38-刘灿、陆道渊等-长沙世茂塔楼结构设计

长沙世茂塔楼结构设计
刘灿，陆道渊，路海臣，黄良，李敏，童建歆，赵凯
(华东建筑设计研究总院，上海200002)
提要：长沙世茂塔楼采用圆钢管混凝土外框柱-混凝土核心筒混合结构体系。

本文介绍了基础形式、塔楼结构体系以及结构计算的主要结果，另外对结构的嵌固端、弱连接连廊以及圆钢管混凝土梁柱节点等主要结构特点进行了阐述。

最后对人工挖孔桩的施工注意事项进行了说明。

关键字：超高层；混合结构体系；人工挖孔桩；圆钢管混凝土柱；嵌固端；弱连接连廊；
1、工程概况
长沙世茂滨江项目D-8-2 地块位于湘江西侧, 岳麓大道以北，靠近湘江二桥。

项目地上总建筑面积约148,371平方米,由一栋超高层酒店兼办公综合体及其配建多层裙楼组成。

综合体塔楼结构高度为216.400米，建筑高度为241.000米。

地下3层。

裙房地上4层，地下3层；±0.00绝对标高为44.500，底板面标高-14.300m。

酒店塔楼和裙房地下连成整体。

上部结构综合体、裙房及住宅各自独立，采用连廊连接。

图1。

塔楼功能包括办公、酒店，办公层层高4.0m，酒店层层高3.8m，设备/避难层层高为7.5m和5.75m。

建筑剖面图见图2。

本工程塔楼采用圆钢管混凝土外框柱-混凝土核心筒混合结构体系，与裙楼在首层以上设防震缝断开。

塔楼的设计使用年限为50年，主要构件的耐久性设计使用年限为100年；抗震设防类别为重点设防类（乙类建筑）。

本工程抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，按规范的设计基本地震加速度0.05g。

图1 建筑效果图图3 桩型布置图
2、基础与地下室设计
工程场地地形呈台阶状，中间高，四周低，整体呈南高北低的地势。

场地内埋藏的土层从上到下为人工填土层，第四系坡积层、第四系上更新统冲积层、第四系残积层，下伏基岩为元古界板岩。

塔楼地下室埋深14m ，采用桩筏基础（图3），桩型为带扩大头的人工挖孔桩，有效桩长平均为27m ，桩身混凝土设计强度等级为C40；筏板厚度核心筒区域为3.5m ，外围2m ，混凝土设计强度等级为C40。

桩端以⑦-2层中风化板岩为持力层，入岩深度取桩端全面进入持力层不小于2m 。

桩的尺寸以及单桩承载力见下表1，单桩承载力仅考虑桩端阻力。

桩型见图4。

桩布置外围框架柱下一柱一桩，核心筒内在竖向力大的核心筒外墙下布置椭圆形大直径桩，在竖向力较小的核心筒内墙内均匀布置直径较小的桩，同时保证桩布置整体平衡和局部平衡。

该布置方案传力直接、桩之间的间距满足《建筑桩基技术规范》[2]的要求，是一个经济合理的方案。

A 型
B 型 图2 建筑剖面图
图5塔楼结构计算模型
图4 桩型示意
3、 上部结构体系
该工程为风荷载起控制作用。

《高层建筑混凝土结构技术规程》[1](JGJ 3-2010)中4.2.2的规定：承载力计算时，基本风压应按基本风压值的1.1倍采用；位移计算时，基本风压可按50年重现期的风压值采用，50年一遇的基本风压为w 0=0.35 kN/m 2，地面粗糙度类别为C 类。

结构整体刚度控制需要满足三个方面的要求：①结构在侧向力下的层间位移限值；②结构的整体稳定（刚重比）
，主要控制在风荷载或者水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，以免引起结构
的失稳、倒塌；③最小基底剪力（剪重比）。

考虑环带桁架施工不便、结合满足建筑功能要求，确定采用不带加强层的双重抗侧力结构体系即钢管混凝土柱-钢梁框架+钢筋混凝土核芯筒，以抵抗风和地震产生的水平作用。

详见图5塔楼结构计算模型与图6塔楼标准层结构布置图。

塔楼办公标准层塔楼酒店标准层
图6 塔楼标准层结构布置图
塔楼核芯筒从承台面向上伸延至大厦顶层，贯通建筑物全高，容纳了主要的垂直交通，并承担竖向及水平荷载。

核芯筒平面基本呈三角形，位置居中，质心与刚心基本一致。

核芯筒采用钢筋混凝土剪力墙结构。

核芯筒的混凝土等级由低区到高区分别采用C60、C50、C40，提高构件抗压、抗剪承载力的同时，可有效降低结构自重及地震质量。

外墙的墙体厚度为1200mm~400mm。

塔楼核芯筒外采用钢梁+钢筋桁架楼承板。

核心筒外楼板厚度为110mm~130mm；核芯筒内采用钢筋混凝土楼板，板厚为150mm。

楼面钢梁的跨度为10~11m，楼面梁与核心筒墙为铰接，与外框柱为刚接，楼面梁与核心筒铰接节点详图7。

外围框架柱采用圆钢管混凝土柱，本工程所用的圆钢管混凝土柱的最大直径为1400mm，钢管内壁厚为30mm。

钢管内设置栓钉保证外包钢管和内部混凝土的共同作用。

钢管内混凝土采用微膨胀混凝土，保证钢管内混凝土浇捣密实。

图7主/次梁与混凝土墙体铰接典型节点
4、结构计算主要结果
在设计中使用了SATWE软件进行分析和设计，用杆单元模拟柱和梁，用壳单元模拟剪力墙，用膜单元
模拟楼板。

结构阻尼比取4%，结构计算的主要指标见表2。

结构的主振型以平动为主，以扭转为主的第一振型周期与以平动为主的第一振型周期比为0.58。

结构的最大层间位移角为1/1052，小于规范的要求。

最大层间位移比为1.59，位置为首层，按照《高规》[1]的要求，首层的最大层间位移角不大于规程限值的40%时，该楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与该楼层平均值比值可以适当放松，但不应大于1.6，满足规范的要求。

结构的楼层剪重比最小值为0.67，满足规范的要求。

结构的楼层刚度比为1.64，满足规范稳定性要求，需考虑结构的P-Δ效应。

5、结构设计特点
5.1结构嵌固端
常规为了减少结构计算高度，将嵌固端设置到±0.000层，需要满足《抗规》[3]的规定：①地下室的抗侧刚度大于嵌固层以上楼层抗侧刚度的2倍以上，②本层楼板没有大开洞。

根据相关研究得出，土体的侧向约束刚度较弱，土体对塔楼地下室结构的约束作用很小，本工程土层水平抗力系数的比例系数（M值）取3，考虑较少土约束作用。

M值越大表示土对结构的约束作用越强，一般可取2.5-100之间。

本工程有条件将嵌固端设置到±0.000层。

根据规范规定，地下室的抗侧刚度可以考虑地上结构周边外延20m的范围内，本工程塔楼外围20m范围内部分为地下室外墙，可以提供较大刚度。

另外在建筑允许的范围内，如建筑楼梯周边等位置适量增设地下室墙体。

详图8下室竖向结构布置图。

由于室外地坪覆土等需要，楼板有高差，采取框架梁加腋的构造做法（图9）有利于水平力传递。

图8地下室竖向结构布置图图9梁加腋构造做法
5.2弱连接连廊布置
塔楼与裙房之间在3层~5层用弱连接连廊连接。

图10。

历次震后观察，连廊的破坏在地震中较为常见，且具备下面特点：
（1）当连廊与两边主体结构的连接形式采用刚接时，在地震中塌落少一点，但一旦拉断坠落，与连廊连接的主体结构也破坏严重。

（2）当连廊与两边主体结构的连接形式采用滑移支座时，连廊较为容易塌落，两边主体结构一般无影响。

（3）当连廊搁置在主体结构的牛腿上，连廊更常塌落，设计时应该保证连廊与主体可靠连接。

本工程连廊设计考虑塔楼与裙房的总高度相差大，靠主楼一侧采用滑移支座；图11。

而靠裙房一端采用盆式铰接支座，支座与主体结构可靠连接。

而滑移量以及支座受力提高到大震弹性的情况考虑。

图10 空中连廊位置示意图11
连廊钢梁与钢管砼柱滑移连接节点详图
5.3 圆钢管混凝土梁柱节点
圆钢管混凝土柱的外围钢管对管内混凝土形成三向约束作用，具备较高的承载能力和延性，且施工质量容易保证。

钢管混凝土与梁连接的节点区是薄弱环节，需要特别关注。

图12为钢筋混凝土叠合柱与混凝土梁的连接节点做法。

在梁柱连接位置需要设置牛腿保证剪力的有效传递，且在圆钢管柱内需要在梁钢筋的相应位置设置隔板保证梁内拉压应力的有效传递。

图为钢管混凝土柱与钢梁的固结节点。

图12钢筋混凝土叠合柱与混凝土梁连接节点图13 钢管混凝土柱与钢梁连接节点
6、结论
1 桩布置原则：整体平衡+局部平衡。

局部平衡是指在竖向受力大的核心筒外墙下布置大直径椭圆桩，而在竖向受力较小的核心筒内墙下布置直径较小的圆形桩。

对于大型受力构件，传力路径短受力明确可以使整体结构设计得以实现很大程度的经济合理性。

2 对于210多米的超高层、竖向刚度变化均匀、地震烈度不大，可以不设置伸臂、环带等构件，利用外围框架+混凝土核心筒双重抗侧力即可抵抗水平方向力，方便施工节约造价。

3 当实际工程情况有利时，可以考虑将嵌固端设置在正负零，减少结构计算高度，实现经济合理的结构布置。

例如本工程地下室外墙位于塔楼外两跨范围内，根据规范可以考虑地下室外墙的刚度贡献，在地下室内仅增设少量墙体便可以满足嵌固刚度要求。

4 弱连接连廊一端与塔楼采用滑移支座、另外一端与裙房采用铰接支座的弱连接方式保证连廊与主体结构可靠连接。

参考文献
[1] JGJ-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.
[2] JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京，中国建筑工业出版社，2008.
[3] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京，中国建筑工业出版社，2010.。