成都环球中心的建筑是谁设计的（成都绿地中心主塔楼结构设计）
成都环球中心的建筑是谁设计的（成都绿地中心主塔楼结构设计）主塔楼结构高度452.1 米，高宽比为7.2，因此需要高效的抗侧力体系以保证主塔楼在水平荷载作用下的安全性。本项目主体结构采用“巨型斜撑外框架-核心筒-伸臂桁架体系”抗侧力结构体系，主要由以下几部分组成，具体如图2、图3 所示。1.2 结构体系成都东村绿地中心项目工程位于成都东村新区核心区北入口门户，中央绿轴西侧。基地北至驿都大道，东至银木路中央绿轴，南至杜鹃街，西至椿树路。场地建筑用地占地面积24530 m2。成都东村绿地中心项目工程为综合体项目，项目包括位于基地北侧的468 米综合功能主楼（T1 塔楼），位于西南侧和南侧的酒店公寓（T2 和T3）塔楼，和位于东南角的会议中心裙房。主楼共101 层，总建筑高度468 米，项目建成后将成为西南地区第一高楼（图1（a））。项目的地上总面积为226465 m2，包括位于5 层至46 层的甲级办公空间（总面积约120954 m2）、50 层至67
转自第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文《成都绿地中心主塔楼结构设计》作者：陆道渊，黄良，岑伟，吕佳，路海臣
摘 要：成都绿地中心主塔楼建筑高度468 米，结构高度452.1 米，采用了巨型斜撑外框架-核心筒-伸臂桁架体系。简要介绍了该项目的工程概况、结构体系特点以及结构整体弹性及弹塑性分析结果。根据结构体系和受力特点，对本工程制定了合理的抗震性能目标和加强措施，并对关键构件和节点提出了更高的性能目标要求，确保结构的整体抗震性能。采用ANSYS 以及ABAQUS 通用有限元软件对主塔楼关键节点进行数值模拟，研究结果表明：伸臂桁架巨柱连接节点以及巨型斜撑巨柱连接节点设计合理，安全可靠，设计及研究结果可为类似超高层建筑结构设计提供参考。
关键词：超高层组合结构，性能化设计，巨型斜撑，伸臂桁架，数值模拟
1 概况1.1 工程概况
成都东村绿地中心项目工程位于成都东村新区核心区北入口门户，中央绿轴西侧。基地北至驿都大道，东至银木路中央绿轴，南至杜鹃街，西至椿树路。场地建筑用地占地面积24530 m2。
成都东村绿地中心项目工程为综合体项目，项目包括位于基地北侧的468 米综合功能主楼（T1 塔楼），位于西南侧和南侧的酒店公寓（T2 和T3）塔楼，和位于东南角的会议中心裙房。主楼共101 层，总建筑高度468 米，项目建成后将成为西南地区第一高楼（图1（a））。项目的地上总面积为226465 m2，包括位于5 层至46 层的甲级办公空间（总面积约120954 m2）、50 层至67 层的行政公馆（总面积约44057 m2）、70-73 层空中大堂和配套设施，餐厅，SPA，健身中心和泳池等、74 层至97 层的顶级酒店（总面积约 52139m2）和98-101 层的天际会所。该塔楼设有五层地下室（包括地下一层的通厅层），总面积约89481 m2，包括设备用房、卸货区、车库及用于自行车停放的夹层空间。
主塔楼外形独特，外立面由沿塔楼平面中心对称且自下而上逐渐变化的三棱锥组成。每一层的建筑平面均不同，十六边形是基本形状，并由于柱子内外倾的变化而呈现八边形、二十四边形、三十二边形的平面形状，典型楼层平面如图1（b）所示[1]。
1.2 结构体系
主塔楼结构高度452.1 米，高宽比为7.2，因此需要高效的抗侧力体系以保证主塔楼在水平荷载作用下的安全性。本项目主体结构采用“巨型斜撑外框架-核心筒-伸臂桁架体系”抗侧力结构体系，主要由以下几部分组成，具体如图2、图3 所示。
（1）主要抗侧力体系：核心筒-型钢混凝土巨柱-伸臂桁架体系
○1 核心筒
○2 型钢混凝土巨柱
○3 外伸臂桁架
（2）次级抗侧力体系：巨型斜撑外框架
○1 巨型斜撑
○2 外周框架：型钢混凝土巨柱 外框环梁
图3 成都绿地中心结构体系组成
与建筑体型相对应，在十六边形的每一个角部布置一个钢骨柱。钢骨柱沿建筑高度方向倾斜，斜柱与竖向平面的夹角很小，在0.8度至8.2度之间。在柱内力较大的中部楼层和下部楼层(第77层以下)，斜柱倾斜度很小，在4度以内。巨柱采用型钢混凝土截面，含钢率在4%-7%左右。钢骨柱的尺寸在底层最大直径为3.2m，沿着高度方向逐渐减小至1.2m。
核心筒从底部至50层的平面尺寸为28m×28m，在50层至61层之间翼墙向内倾斜，61层及以上楼层核心筒平面尺寸为24m×24m左右。核心筒翼墙最大厚度在底层为1.0米左右，沿高度方向逐渐减至0.4米，腹墙厚度在底层为0.8米，在高区减为0.4米。从筏板顶面到15层楼面墙肢内埋置钢板，形成钢板剪力墙，并在墙肢内设置型钢形成组合钢骨剪力墙。
沿塔楼高度方向，利用机电层布置三个外伸臂桁架加强区，分别位于第23至26层，第47至50层和第98至100层。在平面上每个外伸臂区拥有8榀三层高的外伸臂钢桁架用以协调核心筒与巨型框架的变形，提高结构的整体刚度。
巨型斜撑，型钢混凝土巨柱和外环梁共同组成巨型斜撑外框架，作为塔楼的次级抗侧力体系。在外围斜撑变化倾角的楼层，一方面布置较大截面的外框环梁以帮助承担外周斜撑产生的水平分力，另一方面也在楼面布置水平斜撑以帮助承担外周斜撑产生的水平分力。巨型斜撑提高了外框的刚度和抗剪承载力，斜撑是抗侧力的重要组成部分，但由于各楼层环梁搁置在斜撑上使得斜撑承担部分竖向荷载。在每个区的起始层和终止层，竖向斜撑与外框巨柱相连，把斜撑中的荷载传入外框巨柱，从而避免竖向斜撑承担过大荷载造成构件尺寸过大影响建筑外观。
2 基础设计T1塔楼荷载通过核心筒及外围十六根钢骨柱传递至桩筏基础，筏板厚度4600mm。详勘报告显示基底下的强风化泥岩不足以作为超高层建筑的持力层，故必须采用桩基础将塔楼重力传至中风化泥岩。T1塔楼采用人工挖孔扩底灌注桩，桩基设计等级为甲级。桩基等截面段桩身直径为1800mm，扩底端直径为3700mm；整个扩底段高度为2700mm，其中扩底段斜边高度2400mm，最大直径段高度300mm；扩底端底面呈锅底形，矢高500mm。桩端进入第6-3层中风化泥岩不应小于2倍桩身直径，根据中等风化泥岩原位测试报告，中风化泥岩的桩端极限端阻力标准值为7200kN。人工挖孔灌注桩桩身混凝土强度等级为C50，总桩数共113根，单桩承载力特征值分别为45000kN和40000kN。
3 塔楼整体结构弹性分析结构整体弹性分析采用通用有限元软件ETABS 进行分析，并采用MIDAS 作为补充校核。
3.1 主要设计指标
结构设计抗震设防烈度为7 度 抗震设防类别为乙类 结构分为重要构件和次要构件 其中重要构件包括核心筒、巨型柱、伸臂桁架、巨型斜撑，该类构件安全等级为一级 重要性系数1.1；次要构件为除重要构件外的其他构件 该类构件安全等级为二级 重要性系数1.0。
3.2 结构自振周期与振型
结构前3阶自振周期为8.49s，8.46s，5.52s。第1，2阶分别为平面X向和Y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0.65，小于规范限值0.85。从结构自振特性看出，结构两个方向的平动振型接近，且从周期比可以看出结构整体抗扭刚度较好。
3.3 剪重比和层间位移角不同地震水准和风荷载作用下结构的基底剪力和倾覆力矩如下表所示，常遇地震下基底剪力为100 年风荷载基底剪力的2.30 倍（X 向）和2.05 倍（Y 向），常遇地震下基底倾覆力矩为100 年风荷载基底倾覆力矩的2.09 倍（X 向）和1.63 倍（Y 向），可知结构整体指标计算由地震控制。
根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.2.5条[2]的要求，在7度区当基本周期大于5秒时，结构任一楼层的剪重比不应小于1.2%。塔楼地震荷载下楼层的剪重比如上图所示，所有楼层剪重比大于1.2%的规范要求，也大于超限专家建议的1.463%的要求。
在结构的构件承载力验算和刚度验算时，根据超限意见要求将地震作用按1.72%的最小地震剪力系数放大。其中层间位移角的计算结果如下图所示，由下图可知，按照超限专家提出的1.72%的最小地震剪力系数放大后，X、Y 方向地震作用下结构最大层间位移角接近1/500（局部最大为1/478），50 年风荷载作用下的最大层间位移角仅为1/1161。考虑到成都为7 度区，层间位移角计算取用的地震作用为7 度半，因此可认为塔楼具有足够的抗侧力刚度。
图5 层间位移角
3.4 侧向刚度比及刚重比验算
侧向刚度比分析采用了《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）3.5.2[3]建议的计算公式3.5.2-2，即侧向刚度为楼层剪力除以层间位移角，验算结果如下图所示，可知所有楼层都满足规范要求，结构不存在薄弱层。
考虑塔楼下大上小体型的特殊性，大部分质量分布在下部楼层，而《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）刚重比公式是按塔楼质量均匀分布的假定推导出，主塔楼刚重比根据塔楼质量分布的修正值在X向与Y向分别为1.54和1.53。结构的刚度和重力荷载之比满足规范要求，但小于2.7，因此本工程在弹性计算分析时需考虑P-delta效应。
4 结构抗震性能目标及弹塑性时程分析4.1 抗震性能目标
基于性能化的抗震设计方法是使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，对于本项目的抗震性能化设计，将以《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）为基础，同时参考国内《建筑工程抗震性态设计通则》（CECS160:2004）及北美性能化设计标准ASCE41-06。通过引进当前国际上最新的基于性能设计理念，以估算本项目塔楼在不同水准的地震灾害下所能达到的性能水平。不同构件类型对应的设计控制指标见表2。
4.2 弹塑性时程分析
结合抗震超限审查专家的意见以及抗震性能化目标的要求 采用弹塑性时程分析方法 对结构在罕遇地震作用下的抗震性能进行了详细分析。对T1塔楼结构进行的七组地震记录（每组地震记录包括两个水平分量及竖向分量）、三向输入并轮换主次方向，共计14 个计算分析工况的设防烈度7度（0.15g）罕遇地震（峰值加速度310gal）动力弹塑性分析，分析表明：罕遇地震作用下结构沿X向最大层间位移角为1/118，平均层间位移角为1/141，Y向最大层间位移角为1/115，平均层间位移角为1/138，均满足规范限值1/100的要求。大部分连梁出现明显损伤，符合屈服耗能机制；大部分剪力墙受压损伤因子较小，且目前设计在受压损伤区域内埋钢板和钢柱予以加强；巨柱混凝土受压损伤因子较小，受拉损伤沿全高均有分布；除局部应力集中处外，外围斜撑、外周钢框架和外伸臂等钢构件的最大应力都小于钢材的设计强度，钢板剪力墙中钢板和钢骨柱内埋型钢未出现塑性，满足大震弹性的性能要求。
5 关键节点设计研究5.1 伸臂桁架与巨型柱连接节点
选取成都绿地中心主塔楼第一道伸臂桁架（23F-26F）斜腹杆与巨柱连接节点进行分析，位置如下图所示。伸臂桁架斜腹杆与下弦杆通过100mm 厚，材性为Q420GJ-C 的节点板与巨柱钢骨焊接连接。
图7 第一道伸臂桁架立面展开图
伸臂桁架为重要的抗侧力构件，构件性能目标为中震不屈服，根据“强节点弱构件”的设计原则，节点的性能目标为“中震弹性、大震不屈服”，本文采用ANSYS 对该伸臂桁架关键节点进行数值模拟[4]。节点在中震弹性和大震不屈服工况下数值模拟计算结果如下图所示：
由中震弹性应力云图可知，节点板区域应力集中主要出现在腹杆开始进入节点板处、杆件截断处、节点板下端与柱钢骨连接点，其中节点板下端与柱钢骨连接点应力集中较为明显，有极少量区域Von-Mises应力超过节点板强度设计值，但此区域很小，附近区域平均应力低于节点板强度设计值，应力集中区域应力超过屈服强度之后，即形成钝化区域，较小的钝化区域不会影响节点区的整体强度，可认为满足设计要求。
由等效塑性应变图可看出节点板仅有节点板下端与柱钢骨连接点应力集中较小区域进入塑性，节点板其余区域尚未发生破坏，而伸臂桁架节点破坏形式表现为斜腹杆出现过大塑性变形，可认为连接节点满足“强节点，弱构件”的设计要求。
5.2 地下室巨型斜撑与巨柱连接节点
选取地下室底板处斜撑巨柱连接节点进行数值模拟，由于斜撑和巨柱间的夹角较小，因此斜撑与巨柱连接节点区域范围较大，受力复杂。本工程采用材性为Q390GJ-C 的120mm 钢板插板连接方式，具体连接方式如下图所示：
巨型斜撑作为塔楼的次级抗侧力体系，是抗侧力的重要组成部分，根据“强节点弱构件”的设计原则，节点的性能目标为“中震弹性、大震不屈服” ，本文采用ABAQUS 对该关键节点进行数值模拟。
节点在中震弹性和大震不屈服工况下数值模拟计算结果如下图所示：
由图可知，在中震弹性和大震不屈服荷载作用下，节点区构件及节点板绝大部分都处于弹性状态，节点板整体应力水平略低于斜撑以及巨柱钢骨。节点板在巨柱弧形板连接部位以及竖向加劲板在斜撑传力部位受力较大。中震弹性下，该区域钢材Von-Mises 应力最大为150MPa 左右；大震不屈服下，该区域钢材Von-Mises 应力最大为180MPa 左右，都低于Q390GJ 设计强度，满足设计要求。
6 结论本工程属于超 B 级复杂高层建筑，在结构设计中采用型钢混凝土巨柱、劲性钢筋混凝土核心筒、外伸臂及巨型斜撑组成的“巨型斜撑外框架-核心筒-伸臂桁架体系”的多道抗侧力结构体系，该体系传力途径简洁、明确。并根据结构体系和受力特点，对本工程制定了合理的抗震性能目标和加强措施，并对关键构件和节点提出了更高的性能目标要求，确保结构的整体抗震性能。
（1）结构整体弹性及弹塑性分析结果表明，塔楼具有较好的抗侧刚度及承载力，结构性能能满足规范和抗震性能目标的要求。
（2）通过对伸臂桁架巨柱连接节点进行数值模拟分析，可得该连接节点受力合理，传力可靠，数值模拟分析结果表明该节点满足性能目标设计要求。
（3）对巨型斜撑与巨柱超长连接节点进行数值模拟，分析结果表明该节点在性能目标下处于弹性状态，满足设计要求。
（4）该超限高层的抗震性能化设计方法及加强措施，设计及研究结果可为类似超高层建筑结构设计提供参考。
参考文献[1] Thornton Tomasetti 华东建筑设计研究院有限公司.成都东村绿地中心主楼工程结构工程超限审查送审报告[R].2014.
[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社 2010.
[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ3-2010 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.
[4] 王新敏.ANSYS 工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社 2007.
注：本文转自第二十四届全国高层建筑结构学术会议论文《成都绿地中心主塔楼结构设计》作者：陆道渊，黄良，岑伟，吕佳，路海臣，仅用于分享学习，如涉及侵权，请联系删除！
