺寸不變，外框架柱底層面積率為原設計方案（“筒中筒”方案）的71.4％。

(a)平面圖(b)立面圖

圖4六柱方案

③四柱方案

(a)平面圖(b)立面圖

圖5四柱方案

最大軸壓比0.69

結構頂層最大加速度：，

內筒尺寸不變，外框架柱底層面積率為原設計方案（“筒中筒”方案）的76.0％，需設置三個加強層。

④計算結果對比分析

表7計算結果對比分析表

T

Δ/h

備注

筒中筒體系

6.2951

1/817

0.75

原設計方案

框撐－核心筒結構體系

六柱方案

5.4618

1/1433

0.66

0.05890

四柱方案

5.7756

1/1237

0.69

0.13840

有加強層

五柱方案

5.6758

1/1127

0.65

0.09270