高烈度地区新型超高层建筑结构体系分析对比

Analysis and Comparison of New Structural Systems for A Super High-rise Building in High Seismic Intensity Area

摘要

对于高烈度地区250 m超高层建筑，分别采用巨型框架-核心筒、框架支撑-核心筒和斜交网格支撑-核心筒结构体系，进行合理的结构布置，通过设置适宜的抗震性能目标，采用结构通用分析软件YJK和MIDAS Gen分别进行计算分析，实现了结构的抗震性能化设计，并补充了楼面水平加速度验算。通过分析可知，框架斜撑-核心筒的质量最轻，巨型框架-核心筒最重。斜交网格支撑-核心筒的空间刚度最大，侧向变形最小，水平加速度也最大。巨型框架-核心筒沿竖向在巨型框架层刚度和变形有突变，约束整体侧向变形。不论采用何种结构体系，水平峰值加速度和最大层间位移竖向位置均不重合，但其分布规律基本一致。采用SAUSG进行弹塑性分析，分别对变形、加速度以及内力和耗能等参数进行复核，判断结构构件的性能水平，发现损伤明显的结构部位。通过分析发现，框架支撑-核心筒的楼盖损伤程度最轻，斜交网格支撑-核心筒的核心筒损伤程度最轻。斜交网格支撑-核心筒中的核心筒应变能等效阻尼比最低，巨型框架-核心筒中的核心筒应变能效阻尼比最高。

Abstract

For a 250 m super high-rise building located in a high seismic intensity area， three structural systems—namely mega-frame core-tube， frame-braced core-tube， and diagrid-braced core-tube—are adopted with reasonable layout designs. Appropriate seismic performance targets are set， and general structural analysis software YJK and MIDAS Gen are used for computational analysis， respectively. This achieves seismic performance-based design of the structure， supplemented by horizontal acceleration checks of the floors. The analysis shows that the frame-braced core-tube structure has the lightest mass， while the mega-frame core-tube structure is the heaviest. It is found that the diagrid-braced core-tube structure possesses the greatest spatial stiffness， the smallest lateral deformation， and the largest horizontal acceleration. For the mega-frame core-tube structure， stiffness and deformation in the vertical direction change abruptly at the mega-frame level， which restrains the overall lateral deformation. Regardless of the structural system adopted， the vertical positions of peak horizontal acceleration and maximum inter-story drift do not coincide， though their distribution patterns remain similar. Elastoplastic analysis is conducted using SAUSG， with checks on deformation， acceleration， internal forces， and energy dissipation parameters to evaluate the performance level of structural members. Areas with noticeable damage are identified to verify the reliability of the equivalent elastic design. The results indicate that slab damage is the least in the frame-braced core-tube structure， while core-tube damage is minimal in the diagrid-braced core-tube system. The equivalent damping ratio of core-tube strain energy is lowest in the diagrid-braced core-tube structure and highest in the mega-frame core-tube structure.

Graphical abstract

关键词

超高层结构体系 / 巨型框架 / 巨型支撑 / 斜交网格支撑 / 楼面水平加速度 / 应变能等效阻尼比

Key words

super high-rise structural system / mega-frame / mega-bracing / diagrid bracing / horizontal floor acceleration / equivalent damping ratio of strain energy

0 引 言

抗震设防烈度较高时，超高层建筑常用框架-核心筒结构体系，兼顾使用功能利用避难层设置伸臂桁架，形成结构加强层^［1］。通过加强局部楼层外侧框架柱与内部核心筒之间的联系，设置伸臂桁架加强层，提高整体结构刚度。从大量弹塑性分析可以看出，竖向刚度突变明显，加强层及相邻楼层的楼板内力显著增大，加强层主要构件破坏严重。从抗震综合效能来看，需要加强超高层结构体系的研究。

超高层建筑的结构体系是决定超高层建筑结构经济合理的关键。高效抗侧力体系的侧向变形是竖向构件的轴向变形引起的整体弯曲变形，而传统框架结构的弯曲变形和剪切变形降低了结构体系的效率。为了获得更大的抗侧效率，抗倾覆的竖向构件平面宜布置在建筑周边，立面布置桁架化，并将更多的竖向构件有效地联系在一起，逐渐从传统结构体系衍生出了巨型框架-核心筒、框架支撑-核心筒、斜交网格支撑-核心筒等新型结构体系。随着技术的不断迭代，超高层建筑逐渐呈现抗侧力构件周边化、支撑化、巨型化和立体化的特点^［2］。

地震波通过地面传导至地上结构，产生了随竖向高度和平面位置表观变化的楼层位移、速度、加速度。楼层位移一直以来作为限制结构刚度的重要指标，为方便快捷实现抗震设计发挥了积极作用。加速度是位移的二阶导数，它的分布规律与位移显著不同，需要区别对待。在地震来临之际，除了过大的变形会引起结构构件和位移敏感型非结构件的破坏从而造成人员伤害和物料损失外，过大的加速度同样会让建筑内的设备和加速度敏感型非结构构件产生倾覆从而造成人民生命财产损失。这些都在近期发生的地震及其影像资料里不断地被验证。要实现“小震不坏”，对重要建筑补充楼面水平地震加速度验算是必要的。

本文结合高烈度地区250 m的超高层项目，分别采用巨型框架-核心筒、框架支撑-核心筒、斜交网格支撑-核心筒三种结构体系，设置具有针对性的结构性能目标，先后采用振型分解反应谱法和时程分析法计算各结构体系在不同地震设防标准下的地震响应，讨论其中利弊。通过对以往容易忽视但对生命财产有重要影响的楼面水平加速度进行细致验算，初步总结了加速度随结构体系和竖向高度差异的变化规律。同时，通过对三种结构体系共有的核心筒进行应变能等效阻尼比验算，进一步提炼了结构构件损伤指标。

1 工程概况

本工程位于西安市西咸新区能源金融贸易区，建筑效果图详见图1，主要功能为办公和酒店。塔楼地上58层，地下3层，建筑高度为246.90 m，基础埋深为17.0 m，分别在11、23、35、47层共设置4个避难层，未设置伸臂桁架结构加强层。建筑高宽比为5.49，核心筒高宽比为11.60。

结构设计使用年限50年，基本风压为0.35 kN/m²，基本雪压为0.25 kN/m²。抗震设防烈度为8度（0.2g），场地类别为II类，设计地震分组为第二组，特征周期为0.40 s，并与《工程场地地震安全性评价报告》的地震参数包络。结构安全等级为一级，建筑抗震设防分类为重点设防类，核心筒抗震等级为特一级，其余为一级。地下一层层高为5.70 m，地下二、三层为3.90 m。一层层高为6.00 m，二层为7.20 m，标准层为4.20 m，避难层为4.80 m，机房层为9.00 m。

2 结构设计

2.1　巨型框架-核心筒结构

2.1.1　结构布置

在建筑四角设置8根巨型框架柱，每个避难层设置单层环带转换桁架，形成巨型框架梁，整体结构模型详见图2，典型结构平面详见图3，尺寸标注单位均为mm。巨型框架柱置于建筑角部，有利于提供更大的抗倾覆力矩。转换桁架沿竖向均匀布置，每12层设置一道，共4道。转换桁架对巨型框架柱形成有效支撑，形成稳固的巨型结构。

巨型框架不仅承担风荷载和水平地震作用，还要担负起每个次框架传来的竖向荷载和竖向地震作用。次框架作为子结构，应设置合理的施工次序，体现框架体系中的主从关系。在次框架顶端和底端采用铰接连接，既保证竖向荷载按设计流线向下方传递，又能有效降低转换桁架的次生内力。结构整体受力清晰简洁，且保留适当的冗余和约束，浑然一体。通过合理设计的次框架柱截面较小，给建筑带来了轻盈感。由于未设置斜向支撑，建筑使用功能未受影响。

充分发挥材料性能和便于连接构造，主要结构构件的截面规格和强度等级详见表1。巨型框架柱采用矩形钢管混凝土，次框架柱采用箱型截面，巨型梁的弦杆采用焊接H型钢，腹杆采用箱型截面，次框架梁采用焊接H型钢，次梁采用热轧H型钢，核心筒采用型钢混凝土剪力墙。核心筒内的楼盖采用现浇混凝土板，其余楼盖采用钢筋桁架楼承板。转换桁架处及相邻上下楼层的板厚分别为180 mm和150 mm，其余均为120 mm。楼板混凝土强度等级选用C35，钢筋选用HBR400。

2.1.2　抗震性能目标

本工程为超B级建筑，进行抗震性能化设计^［3］。考虑超高层建筑的重要性，以及地震的随机性，制定结构抗震性能目标详见表2。震害表明，当发生地震时，高烈度地区建筑内的人走路会感到困难，家具会有移动，部分甚至会翻到。综合防震减灾并全面掌握结构性能，参考相关资料^［4］，增加楼面水平加速度限值要求。多遇地震发生的概率较大，应减少次生灾害和财产损失，避免人员意外伤害。罕遇地震发生的概率较小，能量巨大，重点保证人员的生命安全。鉴于建筑的适用性和地震的偶发性，基本保证加速度敏感型非结构构件和设备正常使用，多遇地震的楼面加速度限值适当从严，罕遇地震的加速度限值适当放宽。

满足宏观设计参数的条件下，对主要构件根据重要性进行分组。根据构件先后屈服破坏的设计次序，制定出不同地震水准下构件抗震性能目标，详见表3。巨型框架作为重要的抗侧力构件和竖向转换构件，应显著提高其抗震性能目标。次框架仅承受竖向荷载，适当降低其抗震性能目标。

2.2　框架支撑-核心筒结构

2.2.1　结构布置

在框架-核心筒的基础上，设置连接建筑角柱的45°~55°单向支撑^［5］，每12层转折一次，整体结构模型详见图4，结构平面详见图5。为提高结构的抗扭刚度，保持构件的受力均衡，不同立面的巨型支撑选择相反方向布置。巨型斜撑与框架在同一个平面，与框架梁铰接。每层楼盖为斜撑提供侧向约束，保证其平面外的稳定。不足的是，支撑会给设置楼层的使用功能带来一些影响。

充分发挥材料性能和便于连接构造，主要结构构件的截面规格和强度等级详见表4。框架柱采用矩形钢管混凝土，框架梁采用焊接H型钢，次梁采用热轧H型钢，巨型斜撑采用箱型截面，核心筒采用型钢混凝土剪力墙。由于底部两层层高较高且有局部大开洞，为避免支撑平面外失稳，补充屈曲分析，适当加大截面，提高板件厚度。核心筒内的楼盖采用现浇混凝土板，其余楼盖采用钢筋桁架楼承板。巨型支撑端部楼层的板厚为150 mm，其余均为120 mm。楼板混凝土强度等级选用C35，钢筋选用HBR400。

2.2.2　抗震性能目标

满足宏观设计参数的条件下，对主要构件根据重要性进行分组。根据构件先后屈服破坏的设计次序，制定出不同地震水准下构件抗震性能目标，详见表5。作为耗能储备，适当提高巨型支撑的性能目标。

2.3　斜交网格支撑-核心筒结构

2.3.1　结构布置

沿建筑外侧轴网共设置32根斜向支撑，60°~75°的交叉支撑每6层循环布置，节点交汇楼层布置封闭环梁，形成稳定的斜交网格筒体，整体结构模型详见图6，结构平面详见图7。斜撑组成子单元为三角形的空间几何不变结构体系，提供强大的抗侧刚度和抗扭刚度^［6］，显著降低了结构对核心筒的抗震性能要求。

斜撑不仅要承担侧向力，还要传递竖向荷载。荷载沿着三角形流线向下顺势分散积聚，传至基础。每层楼盖为斜撑提供侧向约束，阻止其平面外失稳。圆形钢管混凝土的斜撑能够充分发挥混合构件的力学性能，并与核心筒相呼应，整体的结构抗侧效率很高。地上结构外侧通高不设置竖直承重构件，外观新颖，高技简洁。当然，交叉支撑也会使建筑功能受到一定影响。

充分发挥材料性能和便于连接构造，主要结构构件的截面规格和强度等级详见表6。斜交网格支撑采用圆形钢管混凝土^［7］，框架梁采用焊接H型钢，次梁采用热轧H型钢，核心筒采用型钢混凝土剪力墙。核心筒内的楼盖采用现浇混凝土板，其余楼盖采用钢筋桁架楼承板。各节斜交支撑顶部节点楼层的板厚为160 mm，其余均为120 mm。楼板混凝土强度等级选用C35，钢筋选用HBR400。

2.3.2　抗震性能目标

满足宏观设计参数的条件下，对主要构件根据重要性进行分组。根据构件先后屈服破坏的设计次序，制定出不同地震水准下构件抗震性能目标，详见表7。斜交网格支撑不仅作为抗侧力构件，还要承担竖向荷载，需要提高其抗震性能目标，避免连续倒塌和屈曲破坏。

3 分析结果

3.1　弹性阶段

3.1.1　计算指标

运用YJK和MIDAS Gen分别对结构进行计算，主要弹性分析结果详见表8。两个通用软件计算结果相近，分析结果得到相互验证，数据可靠。以框架支撑-核心筒作为基准，考查三种结构体系主要指标变化幅度，详见括号内数值。

从结果对比中，不难发现：①框架支撑-核心筒质量最轻，巨型框架-核心筒质量最重，增加4.41%；②斜交网格支撑-核心筒抗侧刚度和抗扭刚度最大；第一周期减小20.47%，结构最大层间位移角减小17.28%；第三周期减小50.43%，最大位移比减小4.55%；③斜交网格支撑-核心筒楼面水平最大加速度最大，增加45.12%；④斜交网格支撑-核心筒基底剪力最大，增加27.80%，最小剪重比增加26.83%；⑤斜交网格支撑-核心筒刚重比最大，增加51.95%。

斜交网格支撑-核心筒第一扭转周期与第一平动周期之比仅为0.30，且振型平动系数和扭转系数均为1.00，楼层最大层间位移与平均位移之比也明显减小，体现了结构的空间抗扭刚度的巨大潜力。结构刚重比大于2.7，整体稳定性更好，抗倾覆能力也更强，不用考虑重力二阶效应。基底剪重比大于2.48%，不用再逐层进行剪力调整。底部外筒空间刚度巨大，建筑高度2/3以下不需调整其地震剪力。尽管底部总剪力巨大，由于斜交网格支撑筒体承担52%的底部总地震剪力，核心筒分担的剪力变少，筒体配筋按照构造要求进行设计即可。

楼层地震剪力详见图8，三种结构体系在顶层均有显著的剪力放大。巨型框架-核心筒在巨型框架层剪力突变最为明显。斜交网格支撑-核心筒和框架支撑-核心筒在支撑转折层剪力都有突变，其中斜交网格支撑-核心筒结构还在封闭环梁层剪力略有变化。最大层间位移角详见图9，巨型框架-核心筒在巨型框架层显著抑制结构整体变形。框架支撑-核心筒和斜交网格支撑-核心筒的变形特征基本一致，呈典型的弯剪型形态。

3.1.2　水平加速度

为比较三种结构体系的加速度响应，选取同一条符合场地特征的地震波记录进行时程分析，地震波加速度时程曲线详见图10，峰值加速度为70 cm/s²，持续时间为30 s，积分步长为0.02 s。

三种结构体系的最大楼面水平加速度详见图11。对比发现：①地下室部分与地面振动频谱特性相近，中下部楼层加速度在0.5 m/s²两侧范围，顶部1/3楼层处有加速迹象，顶部1/10楼层以上发展迅速，至顶层达到极值；②随结构刚度的显著提高，水平加速度放大效应明显，特别在建筑物顶部增长更快；③超高层建筑多数楼层楼面加速度均未超过地面加速度，三种结构体系仅分别在顶部有4、3、8个楼层有所超过。

作为结构的动力响应，结构最大变形和加速度变化的规律并不一致。①对于刚性结构，变形大者，加速度小，变形小者，加速度大；②超高层最大结构变形一般在建筑高度2/3处，最大加速度一般在建筑物顶部，带有明显的鞭梢效应；③根据振动学原理可知，结构最大变形和加速度出现的时间也往往不一致，带有一定的相位差；④加速度变化幅度大于结构变形，并随着结构刚度变化越明显加速度变化越大。

不同结构体系的顶层质心处的楼面水平绝对加速度时程结果详见图12。加速度的整体波形基本一致，唯斜交网格支撑-核心筒的峰值更大。在地震波尾部，不同结构体系的加速度波形有明显分化，刚性越弱的结构加速度衰减越明显。为了直观表现同一结构在不同楼层的加速度时程频谱特性，选取相同平面位置的节点，不同楼层水平加速度时程结果详见图13。楼层越低，振动频率越高，峰值越均匀，地震波尾部衰减越快；楼层越高，振动频率越低，地震波中后段峰值越离散，尾部无明显衰减。

3.2　弹塑性阶段

3.2.1　计算指标

选用符合统计意义的2条天然地震波和1条人工地震波进行时程分析，设计反应谱和规范反应谱详见图14。框架梁、框架柱采用Timoshenko梁单元来模拟，次梁采用考虑剪切变形的经典梁修正模型，支撑采用杆单元来模拟，剪力墙和楼板采用平板壳单元来模拟^［8］。计算单元内力时，沿单元体积进行积分。考虑材料非线性、几何非线性，并导入竖向地震波采用修正的中心差分格式进行显式动力时程分析。

运用SAUSAGE进行计算的弹塑性分析包络结果详见表9。受力和变形特征与弹性分析趋势相同，数据可信，满足设计要求。以框架支撑-核心筒作为基准，考查三种结构体系主要指标变化幅度，详见括号内数值。

从结果对比中，不难发现：①三种结构体系的弹塑性变形差异不大，最大变化范围不超过10.15%；②框架支撑-核心筒顶层最大水平加速度与巨型框架-核心筒基本相当，最大变化范围不超过4.16%；斜交网格支撑-核心筒顶层最大水平加速度增加较多，最大变化范围不超过25.11%，但比弹性分析的增长幅度明显收窄，仅为其一半；③框架支撑-核心筒基底剪力与巨型框架-核心筒基本相当，最大变化范围不超过4.08%，；斜交网格支撑-核心筒基底剪力增加较多，最大变化范围不超过34.11%。

3.2.2　性态分析

巨型框架-核心筒结构的构件性能云图详见图15，达到设计目标。巨型框架柱和次框架柱抗震性能达到预设目标，接近轻度破坏，巨型框架梁仅有轻微破坏。转换桁架上下弦杆的楼层及其相邻楼层，楼板水平拉应力均较大且次第降低。核心筒外墙底部加强部位由中度破坏逐渐向轻度破坏过渡，内墙底部加强部位由轻度破坏逐渐向轻微破坏过渡。主要连梁通高均已屈服，甚至达到了重度破坏，起到耗能作用，普通框架梁仍有较大的冗余度。

框架支撑-核心筒主要结构构件性能云图详见图16，达到设计目标。框架柱抗震性能达到预设目标，接近轻度破坏，其中底部加强部位的角部框架柱应变水平较高。底部加强部位的巨型支撑趋于进入微屈服状态，为结构提供更高的韧性储备。巨型支撑端部楼层的连接处楼板水平拉应力较大且有向上明显减弱的趋势。核心筒外墙底部加强部位由中度破坏逐渐向轻度破坏过渡，内墙底部加强部位由轻度破坏逐渐向轻微破坏过渡。主要连梁通高均已屈服，甚至达到了重度破坏，起到耗能作用，框架梁仍有较大的冗余度。

斜交网格支撑-核心筒结构主要结构构件性能云图详见图17，达到设计目标。底部加强部位的角部斜交支撑进入屈服状态，达到中度破坏。中部斜交支撑达到轻度破坏，向上逐步过渡到轻微破坏状态。为加强节点构造，可适当加厚节点交汇处的斜交支撑的板件厚度。封闭环梁楼板的水平拉应力较大，且向上有逐渐减弱的趋势。核心筒外墙底部加强部位由轻度破坏逐渐向轻微破坏过渡，内墙底部加强部位由轻微破坏逐渐向无破坏过渡。主要连梁通高均已屈服，甚至达到了重度破坏，起到耗能作用。斜交支撑顶点楼层及相邻上下楼层的角部环梁有轻微破坏，其余框架梁仍有较大的冗余度。

从楼盖损伤程度来看，框架支撑-核心筒最轻，其次斜交网格支撑-核心筒，巨型框架-核心筒最重。从外框或外筒损伤程度来看，外框较轻，外筒较重。从核心筒损伤程度来看，斜交网格支撑-核心筒最轻，其次为框架支撑-核心筒，巨型框架-核心筒最重。

3.2.3　核心筒性能

三种结构体系采用相同的核心筒结构布置，设置的抗震性能化目标也相近。从分析结果来看，均满足设计要求。采用不同的结构体系，核心筒在罕遇地震作用下的破坏程度有一定差异，性能水平的统计结果详见表10。核心筒作为结构最主要的抗侧力构件，其损伤程度在一定程度上也可作为衡量结构体系性能的指标。应变能是结构耗能指标，包括弹性应变能和塑性应变能，其中弹性应变能在加载结束时自行恢复，接近于零。根据结构能量曲线中应变能与阻尼耗能的比例关系，基于能量法应变能可以得出等效阻尼比。

从表10中，不难看出：①斜交网格支撑-核心筒中的核心筒基本没有中度破坏，无损坏的结构单元比例最高，轻度以内的破坏单元最少；巨型框架-核心筒中的核心筒中度破坏的单元最多，无损坏的结构单元比例最低，轻度以内的破坏单元最多；②斜交网格支撑-核心筒中的核心筒分配的地震剪力随着结构由弹性向弹塑性转变而逐渐提升，逐步向核心筒转移；巨型框架-核心筒和框架支撑-核心筒中的核心筒分配的地震剪力随着结构由弹性向弹塑性转变而逐渐降低，逐步向外围框架转移；③核心筒损伤程度与核心筒基底剪力与基底总剪力的相对比值相关，比值越小震害越轻；④核心筒损伤是地震作用不断往复循环造成的，它与累积的最终应变能息息相关，亦即与弹塑性应变能得出的等效阻尼比相关，等效阻尼比越小震害越轻。

4 结 论

（1） 合理选择结构体系，使建造更高的超高层建筑成为可能。高烈度地区超高层建筑除采用伸臂桁架加强层以外，运用巨型框架、巨型支撑、斜交网格支撑等结构体系可以加强周边结构，显著提高整体结构的抗震效率和抗震性能。

（2） 斜撑是抗侧力构件效率最高的结构构件。通过调整结构立面布置，把结构构件的弯曲变形转化为轴向变形，能够有效抵抗水平荷载产生的倾覆力矩。在框架-核心筒的基础上增加巨型支撑，结构刚度得到明显增加。把框架柱替换为斜交支撑，形成明确的筒中筒结构，空间刚度得到巨大提升。

（3） 无论抗侧刚度还是抗扭刚度以及抗倾覆能力，斜交网格支撑-核心筒都是受力效率较高的结构体系。在三种结构体系中，斜交网格支撑-核心筒周边抗侧力构件截面最小，核心筒损伤最低。通过对变形和加速度以及耗能等不同地震响应进行细致的分析，甄别最优的超高层建筑结构体系。

（4） 斜交网格支撑-核心筒作为筒中筒结构，它的“二道防线”与常规不同，屈服次序也与其他两种结构体系不同。抵御地震作用时，它首先外筒受力，其次才向内筒转移。而另外两种结构体系，首先内筒受力，其次才向外部框架转移。

（5） 顶层水平加速度宜作为超高层建筑抗震性能目标的指标之一。采用时程分析法计算楼面水平加速度，丰富了抗震性能化设计的内涵，保护人员安全和降低财产损失。在弹性阶段保持建筑的正常使用功能，对于超高层建筑是必要的。

（6） 通过多模型的楼层位移角曲线可知，巨型框架-核心筒在巨型框架层有明显的缩减。而另外两种结构体系的变形特征基本一致，呈典型的弯剪型。弹性分析时斜交网格支撑-核心筒楼层位移角地震响应最小，弹塑性分析差异不大。

（7） 通过多模型的楼层加速度曲线可知，竖向分布特征大体一致。楼层加速度从顶部约1/10高度处显著增大，显现出“鞭梢效应”，至建筑物顶层达到峰值。弹性分析时斜交网格支撑-核心筒楼层加速度地震响应最大，弹塑性分析增幅明显收窄。

（8） 核心筒作为超高层建筑必备的抗侧力子结构，其破坏损伤程度可以视为结构体系抗震性能指标之一。从能量角度出发，核心筒应变能的等效阻尼比可作为其损伤的宏观特征值。通过多模型的弹塑性分析可知，斜交网格支撑-核心筒中的核心筒等效阻尼比最低，巨型框架-核心筒中的核心筒等效阻尼比最高。

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