[编者按]Arup（奥雅纳）是全球众多知名项目的核心创意力量，业务横跨各个领域和不同行业.在35个国家设立了90多家分支机构拥有通10000名规划、设计、工程和咨询专业人员.
构Arup参与了许多最具标志性的建筑，包括北京奥运场馆、上海世博会展馆、广州塔深圳京基100、香港昂船洲大桥、环球贸 Arup在中国已有30多年的发展历史在香港、深圳、上海、北京、澳门、广州、武汉、天津、重庆和台北等地都设有分支机易中心以及台北艺术中心等，近年来更积极参与营建跨境基建项目促进区域经济的融合与发展，这些大型项目包括落马洲河套地区发展残划及工程研究、港珠澳大桥以及广深港高速铁路香港段等.
广泛的服务范围涉及从总体规划到建筑设计的音个方面整合了结构、土木、机电工程以及其他专业技能.Arup的结构工程在业界享有盛誉.悉尼歌剧院的高难度设计为Arup赢得了国际声誉巴黎蓬皮杜艺术中心又使其进一步为人然知.近年来， 北京的“乌巢、“水立方“和伦敦的“小黄瓜“等创新兼可持续的结构设计使Aru继续站在业界的最前沿.Arup不断寻求更佳方法、提供更优方案致力于塑造更美好的世界.
八柱巨型结构在广州东塔超限设计中的工程应用
赵宏，雷强，侯胜利，林海
（奥雅纳工程咨询（上海）有限公司深圳分公司，深圳518048）
项目青景、结构体系及关键构件设计等方面介绍了基于性能化抗震（风）设计的原则：从结构概念出发深入研究结 [摘要]广州东塔采用了带伸臂桁架的巨型框架-核心筒体系其中巨型框架由8根巨柱和6道环桁架组成从构在地震（风）作用下的响应并针对巨型柱、（80高强混凝土和内嵌双层钢板混凝土组合剪力墙等关键设计提出建议.
[关键词]巨型框架-核心筒结构：伸臂桁架：矩形钢管混凝土柱：内嵌双层钢板混凝土组合剪力境：C80高强混 凝土
中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：1002-848X（2012)10-0001-06
Engineering application of 8 columns mega frame-core wall system in Guangzhou East Tower
Zhao Hong Lei Qiang Hou Shengli Lin Hai
( Arup Isternational Consultants ( Shanghai Co. Lidl. Shenzhen Branch Shenzhen 518048 China)
Abstract: Guangzhe East Toer adopted mega framecre wall with outrigges as its main stnueture system. The extemalframe is prised of 8 mega columns and 6 belt tnuses. The principles fr seismic and wind designs on the basis ofperfomaee were revealed in aspects of the pjeet background the stucture system and the key elemen design. Theproided fr designf tb key stute elmet ch as mea colms C8 high stngth cerete an conte wallsih strueture performances under earthquake ( wind) were analyzed based on the structural conepts. Valuable advices wereembedded dual steel plates.
Keywerds: mega fae-ore wall stetue: outriger; conrete-filed rectangular stel tube colm cnerete walls with embedded dual steel plates; C80 high strength concrete
0引言
向力.
巨型结构最显著的优点是可以满足楼面视野或新的结构形式.主要框架和普通（次）框架结构大开洞等建筑功能的要求，可按需要设置大空间的的截面几何尺度、面积、惯性矩不是同一数量级：巨无柱中庭、展览厅和多功能厅等，如日本的NEC大柱通常由电（楼）梯井或大截面柱组成，巨型梁一般楼是典型的巨型框架结构》.广州东塔位于风景结合建筑功能每隔十几个楼层设置一道，梁高一般独特的珠江北岸要求办公楼层需要有良好的视野， 巨柱与密柱外框视野差异如图1所示.
巨型框架结构是20世纪60年代末兴起的一种占一个或者几个楼层高，主框架承受了主要的荷载次框架仅起到辅助作用以及地震作用下的耗能作用：竖向受力时次框架将所受竖向力传到主框架梁最后通过主框架柱将所受竖向力传到地基-水平力方面抗侧刚度大的主框架承担了大部分的侧
为进一步提高结构的抗侧刚度近年来在巨型框架的基础上又演绎出新的结构体系一-带伸臂加
根据项目情况和国家现行规范，分析和设计采用的主要参数如下：建筑结构安全等级为一级结构重要性系数为1.1，工程设计基准期为50年，设计使用年限为50年混凝土耐久性年限为100年，建 筑结构抗震设防类别为重点设防类抗震设防烈度为7度（0.1g），地震分组为第一组，抗震措施按8度考虑，小震时阻尼比按3.5%，大震时按5%计，舒适度分析时按1%计，基本风压计算结构变形采 用0.5kPa（50年重现期），计算承载力按0.6kPa（100年重现期）计算舒适度时按0.3kPa（10年重现期）.由于结构超高，风荷载及响应最终由风洞试验结果确定.
图1巨柱与密柱外框视野差异
强层的巨型框架核心筒结构，在地震和强风区的台北101大厦就是采用这种体系，但其核心筒是钢449m.上海金茂大厦亦采用了该种结构体系，但其 支撑内筒，并在顶部采用了TMD，其结构高度为结构高度不超过400m.而广州东塔项目则是该体系国内地震区结构高度超过500m的超限高层设计中的首创无论从巨柱数量和位置，还是从巨型梁、伸臂桁架的数量及设置上都充分考虑了建筑功能 需要及巨型结构本身的要求.
地复杂程度等级均为一级，拟建场地地貌单元属珠 本工程地基复杂程度等级为一级，重要性和场江三角洲冲积平原场地土类型为中软土场地类别为Ⅱ类本场地为建筑抗震设计不利地段，但场地属于基本稳定区适宜建筑
2结构体系
2.1结构体系选取
在广州东塔方案设计阶段，对多种结构方案进行研究主要包括筒中筒、巨型桁架-核心筒结构、带构，见图3.针对每种方案，分别给出相对总造价、 伸臂的巨型框架核心筒结构和带伸臂的筒中筒结施工难度等方面的对比以便于业主做出选择各结构方案的指标对比见表1.虽然带伸臂巨型框架一核心筒结构具有最高的造价和较大的施工难度，但由于其具备最大的楼层平面开放度、最高的空间利 用效率、最灵活的幕墙设计和最好的景观可视性从而最终赢得了业主和建筑师的青昧.
1 工程概况
广州东塔位于珠江新城CBD中心地段（图2），城市中轴线两侧南面隔江对望新建的广州新电视 与对面已经封顶的西塔一起形成双塔，分别位于新塔北面为天河体育中心、中信大厦及广州火车东站.项目占地26452m²，地上总建筑面积为404802m²-其中塔楼建筑屋顶标高为530m结构屋面标高为518m地上112层，集办公、服务公寓、酒 店、餐厅于一体：地下5层，包括零售区、停车场、货物起卸区和机电设备用房：裙房地上8层，高50.7m与塔楼间采用防震缝区分为各自独立的抗震单元
本工程建筑方案设计为美国KPF建筑事务所，结构设计由奥雅纳全程参与广州市设计院负责审图及出图工作、
图2东塔（左侧）效果图及总平面图
图3方案设计阶段四种结构体系
桁架充当巨型梁，能有效地提高外框的抗侧刚度，一方面可协调外框架各竖向构件的变形差，使之受力均匀：另一方面还能将次结构上的竖向荷载传递到巨型柱上，保证巨柱在大风或罕遇地震作用下承担 尽量多的竖向力避免受拉破坏：同时还可作为巨型柱的侧向支撑，有效减小计算长度.从结构的周期比和位移比情况来看，环桁架对增加结构抗扭刚度也起到非常大的作用.
2.2结构体系特点
带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构由钢筋混凝土核心筒（内嵌钢板/型钢）、矩形钢管混凝土柱与6道双层空间环桁架组成的巨型框架、连接核心 筒和巨型框架的4道伸臂桁架组成，如图4所示.由于建筑立面收进在酒店区抗侧体系通过环桁架过渡为常规框架-核心筒结构体系-
（双层空间钢桁架）组成.8根巨柱从地下室一直延 巨型框架主要由巨型柱和连接巨型柱的巨型梁伸至办公区顶部（层68）（图5），之后减掉1根，余下7根继续延伸至公寓区顶（层92）.整个巨型框架体系所贯穿的高度超过塔楼总高度的5/6，可保持上下抗侧力体系基本一致的规则布置.巨型柱采 用内灌C80高强混凝土的钢管混凝土柱，可提供巨大的轴向刚度，与多道伸臂桁架共同作用，有效抵抗侧向荷载产生的倾覆力矩.刚度较大的双层空间环
核心筒贯穿整个塔楼结构，是抗侧体系中非常重要的组成部分用于抵抗水平力产生的大部分剪力和接近一半的倾覆力矩-由于本工程高度大、楼层多、结构重量巨大，常用的墙体形式和材料无法满轻结构自重、扩大建筑使用面积、提高墙体承载力和 足建筑功能需要，对基础设计的要求也较高，从减满足抗震性能目标的角度出发在核心筒外墙底部区域采用内嵌双层钢板混凝土组合剪力墙，初步设计阶段采用C60高强混凝土，施工图阶段优化为采用加之混凝土的强度超过了抗震规范的建议 C80高强混凝土鉴于这种墙体形式在国内首次被值委托中国建筑科学研究院专门针对东塔项目进行试验研究试验数据表明，内嵌钢板的混凝土组合剪计方法和构造措施后，具有较好的延性和抗震性 力墙具有较高的抗弯、抗剪承载力在采取适当的设能”，这些措施的采用，有效减小了核心筒外墙厚度在低区仅采用1500mm厚，到高区逐渐减为500mm厚大大增加了楼层使用面积提高了使用率.
好两者的抗侧作用提高结构刚度，伸臂桁架的布置 要有效协调内筒和巨型框架之间的变形，发挥必不可少这也是整个体系是否高效的关键，在方案设计阶段针对其数量、位置和形式进行大量敏感性分析与建筑师充分沟通后决定在第12A6道环桁架处（同时为机电层和避难层）设置4道伸臂 桁架如图6所示每道伸臂桁架跨越2个楼层
图4塔楼结构体系
伸臂桁架及其连接的巨柱、核心筒弯曲刚度极大近乎满足平截面假定侧向荷载产生的转角引起巨柱的拉伸和压缩由于巨柱间力臂较大故而可提 供巨大的抗倾覆力矩，大大减少核心筒承担的倾覆力矩提高了结构的整体抗倾覆稳定性-
为减轻自重和加快施工速度，楼面采用130mm厚组合楼板.典型外框梁高900mm，内框梁高500mm.
3结构弹性分析
塔楼弹性分析采用ETABS软件，结构动力特性见表2，由表可见扭转周期与平动周期的比值在规范允许范围内：竖向主振型不在加速度反应谱
图5办公楼标准层平面图
架的作用令核心简的弯矩转移至巨型外框架，按照抗震审查的要求，采用双层环桁架等措施增强巨型外框以保证其具有足够的承载力和抗侧刚度，实现 多道防线的设计理念，大震弹塑性分析表明，除第一道防线的耗能连梁破坏较多外核心筒仅局部进入混凝土峰值压应变区，第二道防线的外框梁和环桁架则部分进入塑性，伸臂桁架和外框柱基本处于不屈服状态.
塔楼弹性分析结果表明结构总体刚度适宜变形、风振舒适度、剪重比等可满足相关规范和抗震审查专家的要求：结构在侧向力作用下内力分布明晰，符合工程经验及设计理念.
4 构件设计关键问题
4.1主要构件抗震性能目标
图6伸肾桁架示意
超高层建筑应综合考虑抗震超限复杂程度、业主及专家意见，在经济性和安全性平衡的基础上采结构设计-表5为广州东塔整体抗震性能目标和主 用不低于传统三水准的性能目标，并进行定量化的要构件的性能要求.
平台内，风及地震总作用力和侧向力下的层间位移角见表3A.同时采用MIDAS建立模型来检验分 析结果验证结果表明各项分析指标基本一致.
ETABS(考虑 P-效应） MIDAS报型 周期 质量参与系数/% 周期/s 音注第1阶8.08 0.8 X 57.9 Y 0.0 R 0.15 8.36 Y向平动第2阶7.91 56.7 0.2 0.8 0.0 0.0 0.0 0. 11 73.0 3.95 8.15 x向平动 扭转第18附0.59 0.0 0.0 60. 1 0.0 0.69 2.向动
风及地震总作用力 表3计算软件 ETABS YIDAS小蛋 基在总前力 9ZEL 肉y向 69 470 7021772736 45° 135° 68 815 68 345 1肉1肉风莫 作用 基底点覆力矩/m 基在总前力 70 575 16 978 351 16 770 16919 17 090 1 279 13 505 66 987 79 115（100年）基压点燥覆力E/WEV 22 466 28 326 21324 26 568
层间位移角 表4计算软件 ETABS MIDAS50年 最大层间位移角 X向 1/719 X向Y向 1/769风荷载 小震 最大层间位移角 所在楼层 00 1/1 层110 86/1 1/1 056 星108 1/977作用 所在楼层 星111 星111 星106 星106规范限值 1/500 1/500 1/500 1/500
图7层间位移角
层间位移沿楼层分布如图7所示由图可见侧向力作用下的层间位移角可以满足规范限值要求， 不是控制结构抗侧刚度的主要指标.
风洞100年Y向风作用下内外筒的倾覆弯矩和剪力分配情况如图89所示，巨型框架外筒承担大部分的倾覆弯矩和小部分的剪力这是由于伸臂桁
图9内外筒剪力分配
图8内外简顿覆力矩分配
广州东塔主要抗震性能目标 表5层间位移角 抗震烈度 小震中霞 6/500 大震底部加强区、加强层形成童性较. A/100核心压 简，拉弯 弹性弹性 破坏程度轻微，可人住即0<10；巨柱 其他层形成塑性校破坏程度可修 复并保证生命安全即θ<LS构 业件 性 不 环，允许屈服/届由，出现弹塑性 最不利工况下不引起剪力墙破能 钟臂析 弹性 壶形破坏程度可修复并保证生形成塑性较，破环程度轻微，可 命安全即<LS环桁架 入性即<10节点 不先于构件破坏 注：1）为构件杆端量性转角值，为杆件轴向童性拉压应壶值：2）参考ATC40和FEMA356给出的性能化水平评价标准，如最大可接受状态（CP限值）生命安全限值（LS值）以及结构正常运行限 值（ID值）等 4.2巨型钢管混凝土柱 初步设计阶段，结合了抗震审查专家对于巨型外框刚度要求对巨型钢管混凝土（CFT）柱和巨型型钢混凝土（SRC）巨柱方案在刚度、用钢量、施工等的应用已较为成熟，巨型CFT柱可采用内灌C80或 方面进行了综合比较：考虑到广东地区高强混凝土C90混凝土形成巨大的轴向刚度来抵抗倾覆力矩产生的拉压力，同时CFT柱整体性好，相同含钢率的前提下其抗弯抗剪承载力较SRC柱更高；也方便与环桁架、伸臂桁架、外框梁及楼面钢梁的连接， 施工速度更快. 图10低区典型巨型CFT柱截面 图10为典型低区巨型钢管混凝土柱的截面构造图11为实际施工时的巨型CFT柱，巨型柱在底部最大轮廊尺寸为3500mm×5600mm，整体采用分腔组合的形式并在钢管壁上设置栓钉和竖向、水 平加劲板竖向加劲板间距较大时采用对拉筋增加整体性.低区巨型CFT柱受力巨大因此除了采用普通钢管混凝土柱加劲钢管内灌混凝土之外还在腔内配置了一定数量的钢筋，配置钢筋的目的：1） 提高CFT柱的整体刚度；2）改善钢管腔内混凝土的延性；3）控制腔内素混凝土的收缩和徐变；4）提高CFT柱的防火性能.巨柱在高区截面减为800mm×1 500mm. 图11拖工中的巨型CFT 柱 巨柱而言较小因此巨柱的计算长度系数需要进行 专门的分析和考虑；3）构件的横截面压弯承载力，除了满足规范的设计要求外，尚应采用专门的截面分析程序进行计算设计；4）复杂节点的设计和非线性有限元分析. 4.3双层钢板剪力墙 初步设计时广州东塔核心筒混凝土下部区域采用C60，上部区域采用C50，为了保证刚度和延性需求减小核心筒墙厚度，在塔楼地下室-地上层32的核心筒外墙采用了双层组合钢板剪力墙构件（图1213）核心筒内墙则采用型钢混凝土剪力墙. 钢板剪力墙的钢板厚度主要由重力荷载设计值的轴压比限值、大震不屈服剪压比设计要求以及整体结构的侧向刚度需求控制并满足高规对钢板混凝土剪力墙最小和最大钢板厚等构造要求. 要求外在结构设计方面的关键内容包括：1）考虑 巨型CFT柱除了满足相关规范的构造和抗震到巨型CFT柱的重要作用，其抗震性能要求达到中震弹性大震不屈服的水平；2）由于巨型框架每道环桁架层之间距离较大，而每层的外环梁刚度相对
