北京中国尊：中国最高建筑，抗震设计目标弹塑性评估

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：建成后是北京最高建筑，大楼外形仿照中国古代盛酒器皿“尊”——下大、中小、顶大，最小腰线在标高385m处，见图10-57。地震作用是本工程的控制荷载，由于规范对剪重比的要求，小震下塔楼底部剪力由约130MN提高至154MN。表10-8 中国尊结构抗震性能设计目标通过弹塑性

1.概况

中国尊建造在北京商业建筑核心地段，是以写字楼为主，集高端商业、观光功能为一体的高层建筑，地上建筑面积约35万m²，总高528m，108层，地下6层，局部7层，深38m。建成后是北京最高建筑，大楼外形仿照中国古代盛酒器皿“尊”——下大、中小、顶大，最小腰线在标高385m处，见图10-57。该工程建在地震设防烈度为8度区的北京，高度大大超过了规程的允许高度，在世界各个烈度较高的地震区，还没有这么高的超高层建筑，对于结构设计，是一个很大的挑战。本工程由奥雅纳工程顾问公司设计，现正在施工中，将逐步完善并细化结构设计。

图10-57 中国尊

a）建筑效果图 b）象征“尊”

结构工程师与建筑师、业主三方密切配合，经历了数轮比较和优化，确定合理的底盘尺寸、腰线位置、顶部放大比例等，经过弹性及弹塑性分析，发挥了结构最大效率、提供了足够的抗震及抗风抗侧刚度，设计了符合多道设防要求的结构体系。

2.结构体系

从±0.0到主要屋面的结构高度为522m，建筑、结构均规则，平面为方形，底部平面78m×78m，腰部平面54m×54m，顶部平面69m×69m，高宽比为7.2。

采用了抗侧刚度很大的筒中筒结构体系，钢—混凝土混合结构。外筒是钢管混凝土巨柱加钢环向桁架、钢交叉支撑的巨型桁架筒，内筒是加了钢板或型钢的钢骨混凝土剪力墙核心筒，见图10-58。

图10-58 结构体系

a）筒中筒体系 b）外部桁架筒

核心筒位于正中，贯通全高，底部基本为正方形，约39m×39m，随着周边电梯及墙截面的收进，到34层是完全正方形。核心筒墙肢分布均匀，连梁洞口布置规则，某些部位设置了双连梁，既提高了连梁延性，又方便了管道通行。

核心筒41层以下，墙体内设置钢板，底部钢板厚60mm，逐步减薄至30mm，钢板组合墙可以减小墙的厚度，增加抗剪能力，提高延性。上部各层墙肢端部均配置了型钢暗柱，结构顶部核心筒独立凸出屋顶，根据计算要求，伸出的墙肢内也设置了钢板。核心筒的平面及组合墙位置见图10-59。

图10-59 核心筒布置

a）核心筒组成 b）核心筒平面

巨柱布置在4角，从第10层（第0区以上）开始每个柱分叉为2个柱，沿外立面幕墙内边缘弯曲向上直到屋面。为避免巨型柱双向偏心的不利影响，各区段巨型柱的质心与建筑外立面曲线一致，质心的投影是一条直线。每10～12层为一个桁架单元，包括环向的水平桁架与斜向支撑。第0区的环向桁架有4层楼高，为了在最底层设置对外通道，采用八字形斜撑，第1～7区共7个桁架单元，环向桁架为2层高，采用交叉斜撑，见图10-58。环向水平桁架又是转换桁架，因为它要把上部10～12层的次框架荷载（楼板传来的重力荷载）传递到巨型柱上，次框架由小截面的钢梁、钢柱组成，不参加抵抗水平荷载，次框架柱与斜撑刚接，梁与斜撑铰接，梁柱之间做成铰接，次框架柱上端与上层转换桁架的连接采用可以滑动的长圆孔螺栓，避免将重力荷载传递给上层桁架。

巨型柱采用钢管混凝土柱。第0区的巨柱面积有60.8m²，是多腔体钢管混凝土柱，见图10-60a，这种超大型的钢管混凝土柱在天津高银117大厦中已有应用，采取很多构造和加强措施，并进行了一系列相关试验验证，在施工中也积累了经验。第1区以上、分叉后的钢管混凝土柱是矩形，见图10-60b，截面面积从约为19.2m²减小到1.5m²。巨柱的钢管含钢率约为5%，钢筋含钢率约为0.2%，内部浇筑C70～C50高强混凝土，在腔体内人孔周围还配置了钢筋笼，转换桁架、斜撑与巨型柱的连接处，增设钢板、型钢等连接构件，将它们连成整体，都埋置在混凝土内。

图10-60 巨型钢管柱截面构造

a）0区60m²巨型角柱截面 b）上部巨型柱截面

巨型斜撑采用焊接箱形钢截面。环向桁架所在层，也是大楼的设备层和避难层。核心筒内采用钢筋混凝土楼板，核心筒外采用组合楼板体系。

高层塔楼下采用桩筏基础，筏板厚6.5m，采用钻孔混凝土灌注桩，直径1.0～1.2m。

3.计算分析

结构设计基准期及使用年限为50年，耐久性为100年，结构安全等级一级，抗震设防烈度8度，抗震设防类别为乙类，按9度设防选取抗震构造措施，地震加速度0.2g，场地类别Ⅱ类，特征周期0.4s，结构阻尼比0.5，周期折减系数0.85。风荷载按100年回归期规范风速风洞试验进行结构强度控制；按50年回归期规范风速风洞试验、阻尼比0.02进行位移控制；按10年回归期风速、阻尼比0.15的风洞试验，顶部加速度满足舒适度要求。

塔楼总重量65.8万t，约合1.83t/m²。自振周期前3阶为7.30s、7.27s、2.99s，前2阶为平动，扭转、平动周期比0.41，满足规范要求。竖向主振型周期为0.6s。

地震作用是本工程的控制荷载，由于规范对剪重比的要求，小震下塔楼底部剪力由约130MN提高至154MN（风荷载作用下基底剪力仅59MN）。图10-61给出了外桁架筒和核心筒的剪力、倾覆力矩分配图，从图中可见，外桁架筒承受的层剪力约为总剪力的40%～50%，还分担了67%的倾覆力矩，说明本工程中，外桁架筒的刚度很大，满足双重抗侧力体系的基本条件。

图10-61 内外筒剪力和倾覆力矩沿高度分配

a）层剪力分配 b）屈服力矩分配

风荷载作用下最大层间位移角在顶层，为1/999，小震作用下的最大层间位移为1/513，风荷载作用下的位移小于地震作用下的位移，地震作用为控制作用，见图10-62。

计算中发现，高柔结构的高振型影响不容忽视。塔楼第1振型参与质量仅占45%，前3阶相加也不到70%，高振型所占比例很大，因此高振型产生的鞭梢效应不容忽视，特别值得注意的是本工程的鞭梢效应在弹塑性计算中更为明显。因此在初步设计中，对高柔结构工程的鞭梢效应应有充分的估计。

按照抗震性能设计的要求进行了中震和大震作用下的弹塑性分析，应用和参考美国FEMA356及ATC40的方法，制定了抗震性能设计的目标，见表10-8。

图10-62 层间位移角分布

采用了5组天然地震波和2组人工波，峰值经过调整，从整体性能及构件变形两个方面考察了结构性能。

表10-8 中国尊结构抗震性能设计目标

通过弹塑性时程分析，发现在某些地震波作用下，大震下的反应会加大，顶部鞭梢效应也较大，基底剪力也会加大，主要原因是在进入弹塑性状态后结构周期加长，与所选择的某些地震波的频谱峰值靠近，这说明地震波的不确定性会给设计带来问题，一方面要更加仔细地选用比较合理的地震波，同时，也应当更加强调，即使在已经有了强大计算工具的现在，对于结构体系、布置和关键构件的设计，仍然需要有概念设计的思想和丰富的概念设计经验。

北京中国尊：中国最高建筑，抗震设计目标弹塑性评估

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