南昌绿地中央广场双塔结构设计研究院「上饶绿地双塔」

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转自第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文《南昌绿地中央广场双塔结构设计研究》作者：岑伟、季俊,陆道渊，黄良

摘 要：南昌绿地中央广场双子塔楼高度303 米，结构采用钢筋混凝土框架－核心筒双重抗侧力结构体系；塔楼屋面以上“皇冠”结构高度达48.5m，采用钢框架-钢核心筒的结构体系。阐述了结构弹性及弹塑性分析结果，并探讨了塔楼设计的关键问题：由于结构造型复杂及双子塔的复杂风环境，通过风洞试验确定合理风荷载值；核心筒剪力墙采用切角设计，论述两次墙体斜向转换的研究及解决方案；为顺应建筑几何形体的变化要求，框架柱采用钢管混凝土叠合柱，找到经济性与实用性的平衡点；对复杂造型且位于高空的塔冠结构，针对其专项分析特点进行了系统论述。细致的专项分析及设计研究确保了塔楼设计的安全及合理性。

关键词：框架－核心筒，风洞试验，斜墙转换，钢管混凝土叠合柱，塔冠结构

1 工程概述

江西南昌绿地中央广场项目是一个集商业、酒店、公寓、办公楼于一体的大型综合性房地产项目。该项目西临丰合大道，东靠红谷大道，北至会展路，南沿世茂路，总建筑面积达51.6 万平方米。两栋超高层双塔楼建筑高度为303 米，结构大屋面高度为250 米，地上双塔总面积为22.5 万平方米，地下总面积为6.5 万平方米，设三层地下室，地下室部分连成为整体，在塔楼地下各层及首层周边设置沉降后浇带塔楼内设有办公、观光、贵宾会所和会议等功能，其建成后已成为南昌市的一座标志性建筑，在沿赣江地区的开发建设中起到重要的改革作用。建筑效果图及平面图详见图1 及图2 所示。

图1 南昌绿地双子塔效果图

2 结构体系

主体塔楼采用钢筋混凝土框架－核心筒双重抗侧力结构体系，如图3 所示。

钢筋混凝土核心筒作为主要抗侧力结构体系，作为结构第一道防线，低区为正方形，在21 层斜向切正方形四角部核心筒渐变为八边形，在51 层八边形四角部继续斜向内收核心筒渐变为正八边形，核心筒角部渐变处通过斜墙进行转换，剪力墙厚度为1250mm~400mm，混凝土等级为C60~C50[1]。

抗弯框架作为第二道防线，框架柱低区采用钢管混凝土叠合柱，中高区采用钢筋混凝土柱，框架梁采用钢筋混凝土梁；外围框架柱的截面尺寸为Φ1200mm~800mm,混凝土等级为C60~C50。由于建筑体型的特殊性——将低区四边形平面四角“捏合”变体为高区“类棱形”平面，故周边框架柱自首层开始至顶层均为斜柱，从而产生各层结构平面均不相同[2]。塔楼屋顶以上约50 米高的“皇冠”由钢结构外框及钢核心筒组成。具体详见下文塔冠部分内容。

主体塔楼的楼、屋盖体系核心筒内、外区域均采用现浇钢筋混凝土梁板。标准层楼板厚度120mm，核心筒斜墙转换层楼板厚度200mm。

3 基础设计

主体塔楼采用桩筏基础，外框柱采用一柱两桩，核心筒下采用群桩。基桩采用钻孔灌注桩，桩径Φ1300mm，桩长14.0~26.5m 左右，采用⑥-3 微风化砂砾岩为桩端持力层，饱和单轴抗压强度标准值为frk=8.7MPa，单桩承载力特征值为18000kN（核心筒下）；15500kN（柱下）。核心筒下基础底板厚度为3600mm，外框柱与核心筒间筏板厚2600mm，混凝土强度等级为C40。

4 结构主要设计参数

主塔楼结构的主要设计参数如表1 所示。

5 整体结构弹性分析

结构分别采用ETABS， SATWE 软件进行整体计算。分析时采用考虑扭转耦联振动影响的振型分解反应谱法并考虑偶然偏心影响[3]。塔楼结构计算以地下室顶板为嵌固部位。经计算，主塔楼的第一自振周期为5.53s，第二、第三自振周期分别为5.46s 和2.17s，T3/ T1=0.39（平扭比）。结构振型与周期示意详见图4。层间位移角和首层层间剪力见表2。

表2 中数据表明在水平荷载作用下，结构层间位移满足规范要求。风荷载对结构侧移起控制作用。结构在考虑偶然偏心的地震作用下X 向、Y 向位移比均小于1.2，结构扭转性能较好。除底部几层外，结构的其余楼层剪重比均满足0.6%的要求。结构X 向、Y 向刚重比均大于1.4，满足整体稳定要求，但刚重比小于2.7，结构内力和变形分析中考虑P-△效应。

6 结构抗震性能目标与弹塑性分析

本工程结构高度超过框筒结构最大适用高度210m，超过规范限值19%，且存在部分墙体不连续的竖向不规则等超限情况，根据性能化设计要求，针对不同部分构件的重要性选定主要结构构件的抗震性能目标。主要竖向抗侧构件核心筒剪力墙底部加强区、斜墙转换部位正截面承载力性能目标达中震弹性，墙体大震下满足抗剪截面要求，其他部位选定具有一定延性的构件如连梁等允许中震耗能。

为了保证结构在大震作用下满足不倒塌的抗震设计目标，判断结构在大震下是否存在薄弱区并评价薄弱区的薄弱程度，了解结构塑性铰的形成规律，针对性地优化结构布置，采用PERFORM-3D 非线性结构分析软件对结构进行了非线性弹塑性分析。

弹塑性分析表明，大震作用下结构最大层间位移比是0.0039，即1/256，满足规范JGJ3-2002-4.6.5 中对大震时程分析的限值1/100 要求。大部分连梁达到了屈服变形，进入塑性阶段，如图5。钢筋混凝土剪力墙的混凝土纤维中的应变与极限应变的比值选为0.002，分析结果表明：剪力墙钢筋中的拉应变与屈服应变的比值都小于限值；墙中的剪应力与抗剪强度的比值，亦均小于限值。周边框架柱的最大轴向压力为承载能力的40％左右，框架柱未出现拉力；框架梁在地震中有屈服，但均不超过防止倒塌的限值。屋顶“皇冠”钢构件处于弹性。

总之，结构在大震下的反应是可以接受的，结构没有受到严重破坏而倒塌，除了连梁以外，结构大致保持弹性。连梁的塑性铰的出现很显著，增加了结构消耗地震能量的能力。

图5 核心筒剪力墙变形情况

其中，剪力墙结构在大震下的性能评价如表3 所示。

7 设计关键问题和对策

7.1 复杂建筑造型及风环境的风荷载确定方法

双塔建筑高度达303m，平面净距约50m，形态立面变化复杂，面向赣江；且存在双塔对风流场相互干扰等复杂风环境情况，风荷载的确定非常复杂[4]。为准确评估塔楼设计风荷载，采用风洞试验进行双子塔风荷载评估，本项目风洞试验由RWDI 完成，如图6 所示。

在风洞测试中对南、北办公塔楼均进行了模拟并考虑周边的远期发展，为此模拟了两套场地方案：（1）仅模拟南、北塔楼及周边现有建筑物；（2）在模拟上述建筑物的同时，增加模拟位于场地西侧的一个待建的250m 高的塔楼。风荷载计算采用2%的阻尼比，根据测试结果，两方案结果基本上相同(1%以内)。说明待建塔楼对两者的影响不明显，可以忽略。

图6 南昌绿地中央广场双塔风洞试验模型

风洞报告显示南塔的风荷载较北塔的大，为保守考虑，取南塔方案2 的风洞结果用作两栋塔楼的结构分析和设计，又风洞荷载较规范风荷载略大（如表4 所示），故结构分析计算都以风洞荷载为基础。

7.2 核心筒竖向切角及斜墙转化设计

根据建筑体型逐层变化的要求，核心筒平面形状在21~23 层及52~54 层分别作了切角收进由正四边形变化为正八边形，在这两处结构转换位置都设置斜向墙体，使核心筒具有连续的传力路径。

斜向墙体在竖向荷载作用下，在斜墙的起始及转折楼层处产生水平力，该水平力通过与倾斜墙体相交的外围翼墙直接进行传递，根据上述斜墙传力机理，墙体因内倾起斜楼层将产生水平拉力，在斜墙顶部则产生水平压力，如图7 所示。

确定以核心筒外翼墙作为平衡斜墙产生水平力的封闭环状结构。为此对核心筒斜墙转换区域采用有限元进行详细应力分析，如图8 和图9 所示。在采用包络荷载且不考虑楼板作用下，未见明显的应力集中，该区域墙体竖向最大压应力约为20MPa，最大环向拉应力小于0.47MPa，设计时为提高墙体抗拉承载力在核心筒外翼墙起斜处及顶部位置处剪力墙暗柱内分别增设型钢并在环向设置型钢暗梁等办法来予以加强。

核心筒墙体因斜向转换在底部、顶部的楼板中亦产生拉、压力，楼板部分区域出现应力集中，通过在核心筒周边楼板2m 范围内增设楼板中部钢筋来平衡加强。

7.3 钢管混凝土叠合柱设计

外框架柱（底板面~28 层）采用钢管混凝土叠合柱。叠合柱由中部钢管混凝土和钢管外钢筋混凝土叠合而成，塔楼地上部分底部框架柱截面为Φ1200mm，混凝土强度等级为C60，内置厚度28mm、直径550mm的圆钢管（图10）。28 层以上框架柱由钢筋混凝土柱加配芯柱过渡到全部采用钢筋混凝土柱[5]。

图10 塔楼地上部分钢筋混凝土叠合柱示意

图11 钢管混凝土叠合柱节点详图

塔楼几何形体的特点是通过改变每层框架柱的倾斜角度来体现，采用钢管混凝土叠合柱与塔楼几何形体的变化紧密契合，钢管外的混凝土又可兼具防火作用，经济性得以大大提高。钢管约束作用使管内混凝土的轴心抗压承载力大幅度提高，从而显著减小柱截面尺寸。叠合柱内部钢管混凝土的轴向刚度较大，相应的钢管外混凝土分担的轴压力相对较小，易实现具有延性的大偏心受压破坏形态。在轴压力和往复水平力作用下，柱内钢管的存在延长了柱从屈服到破坏的过程，使叠合柱具有良好的延性和耗能能力。钢管内的混凝土提高了柱的抗剪承载力，实现强剪弱弯。钢筋混凝土框架梁与叠合柱的连接节点见图11。

7.4 塔冠设计分析

南昌绿地塔冠建筑造型复杂；塔冠结构高度48.5m，且位于250m 标高的主塔楼结构大屋面之上，为整个项目设计的难点之一。其建筑形态如下图12 所示。

图12 南昌绿地塔冠建筑效果图

图13 南昌绿地塔冠结构体系

塔冠结构采用的主要抗侧力体系为核心筒—外框架—类伸臂桁架体系；次要抗侧力体系为外围带支撑的钢框架结构体系，如图13 所示。其中塔冠核心筒在塔冠结构底以上22 米范围内是由主体结构核心筒延伸至此；而在22 米以上为钢结构支撑筒，采用内外两排带支撑的双排框架封闭形成。

采用Etabs V9.7.4 进行设计，塔冠的钢材材质采用Q345B（强度控制杆件）及Q235B（长细比控制杆件）。独立模型结构底支座采用三向固定铰支座；杆件之间外框梁为刚接，其它杆件连接均为铰接。塔冠立面图如图14，平面布置如图15，底部混凝土核心筒、中高区钢支撑核心筒如图16 所示。

塔冠构件设计前，需开展如下专项分析研究以获得结构与构件设计必须的参数。

(1)、鞭梢效应对塔冠独立模型下地震力放大取值研究

塔冠鞭稍效应的考虑方法为在带塔冠的塔楼整体模型中充分考虑塔冠的地震作用，采用尽可能多的振型以确保塔冠部分的振型质量参与系数达到规范要求的90%的要求，从而确定塔冠部分的地震剪力，再与塔冠独立模型的地震基底剪力比较，确定鞭梢效应对塔冠独立模型计算时地震力的放大。

经过计算必选，带塔冠的塔楼整体模型的计算振型数达到700 阶时，塔冠部分的质量参与系数可满足规范要求。下文以塔冠第1 阶振型为例，对比整体模型中塔冠与塔冠独立模型的振型对比示意图，如图17所示。

将计算振型达700 阶的整体模型以及计算了150 阶振型的塔冠模型地震下塔冠底基底剪力统计如下表5。塔冠鞭梢效应分析表明，本工程塔冠地震力由于鞭梢效应的放大系数为2.15，工程设计时，偏于安全的考虑，在塔冠独立模型进行结构设计时，取地震力放大系数为2.5。

（2）、补充分析了塔冠关键柱屈曲分析以及对若干关键节点有限元分析，分别如图18 和图19 所示。

在上述专项分析的基础上，塔冠总体指标、构件应力比及长细比等经过分析必选，均满足规范要求。

8 结语

南昌绿地中央广场项目双塔结构设计最大限度地满足建筑功能要求，通过风洞试验分析比较合理选取确定风荷载值，核心筒剪力墙采用切角设计，进行两次角部墙体转换。为顺应建筑几何形体的变化要求，框架柱采用钢管混凝土叠合柱，找到经济性与实用性的平衡点。将新型结构形式运用于塔冠结构，使其更为新颖、安全、可靠。建成后已成为江西南昌市的一座地标性建筑，为南昌市带来了巨大的经济和社会效益。

参考文献

[1] M.HalisGunel,H.EmreIlgin. A proposal for the classification of structural systems of tall buildings[J]. Building and Environment,2007, 42(7):2667-2675.

[2] 李霆, 陈焰周, 肖飞等. 巨型框架与框筒复合结构体系设计[J]. 建筑结构, 2012, 42(12):19-25.

[3] Mohsen Malekinejad, Reza Rahgozar. A simple analytic method for computing the natural frequencies and mode shapes of tall buildings.Applied Mathematical Modelling, 2012,36(8): 3419-3432.

[4] 季俊.某超高层结构受相邻干扰体影响的数值风洞模拟[J]. 计算机辅助工程, 2013, 22(5):74-78.

[5] H.El-Sokkary, K.Galal. Analytical investigation of the seismic performance of RC frames rehabilitated using different rehabilitation technique.Engineering Structures, 2009, 31(9):1955-1966.

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注：本文转自第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文《南昌绿地中央广场双塔结构设计研究》作者：岑伟、季俊,陆道渊，黄良，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！