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1、第十九届全国高层建筑结构学术会议论文2006年苏州建园大厦超限高层结构设计赵宏康张为民戴雅萍(苏州市建筑设计研究院有限责任公司，苏卅|215002)提要本文介绍了大底盘多塔楼超限高层建筑一苏州建园大厦的结构设计。包括主体结构设计、采用SATWE和SAP84软件进行计算分析、丈面积出屋面顶盖结构选型和风工程分析以及基础设计可供类似工程设计参考关键词高层建筑，超限，多塔结构抗震，抗风，时程分析1工程概况苏州建园大厦位于苏州工业园区首期开发区商贸中心，是集金融、办公、商业于一体的综合性商业大厦，总建筑面积57572m2。大厦地下二层，地上由四六层裙房和十六层、十二层二座塔楼组成。其中十六层塔楼(x楼
2、)平面近似为椭圆形，长轴向5076m，短轴向29m，共19个结构层，屋面标高826m；十二层塔楼【Y楼)平面近似为椭圆形，长轴图l剖面图趔#：壤弓197010出生顿士，高鳓l程师515向395m，短轴向236m，共15个结构层，屋面标高583m；裙房平面尺寸为67x92m，南部四层，北部六层。在两个塔楼屋面上方各设一正投影与楼面完全相同的顶部造型。剖面如图l所示。因建筑立面和使用功能的要求，主体结构不能设置永久性的结构缝，下部裙房因此成为两座塔楼的大底盘，其结构体系是大底盘多塔楼钢筋混凝土框架一剪力墙结构。苏州地区抗震设防烈度为六度，本工程为丙类抗震建筑，所处场地是三类建筑场地。目前该工程L建
3、成投入使用。第1九届牟闫高层建筑结构学术会泌论文2006年从例2示出的一八层平面可见，建同人厘的两个塔楼在平面上相对丁裙楼簪45方向斜置，在地卜I一层和首层囡汽乍坡道盘旋而形成不规则的人开洞，地上二五层冈设置了很大的中庭、挑空并有立面缩进，同时建筑师为使塔楼各层获得更灵活的空间布置，塔楼内柱网跨度达剑15m：两个塔楼标准层层商均为42m，地卜两层层高均为45m，首层层高6m，二、=层5m，四、五、六层45m。四层以F混凝士等级为C50向上渐降至C30。故此本建筑体型复杂、极不规则：多塔楼、人跨度、大开洞、人悬挑、火偏心，连接相对薄弱，属丁超限高层建筑。窭一划lIIllI+一一一一震一一ifb书
4、一b几_E一i虹虻【I_J_|一l-l州l嘣I血I-l_I一1堪结构平面图畦洲l卜十斗爿ll汐震眵淫i罪：骗+H_IH书卅#琳荆I二11一ll一1一lIIII：层结构平面圉i崩结构平埘圈层结构平面罔鼎晶髟刹j谬辟#9r广o学抖=刊H_H卅+卜卜+州_I一一【j_一l四层结构平ml蹦图2一六层结构平面图516A培结构平面嘲第l几届争国高层建筑结构学术会议论文2006年2主体结构设计21抗侧力构件布置及设计两个高层塔楼都结合楼电梯问设置剪力墙，与周围柱形成框架一剪力墙结构。但闻建筑上要求获得尽可能人的灵活使用空间，两个塔楼的剪力墙分布不均匀，尤其Y楼剪力墙集中偏置于一侧，结构布置时特意减少部分不对
5、称的剪力墙，适肖加大部分墙厚以及在适当部位开结构洞使两个塔楼的剪力墒分布尽可能均匀，以减小刚度中心和质量中心之间的偏心距，从而减小在水平作用F的：H转效虑。从图2可见，两个塔楼从二层开始与裙楼的联结就相当薄弱，所以设计时不但进行了大底盘双塔楼整体计算还按两个塔楼分别具有白成体系的抗侧力构件、即使完全不考虑裙楼的作用也能够在水平力作用下提供足够的抗力要求进行了复核。塔楼白身高宽比不超过3，可以满足要求。通过加强塔楼周边框架粱(加人宽度)来改善整体刚度分布。对一三层空旷部位的剪力墙暗柱、暗梁适当提高配筋率，并将剪力墙加强区向上延伸3层。对框架柱严格控制轴乐比，是犬不超过O85，以保证其延性。电算分
6、析结果显示两个塔楼各自楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移与楼层两端弹性水平何移和层间位移平均值之比分别为108和13，剪力墙承受了大部分地震作用，框架也具有承担一定侧向作用的能力，证实上述措施达到了预期的效果。因裙楼部分层高较高，为调整层闻刚度比，并使裙楼范围内刚度分布均匀，结合大堂内楼电梯间的布置，在裙楼中加设一处钢筋混凝土简体，同时加大底层至三层部分剪力墙的厚度使层刚度比控制在规范允许范围内。22大开洞、不规则楼面的设计从图2可见，二二层楼面开洞面积很大，X楼L乎全空；二五层平面上多处凹进，平面极不规则，土、裙楼联系相当薄弱。为加强联结、保证楼板刚性，二五层楼板在沿人开洞和凹进附近一
7、定范罔内加厚到150mm、180ram，采用双层双向配筋，将含钢率提高副05。同时通过多条施I斤浇带(图2中阴影部分)把楼面在施】二阶段分成相对完整的四人部分，解决了超长平面混凝十早期收缩应力可能引起开裂的问题，也释放了一部分由施l：期间沉降差引起的内力。在六层，裙楼与塔楼间仅有一条走道型相连连接极其薄弱，故设置防震缝断开，做到彻底的“放”。2tj3裙楼局部抽柱及裙楼屋面大悬挑雨蓬的设计。5斗建筑功能上为获得宽敞的人堂和充裕的活动空问，要求在1一二层x轴相交处抽Z-四根柱子，形成16m大跨度。T且该区域在五层、六层退台，在七层有8m大悬挑的雨蓬，局部叶剖面如图3所示。同时建筑上耍求轴桂列的尺寸
8、不超过叶700 x700mm。没计比较r预麻力混凝十和刑钢、混凝十两种方案。9a预席力混凝十方案是在：、二、四层框架主粱和轴梓中施加预麻力。经计算分析吲g层仪跨中一根桂而不能形成空腹桁。517：i复式框架扛嘶阐第1九屑全圉高层建筑结构学术会议论文2006年架，二层梁中的次弯距在跨中和支座处均与荷载作用F的弯距同号，叠加后数值很人：同时在四层轴处的框架顶边：霄点上弯距很人，在柱截面不得超过700 x700mm的限制F柱中预应力筋排列凼难。需采取施1：阶段铰接、使用阶段刚接的方案，把结构自重F的大部分内力调到梁的跨中方能解决这个问题。但冈张拉预应力将在周罔不规】JlIj布置的结构构件中引起分布复杂
9、的次内力，而这些构件人多为主、裙楼之间本已相当薄弱的连接构件从抗震概念设计的角度来讲是不利的。型钢混凝土方案是将(蛩轴拄和二四层粱设计成趔钢混凝十。经试算，在建筑允许的梁、柱截面尺寸范围内可以满足承载能力和正常使用两种极限状态的要求，且延性很好、抗震性能优良。与七层处悬挑8m的箱形钢粱连接，在构造上也易丁处理。因此设计中采用型钢混凝土结构方案。S主体结构计算分析按照对超限高层“计算分析应采用两个及两个以上符合结构实际情况的力学模型”的要求分别采用高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE和微机结构通Hjl分析程序SAP84对整体结构进行分析计算了090、45135两个方向水平作用卜-的内力。并采
10、用弹性动力对程分析方法进行了补充计算，以进一步发现结构的抗震薄弱部位，有针对性地采取加强措施。在使用SATWE分析时，剪力墙采用出口节点模式，六层以下楼板采用弹性楼板6模拟，较准确地模拟了剪力墙和楼板的真实受力状况及对整个结构的刚度贡献。采用总刚模型、耦联计算考虑了结构空间整体扭转的影响。共考虑了36个振型组合。弹性时程分析输入地震加速度的最大值取18cms2，选取ECentro波、WWashington波和类场地土人工波MMw3，时间间距为002秒，阻尼比取为005。在使用SAP84分析时，梁柱采用三维框架单元(类型代码=3)，考虑了轴向拉压变形、轴向扭曲变形和具有剪切作用的弯曲变形，每个端
11、点有六个自由度：裙楼各层楼板采用板壳单元(类型代码=14)，为平面应力膜与扳叠加而成的四节点非协调单元每个节点具有六个自由度，其中三个是膜自由度(u，u。0：)，三个是板自由度(e工，0。，)，每个单元共24个自由度，可不带任何附加约束条件与其它单元很好的连接起来：七层以上主楼楼板采用“刚性楼板”模型；剪力墙采用墙元(类型代码=5)，为在板壳单元基础上根据静力凝聚原理开发的一种专用于土建结构的四节点矩形单元，每个节点有全部空间六个自由度，既具有墙所在平面内的刚度，义具有平面外的弯曲刚度，能与任意空间框架的梁、柱直接组合。采用SAP84版本50的求解器求解，模态分析采用瑞利一里兹法。主要计算结果
12、见表l。从计算结果可见结构顶点位移和最大层间位移都满足规范要求。地震作用下剪重比接近O02瑾(_O8)，自振周期偏长，说明整体结构偏柔。分析结果显示剪力墙所承担的地震作用约IIi54。由幽4所示时程分析的主要结果可见，整个结构最大楼层位移曲线较518第1几届伞国高层建筑结构学术会议论史2006年为平滑，没有突变，说明结构综合抗侧力能力在竖向的分布较为均匀。最人楼层反应在裙楼部分明显大于塔楼部分(其中第5、第7结构层系局部夹层，反廊小属正常现象)，说明裙楼设计时应予加强，故在楼板厚度及配筋、柱墙混凝十强度等级沿楼层的变化、剪力墙连梁，土要墙肢配筋等方面作了适当调整。表1计算软件SK州ESAP84
13、V50受，U方向x方向Y方向x方向Y方向风顶点位移u1244m3226ram1410mm2755mrfl载U，Hl6638l，2560l5859】2995作用摄大层问位移u086ITmq197nlm102mm155rran下uhl4880l，2l33l，4118l2709Tl21984318182s白T217813sl4699s振tI削L17036sj1573s期一L15094s09538s地秒震、一T514075s0793ls作k12137s07822s用下顶点位移U1448ram1978mm16241786U，H157061，4I75l508814626摄人层问位移ul31mml62mml
14、48156uh1482713878l283812692剪重比088091090094注：表中的X方向、Y方向指与水平向逆时针旋转45的坐标系而言519第f九届聿=固l岛层建筑宝l!i构学术会泌论史2006年x舶-一柏4(mY抽n一3Dcm)x，-l：49187(kN)Y舳l：42弭aCkN)匠一壁匡琴匿二。：。二。：。二。二五2。二。二。：。冬厶。-。五2Y椰。二-二二2出屋面大面积顶盖结构设计图4二二孟2二I：茹。泛23一OiYL一3ELCHC在建筑方案中，两个塔楼的顶部各有一个腾空于屋面的、水平投影面与标准层平面形状完全相同的建筑造型，其正投影面积分别达到1197m2和676m2。其中X楼
15、顶盖两侧上翘呈v形面。建筑立面要求该顶盖外覆铝板，每个顶盖支撑在四根柱上，四周均向外悬挑(最大为148m)，从而形成了对风作用十分敏感的结构。设计时对顶盖结构考虑了格构式圈5X楼顶盖结构方案和网架式两个方案，如图5所示(x楼)。首先分别采用STS软件和空间网架网党结构计算机辅助设计制造程序MSGSV50进行竖向恒、活、雪载作用下的分析，初步确定构件布置及尺寸；然后采fj通片j有限元结构分析软件ANSYS55和同济大学下释核心结构系统研究中心自行开发的WRSAP95软件及抗风计算软件对项盖作顺风向响应分析、横风向共振验算和空气动力火稳验算。考虑到顶盖的特殊性，按100年一遇的基本风压取(-)o=05KNm2；对竖向风，根据参考文献1，取o18uo。根据建筑物所在位置迎风向2km范罔内建筑情况，地貌为B类，o=016，梯度风高度Hr=350m。场地水平风谱按我国国标采刚AGDanvenpot的沿高度不变的风速谱，竖向风谱采用H4Pan咖砂提出的风速谱。参照国外有关规范已有的类似模型数据，各表面的体形系数取川如图6所示。在横风向涡流脱落共振验算中，参考国外规范和通常经验墩斯脱罗呤数为015，横向力系数为O5；在空气动力失稳分析中，体弛系数的导数取o7。冈顶盖结构主要受力和520第1几届哞=闽南层建筑结构学术会议论义2006年变形部分为钢结构，计算中结构阻
