第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 大连绿地中心结构设计 汪大绥，包联进，陈建兴，钱鹏，江月，周建龙，陆道渊 （1.华东建筑设计研究院总院，上海200002） 提要：大连绿地中心为超高层建筑，建筑高度518m，结构高度400.8m，采用巨型框架支撑核心筒伸臂桁架结构 体系.
根据结构体系和受力特点，提出了具体的结构抗震性能目标和抗震加强措施.
整体结构弹性分析和弹塑性时程 结果表明，结构整体指标和抗震性能均满足规范和抗震性能目标的要求.
对特殊部位的结构和关键问题，包括减小风 荷载、支撑和伸臂布架效率、酒店区结构体系和剪重比控制等进行分析和探讨，为结构设计提供充分的依据，同时也 为同类工程和问题提供参考.
关键词：超高层建筑，风荷载，伸臂桁架，剪重比 1工程概况 大连绿地中心项目（图1）位于大连湾东港区，毗邻国际会议中心和大剧院，由一幢超高层塔楼、商 业裙房和地下室组成，主要功能为办公、公寓和酒店，总建筑面积为29.95万m²，地上建筑面积为22.03 万m²，地下建筑面积为7.92万m².
超高层塔楼地上83层，地下5层，建筑塔冠高度为518m，结构高度 400.8m.
裙房地上4层，地上部分与塔楼之间设抗震缝脱开.
建筑设计与结构设计均由华东建筑设计研究 总院承担.
超高层塔楼平面（图2）为具有弧形切角的等边三角形，底部切角较小，顶部切角较大.
L1-L37层， 楼层平面大小沿高度先略微增大再略微减小，切角三角形边长在51.2m~53.3m之间变化：L39至顶层切角 三角形边长逐渐收缩，切角三角形平面边长从51.2m减小为32.7m.
塔楼核心筒呈六边形，长边边长约为 29m，高度约34m，主要功能为高速电梯、设备用房和服务用房.
图1大连绿地中心效果图 图2塔楼平面布置图 （） 作者简介：汪大线（1941-)，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 本工程设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度，抗震设防类别属乙类建筑.
设计基本地震加速 度峰值为0.1g场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.4s.
根据本项目的地震安全性评价报告，多遇地震加速度峰 值为46gal，为规范为1.3倍.
本工程为风敏感性的超高层结构，基本风压为0.65kN/m²，地面粗糙度为A 类，设计风荷载和楼顶加速度需通过风洞试验确定.
2结构体系 塔楼主体结构采用巨型框架支撑核心筒伸臂桁架结构体系，形成了双重抗侧力体系来抵抗水平风和 地震产生的作用，如图3所示.
4 核心筒伸胃桁架 巨型框架支撑 巨型框架次框架 整体结构 图2塔楼结构体系 核心筒在平面居中布置，从基础筏板顶面延伸至结构顶层，贯通建筑全高.
核心筒外围墙肢厚度为 1400mm~400mm，中部墙肢厚度为800mm~600mm.
从筏板顶面到28层，外围墙肢内埋置钢板，形成组 合钢板剪力墙，中部墙肢以及28层以上的外围墙肢内设置型钢，形成组合钢骨剪力墙.
核心筒混凝土强 度等级底部为C60，高区为C50.
巨型框架由6根巨型柱、6道环形桁架、巨型钢支撑及框架梁组成，39层以下，在平面的长边布置6 根中柱，减小环形桁架跨度.
巨柱采用型钢混凝土截面（图4），含钢率为4.0%~5.0%.
巨柱底部截面面积 约19m²，沿高度逐渐内收，外侧保持平齐，顶部截面面积约8m².
环形桁架承担次框架传来的竖向荷载， 并与巨型柱形成巨型框架抵抗水平力.
为提高外围巨型结构的抗侧刚度，增加外围框架承担地震剪力的比 例，在50层以下的三组巨型角柱之间设置巨型支撑.
为协调核心筒与巨型框架的变形，提高结构的整体刚度，沿塔楼高度设置了4道2层高伸臂桁架（图 5）.
伸臂桁架延伸到核心筒墙体内，提高伸臂桁架整体性.
次框架每10-18层一段，由次柱和边梁组成，采用钢框架结构.
次柱和边梁刚接，用来将竖向荷载传
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 递给环形桁架和巨型柱，同时提供部分抗侧刚度，增大周边框架的抗侧能力.
次框架顶部与上部环形桁架 设置长圆孔螺栓实现竖向滑移，避免环形桁架上部的竖向荷载传递给次框架柱.
塔楼地上楼盖采用钢梁-组合楼板体系，楼板为压型钢板-混凝土组合楼板.
标准层楼板厚120mm，加 强层为200mm.
图3巨柱截面形式示意 图4伸臂布架布置示意图 3基础设计 塔楼基础采用天然地基筏板基础，筏板厚度4.5m.
塔楼基础埋深28.6m，为结构高度的1/14.
塔楼 基础持力层主要为中风化板岩，承载力特征值为2500kPa.
塔楼地基持力层局部含有构造破碎带，承载力 特征值约为500kPa-800kPa，构造破碎带埋深大部分位于底板以下7m范围内，设计中对底板以下7m范 围内的构造破碎带进行挖除，并回填C30混凝土.
裙房和纯地下室采用天然地基筏板基础，筏板厚度1m.
由于地下水位较高，抗浮设计水位为-2.75m， 裙房和纯地下室区域的底板存在抗浮问题.
结合当地常用的抗浮措施、施工条件和经济性，采用岩石锚杆 进行抗浮.
4整体结构弹性分析 整体结构采用通用有限元软件ETABS进行分析，并采用MIDAS作为补充校核.
4.1主要分析结果 结构前3阶自振周期为6.85s，6.61s，3.68s.
第1，2阶分别为49度方向和139度方向的平动主振型， 第3阶为扭转主振型.
第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.54，小于规范限值0.85.
不同地震水准和风荷载作用下结构的基底剪力和层间位移角见表1和表2.
本项目风荷载较大，风荷 载引起的倾覆力矩比中震的结果还大，风荷载引起的层间位移角明显大于小震下的结果，说明整体结构刚 度主要是风荷载起控制作用.
表1基底剪力和底部倾覆力矩 基底剪力（MN） 力作用方向 底部顿覆力矩（MN-m） 小震 中震 大震 100年风 小震 中震 大震 100 年风 X向 51 97 225 51 12 218 22 900 52 869 25 021 Y向 51 97 225 51 12 228 22 897 52 887 表2最大层间位移角 小震作用 50年风 X向(1/) 981 556 Y向(1/) 987 504 最不利地震方向（30度），结构的最小剪重比为0.0135，为规范限值0.0158（0.012x1.31）的85.7%.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 剪重比小于0.0158的范围为19层及以下，约为全部楼层度的22%.
设计中，对小震下全楼的地震效应进 行放大，放大系数取1.17.
结构整体稳定验算满足规范要求，但小于2.7，故本工程在弹性计算模型中应考虑重力二阶效应的不 利影响.
4.2小震作用下楼层剪力及倾覆力矩分配 小震作用下外框与内筒楼层剪力及倾覆力矩的分配如图6所示.
50层以下（1~4区），外框承担剪力 约占同层总剪力的12%~20%，与底部总剪力的比值均大于10%.
50层以上（5~6区），外框承担剪力约占 同层总剪力的18%~30%，占基底总剪力7%~9%，与51层（5区底部）层剪力的比值均大于10%.
从倾覆 力矩外框内筒分担情况看，外框承担更多的倾覆力矩，且随着高度的增加，外框承担倾覆力矩的比例更大.
多通地震下X向楼层剪力分配 多遇地震下X向倾覆力矩分配 901 一层剪力 80 一层辆覆力矩 核心简财力 核心简倾覆力矩 外框剪力 外框倾覆力矩 楼层 楼层 20 20 40 60 层剪力(MN) 80 5 000 5 090 10 000 15 000 层倾覆力矩(MN.m) 图5外框与内筒楼层剪力和倾覆力矩分布曲线 5结构抗震性能目标及弹塑性时程分析验证 按照性能化设计的思想，针对不同部分构件的重要性提出主要结构构件的抗震性能目标.
竖向抗侧构 件核心筒墙体的正截面承载力、支撑、伸臂桁架和次框架柱的抗震性能目标提高到中震弹性，墙体大震下 满足抗剪截面条件：巨柱、环形桁架含有转换功能的构件，抗震性能目标提高到大震不屈服：其余构件如 连梁和次框架梁允许中震屈服耗能.
小震和中震下结构的性能作为结构承载力验算的依据.
大震下的抗震性能通过弹塑性动力时程分析来 验证.
结构的弹塑性时程分析采用了有限元分析程序LS-DYNA.
地震时程波采用了2组天然波和1组人 工波，且每组地震波均含三个分量.
在罕遇地震下，塔楼在两个方向的最大层间位移角之平均值为1/200和1/206，满足1/100的限值要求.
核心筒包括底部加强区总体处于弹性，仅与伸臂连接的局部墙肢出现轻微的塑性变形，混凝土未出现明显 不利的受压状态.
核心筒连梁部分出现明显的塑性较，但塑性程度总体不高.
巨柱、中柱和环带桁架均处 于弹性范围内，伸臂桁架出现一定程度的塑性变形.
外框梁总体处于弹性，仅第二道伸臂以上的部分外框 梁出现较轻的塑性较.
塔冠构件总体处于弹性，仅部分柱脚处出现较轻的塑性变形.
弹塑性时程分析结果 表明，罕遇地震下结构整体刚度未明显退化，仍具有稳定的承载力，各主要构件的性能均满足抗震性能目 标的要求.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 6设计关键问题及策略 6.1减小风荷载 大连绿地中心建筑高度较高，基本风压较大，结构刚度由风荷载控制.
在塔楼体型基本确定的前提下， 通过风洞试验研究，采取措施尽量减小塔楼的风荷载.
本项目从初步方案开始，即关注建筑物的空气动力学优化，结构工程师与建筑师、风工程顾问紧密合 作对建筑体型进行了多轮抗风优化，采取了包括沿高度不断变化的体型，角部切角处理和增加塔楼表面租 糙度措施，破坏涡脱落沿建筑物的相关性.
风洞试验结果显示，本项目空气动力学外形较好，在极端风 情况下，结构设计荷载主要由顺风向控制风荷载， 横风向效应不明显.
大连绿地中心塔冠高约105m，塔冠高度高， 且造型为下部主体建筑的延续，迎风面非常大， 塔冠风荷载引起的基底倾覆力矩占整体塔楼的 30%以上.
设计中，对塔冠造型进行调整，包括 在三个凹面开大洞，在三个垂直面设置透风孔.
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，塔冠风荷 载减小26%.
图6大连绿地中心风润试验模型 6.2支撑与伸臂效率分析 为研究伸臂桁架和支撑的作用，对四种不同的结构方案进行对比分析.
四种方案的结构体系及其在50 年Y向风荷载下的比较结果如下表3所示.
方案B的周期明显小于方案A，说明支撑显著提高结构刚度.
方案C的周期也明显小于方案B，说明伸臂桁架可有效提高结构整体刚度.
方案D的周期明显小于方案C， 说明伸臂桁架的刚度对提高结构整体刚度有显著的影响.
设置支撑和伸臂桁架后，整体结构水平变形明显 减小，伸臂桁架对减小结构层间位移角作用更为显著，伸臂桁架的刚度也对整体结构的水平变形有较大影 响.
表3支撑与伸臂效率分析 结构体系 周期（s） 塔冠结构顶部位移（mm）) 最大层间 案 TI 位移 与方案A比值 位移角/1) A 巨型框架核心筒 8.47 1311 1.00 338 B 巨型框架支撑核心筒 8.07 1253 0.96 354 巨型框架支撑核心简单层伸臂析架 7.38 1149 0.88 481 D 巨型框架支撑核心简双层伸臂析架 7.02 1120 0.85 514 支撑后，对底部4区，外框承担的水平剪力比例明显增加，对5区和6区，由于没有支撑，外框承担的水 平剪力几乎没有变化.
设置伸臂桁架后，外框承担的水平剪力略有减小，倾覆力矩明显增加，而且伸臂桁 架刚度越大，外框承担的水平剪力越低，倾覆力矩越大.
支撑对提高结构刚度、减小结构变形和提高外框承担地震剪力比例有明显帮助.
伸臂桁架对提高结构 刚度效果明显，由于带动外框一起抵抗倾覆力矩，外框承担的倾覆力矩也显著增加.
随着伸臂桁架刚度的 增大，结构整体刚度有明显增加.
