第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 超高层建筑塔冠结构设计与研究 周建龙，包联进，陈建兴，钱鹏，方义庆，吴思宇，汪大绥，陆道渊 （1.华东建筑设计研究院总院，上海200002） 提要：超高层建筑塔冠超高层建筑塔冠由于部位高且造型特殊，结构选型、分析和设计与普通结构相比有其独特的要 求.
本文以大连绿地中心塔冠为例，从塔冠对整体结构设计的影响、减小风荷载策略、塔冠结构选型、塔冠结构分析 和塔冠结构设计等方面对超高层建筑的塔冠结构设计中的关键问题进行探讨和研究.
分析表明，塔冠风荷载对塔楼结 构设计影响很大，应采取开洞、开孔或其他措施减小风荷载：塔冠鞭梢效应较大，可采用加速度放大系数和楼面谱法 分析确定：塔冠结构设计除了普通结构需考虑的问题之外，还需重点关于塔冠结构抗震性能目标、塔冠支座的嵌固作 用、疲劳问题和施工可行性等.
关键词：超高层建筑，塔冠，风荷，鞭梢效应，劳 1引言 塔冠位于建筑的最顶端，是整个建筑物曝光率最高的部位，塔冠往往 是整个超高层建筑立面的点晴之笔.
塔冠造型不仅要与塔楼整体相吻合， 又要足够特殊以符合代言整个建筑的角色，塔冠造型因此比塔楼特殊复杂.
塔冠一般没有使用功能，不含计容面积，因此设置塔冠可在保持建筑面积 不变的前提下提高建筑物的高度.
当前，为争夺城市、地区、国家甚至世 界超高层建筑的最高点，超高层建筑的塔冠高度呈逐渐增大的趋势.
超高 层建筑中，塔冠高度的增加和塔冠造型的特殊不仅对塔冠本身的结构提出 更高的要求，也对整体塔楼的结构设计带来不可忽略的影响.
大连绿地中心的建筑高度518m，塔冠高度117m，塔冠高度比例高， 塔冠高度与下部主体结构高度比为0.29.
且塔冠体积大，造型特殊（如图 1）.
本文以大连绿地中心塔冠为例，从塔冠对整体结构设计的影响、减小 风荷载策略、塔冠结构选型、塔冠结构分析和塔冠结构设计等方面对超高 层建筑的塔冠结构设计中的关键问题进行探讨和研究.
2塔冠对塔楼整体结构设计的影响 图1大连绿地中心效果图 塔冠一般没有使用功能，竖向荷载主要为结构自重、幕墙、检修通道和设施，塔冠传给塔楼主体结构 的竖向荷载不大.
塔冠位于建筑的顶部，承担较大的风荷载.
该风荷载通过塔楼主体结构传递至地面，在传递过程中， 引起较大的水平剪力和倾覆弯矩.
超高层建筑中，塔冠风荷载引起的倾覆力矩占塔楼倾覆力矩比例与普通 建筑相比更高.
超高层建筑结构自身周期较大长，地震作用下，顶部塔冠引起的鞭梢效应相比普通建筑更 基金项目：“十二五“国家科技支撑计划课匿（2012BAJ07B01) 作者简介：周建龙（1965-)，男，教授级高工
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 为显著.
为抵抗塔冠水平力引起的附加倾覆力矩，需增加塔楼主体结构的刚度.
当不改变塔楼主体结构体系， 为提高塔楼的刚度，需增大抗侧力构件截面尺寸.
超高层建筑结构中，抗侧力构件的重量占结构自重的比 例可达60-70%，抗侧力构件截面尺寸的增大在增大结构抗侧刚度的同时会显著增加结构的自重.
表1为大连绿地中心塔冠风荷载引起的剪力和倾覆力矩与整体塔楼的剪力和倾覆力矩的比较.
由于塔 冠高度比例较大，无塔冠的模型要比有塔冠的模型的风荷载要减小10%左右，基底的倾覆力矩可减小达20% 左右.
表1有、无塔冠塔楼的风荷载比较 无塔冠模型 有塔冠模型 （无塔冠-有塔冠有塔冠 X向 Y向 x向 Y向 X向 Y向 基底剪力(kN) 76877 81921 85179 93021 -9.7% -11.9% 基底顿覆力矩(kN-m) 20959883 22638300 25068492 28139084 -16.4% -19.5% 在满足相同层间位移角的前提下，无塔冠的结构抗侧力构件截面尺寸可大幅减小约25%，结构自重可 从41.6万吨减小到35.6万吨，减轻14.4%，墙、巨柱的用钢量也可相应减少.
以上的分析说明本结构的塔冠是影响整个结构设计的一个至关重要的因素，需特别关注.
31 塔冠结构风荷载的应对策略 当塔冠高度比例较大时，塔冠的风荷载对结构设计会产生巨大的影响，因此减小风荷载应在塔冠造型 方案过程中就加以考虑.
大连绿地中心方案设计阶段，结构就与建筑、风工程等专业一起协作，探讨减小 塔冠风荷载的造型，包括采用在塔冠开大洞、设置透风孔、采用锥形化的造型等，并进行开孔率对塔冠风 荷载的影响研究.
最终，塔冠保持建筑预想造型外，在三个凹面开了大洞，在三个垂直面设置开孔.
对不 同透风孔开孔率下塔冠的风荷载进行研究，当塔冠开孔率由25%增加到50%时，塔冠承担的风荷载减小约 26%.
4塔冠结构体系选型 (a)框架支撑体系 (b）空间网格体系 (c）斜交网格体系 图2塔冠结构体系
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 对于如图1所示的塔冠形式，其三组竖向筒体结构可采用的结构的体系主要有框架支撑体系、空间网 格体系和斜交网格体系等.
表2从结构的抗侧效率、杆件截面大小、节点的连接与构造、主体结构的连接 和制作安装的难易程度来评判，其中A表示最优，C-表示最差.
表2各方案的比较 结构体系 抗侧效率 杆件截面大小 节点的连接与 与主体结构的 制作安装的难 构造 连接 综合评价 框架支撑体系 A- B A A A A 空间网格体系 B B B B B B 斜交网格体系 A A c B B B 从上表的分析结果来看，各方案由优到差的排列顺序依次为框架支撑体系、空间网格体系与斜交网格 体系，因此建议采用框架支撑体系.
5塔冠鞭梢效应分析 5.1塔冠结构分析模型 塔冠结构分析分别采用含下部主体结构的整体模型和单独塔冠模型进行.
整体模型可全面考虑塔冠鞭 梢效应，地震作用下塔冠的受力和变形更加合理.
单独模型在塔冠结构的调整和承载力校核时更加方便.
但单独模型中，地震作用、风荷载和温度作用下塔冠的内力需进行调整，使结构、构件的受力与整体模型 计算结果相符.
塔冠结构的分析模型如图3所示.
(a)单独模型图 (b)整体模型图 图3塔冠结构分析模型图 5.2塔冠结构基本周期 在塔冠坐落于刚性地坪的假定条件下，塔冠的第一、第二周期分别为1.145s及1.145s.
振动形态均为 整体结构的左右摆动，第三周期为0.783s，其振型模态为整体扭转，振型模态见图4.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 T1=1.145s T2=1.145s T3=0.783s 图4塔冠结构的振型模态 5.3鞭梢效应分析 （1）塔冠底部加速度放大系数 为了确定塔冠结构的鞭梢效应，采用Sap2000软件对含有塔冠结构的整体模型进行了弹性时程分析.
输入5组天然波和2组人工波，得到塔冠支座节点处（如图5所示）的最大加速度响应与输入加速度的比 值（表1），由此确定鞭梢效应引起的塔冠地震作用放 大系数.
单独模型分析中，偏于安全考虑鞭稍效应， 水平地震作用放大系数取为3，竖向地震作用放大系 数取为6.
表3震作用放大系数 点号 放大倍数 a 1 2.4 1.6 4.0 2 2.0 2.4 4.0 3 2.1 2.1 4.3 4 1.9 1.9 4.2 5 1.9 1.6 3.7 图5塔冠底部提取加速度的位置 （2）楼面谱分析 考虑塔冠鞭梢效应的特殊性，采用楼面谱分析，验证塔冠地震放大系数的适用性.
将上述5组天然波 和2组人工波在点1处产生的加速度相应进行傅里叶变换，得出点1处的楼面谱，并将其与按上文计算出 的地震作用放大3倍后的反应谱进行比较，如图3~图5所示.
可见，在塔冠结构主要的振型周期点上，按地震作用放大系数放大后安评反应谱与楼面谱的数值基本 相符，说明上文计算出的地震作用放大系数进行塔冠结构设计是合理的.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 020 安评x3 0.60 THISX 0.50 TH2SX TH3SX 0.40 THSSX TH4SX 地震影响系数a 0.30 TH6SX TH7SX 0.20 平均 TXI 0.10 TX2 0.00 90829722707819111018090020 0.10 周期(s) （a）x方向 0.70 0.60 安评x3 ASIHL TH2SY 0.50 THBSY ASH 地震影响系数α 0′°0 THSSY. TH6SY 0.30 TH7SY 平均 0.20 TYI TY2 0.10 000 0.10 周期(s) （b）Y方向 1.80 1.60 安评X6X0.65 THISZ 1.40 TH2SZ 1.20 TH3SZ 地震影响系数α TH4SZ 1.00 TH5SZ 0.80 TH6SZ TH7SZ 0.60 TZ1 0.40 0.00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 14 1.6 1.8 20 22 周期(s} 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6± 3.8 4.0 （c）Z方向 图6安评反应语与楼面谱的比较
