武汉恒隆广场超高层办公楼结构设计丨中国武汉丨中信设计

阳春布德泽，万物生光辉。

在一片明媚的春光中，武汉恒隆广场焕新开业！

该项目是集高端购物中心、国际甲级办公楼及销售型物业为一体的商业综合体，其中超高层办公楼高达 320.7m。

三百多米，超限高层，存在刚度突变和构件间断等不规则项，如何应对？中信设计专家为你揭晓答案！

武汉恒隆广场超高层办公楼结构设计

张达生（中信设计副总工程师）

宗静（武汉信筑工程顾问有限公司副总工程师）

王海（中信设计第二设计院副总工程师）

一、项目概况

武汉恒隆广场位于武汉市硚口区京汉大道与顺道街之间，由超高层办公楼、公寓式酒店、大型商业及地下停车场组成。项目占地面积为 8.26 万 m²，总建筑面积为 68.8 万 m²（图 1）。其中超高层办公楼地下 3 层，地上 61 层，高 320.7m。

图 1 恒隆广场鸟瞰图（摄影：李扬）

超高层办公塔楼平面尺寸为 72.2m×47m，屋面高度为 276m，塔冠高度为 320.7m，高宽比为 5.87（按屋面高度计算）、6.82（按塔冠高度计算）。塔楼按竖向分为商场、一区办公、二区办公、三区办公、四区办公五个功能区。

建筑抗震设防类别为重点设防类，安全等级为一级。抗震设防烈度为 6 度，基本加速度 0.05g，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类，设计特征周期 0.45s，基本风压 0.35 kN/m²，地面粗糙度为 C 类。

二、结构体系

1、抗侧力结构体系

抗侧力结构体系由中心区核心筒、外围框架和加强层环桁架组成（图 2）。利用建筑中心交通区域的隔墙布置核心筒剪力墙，剪力墙为现浇钢筋混凝土结构；在建筑周边合适部位布置框架，框架柱为圆钢管混凝土柱，框架梁分为 H 型钢梁和型钢混凝土梁两种。为提高框架抗侧刚度，1～5 层框架梁采用型钢混凝土梁，5 层以上框架梁采用 H 型钢梁；利用 30～31 层避难层设置加强层环桁架（图 3）。采用 4 个模型（无加强层、设置一道环桁架、设置二道环桁架、设置三道环桁架）进行敏感性分析，结果显示在第 30～31 层设置一道环桁架加强层为最优。

外围框架

核心筒

外加强环桁架

图 2 结构抗侧力体系

图 3 30～31 层避难层设置加强层环桁架

钢筋混凝土核心筒具有较大的侧向刚度，作为结构抗震第一道防线，承受较大地震剪力；钢管混凝土框架和加强层环桁架共同组成结构抗震第二道防线，承受部分地震剪力。

2、楼（屋）盖体系

楼（屋）盖体系分为普通钢筋混凝土梁板结构和 H 型钢+钢筋桁架混凝土板结构（图 4）。核心筒内部区域楼（屋）盖采用钢筋混凝土梁板结构；核心筒外部区域楼（屋）面梁采用 H 型钢梁与钢筋桁架混凝土板，二者形成钢与混凝土组合梁。

图 4

H 型钢+钢筋桁架混凝土板结构-楼（屋）盖体系

钢筋桁架混凝土板为免模体系，利用楼板中的钢筋制作成钢筋桁架，与镀锌钢板焊接成一体作为模板（图 5），在其上浇注混凝土。

图 5

钢筋桁架模板

3、塔冠体系

塔冠采用钢框架-支撑结构体系（图 6），框架柱采用方钢管，框架梁及支撑构件采用 H 型钢。塔冠横向刚度较弱，为提高该方向侧向刚度，横向支撑体系采用巨型框架结构。巨型框架由竖向支撑框架和水平桁架组成，具有较大的侧向刚度，有利于抵抗地震和风荷载。塔冠纵向刚度较强，仅需在两端布置支撑体系即可满足抗震、抗风设计需求。

图 6

塔冠结构体系

三、结构设计

1. 超限判断

本工程采用框架-核心筒混合结构体系，建筑屋面高度 276m，超过框架-核心筒混合结构最大适用高度 220m 限值；另外，还存在楼层刚度突变和构件间断（设有加强层）等不规则项。

2. 应对策略

采用框架-核心筒双重抗侧力体系满足建筑结构抗震需求，设置加强层环桁架提高外围框架二道防线的抗震能力；框架柱采用钢管混凝土结构，提高框架柱的抗震承载力及延性。

补充小震弹性时程分析，将小震弹性反应谱地震内力与小震弹性时程地震内力包络设计。

采用等效弹性法补充中震分析，主体结构构件按小震弹性与中震弹性（竖向构件抗剪）和中震不屈服（竖向构件抗弯、框架梁和连梁抗剪）包络设计；对中震作用下出现抗剪屈服的连梁，通过设置钢板提高其抗剪能力。

对刚度突变楼层地震剪力乘以 1.25 增大系数；将侧向刚度较大楼层墙柱混凝土等级由 C60 降至 C50，分段减小墙柱截面。

对加强层及上下楼层采取以下加强措施：

楼板厚度增加至 150mm，采用双层双向配筋，配筋率为 0.3%；

核心筒剪力墙的抗震等级提高至特一级；

核心筒剪力墙设置约束边缘构件；

核心筒剪力墙分布筋配筋率提高至 0.4%。

主体结构进行抗震性能设计，根据建筑超限程度确定结构抗震性能目标为 C 级，各类构件在相应性能水准下的性能状况见表 1。

表 1

各类构件在相应性能水准下的性能状况

3、计算分析

结构抗震分析论证所采用的计算软件见表 2。

表 2

结构抗震分析论证所采用的计算机软件

计算分析采用三个计算模型：

模型 1（用于墙、柱抗震验算）：恒荷载按实际取值，活荷载按荷载规范取值；

模型 2（用于验算风荷载和重力荷载作用下各构件承载力）：恒荷载按实际取值，活荷载按业主要求取值并考虑灵活布置的隔墙荷载；

模型 3（用于验算塔冠结构）：塔冠结构单独验算，采用主体结构顶部相对加速度换算出主体结构顶部地震影响系数最大值。

三个计算模型之间的关系见图 7。

图 7

三个计算模型之间的关系

主要计算结果分析评价：

采用 SATWE 和 ETABS 软件对主体结构进行振型对比分析，前三阶振型对比见图 8。计算结果显示：主体结构第一、第二阶振型为平动，第三阶振型为扭转；两款软件计算的模态基本一致。

图 8

前三阶振型

SATWE 和 ETABS 两款软件计算地震作用下主体结构层间位移角（图 9），结果显示：X 方向最大层间位移角为 1/1053（SATWE-42 层）、1/1182（ETABS-42 层），Y 方向最大层间位移角为 1/828（SATWE-51 层），1/855（ETABS-51 层），各层层间位移角均满足性能目标要求；加强层相邻楼层层间位移角出现突变。两款软件计算的层间位移角变化规律基本一致。

图 9

地震作用下层间位移角

地震作用下，框架应承担一定比例的地震剪力，以确保二道防线的可靠性。SATWE 软件计算框架承担地震剪力百分比（图 10），结果显示：框架部分分配的地震剪力最大值小于结构底部总地震剪力标准值的 20%，但不小于 10%，应按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第 9.1.11 条规定进行剪力调整。

第 30～31 层为环桁架加强层，由于加强层存在刚度突变，导致柱剪力分配突变。地震作用下，地震剪力和位移容易集中在加强层附近，形成薄弱层，因此需要对加强层及相邻楼层的竖向构件进行加强处理。

图 10 地震作用下框架柱承担的地震剪力百分比

采用《高层建筑混凝土结构技术规程》等效弹性法对核心筒剪力墙中震性能进行了计算分析（图 11），计算显示：底部加强区核心筒外筒最大的承载力比值为 0.72，内筒为 0.49，底部加强区核心筒剪力墙中震抗剪性能满足要求。

图 11

底部加强区剪力墙中震弹性剪力与承载力比值

采用 PERFORM 3D 软件计算主体结构在大震作用下弹塑性层间位移角（图 12），结果显示：X 方向最大层间位移角 1/255，Y 方向最大层间位移角 1/171，层间位移角满足性能目标要求。

图 12

大震作用下弹塑性层间位移角

图 13 为核心筒剪力墙在大震作用下混凝土纤维应变状况，图中显示：底部部分剪力墙混凝土纤维受压应力超过设计值 fc，但均未超过抗压强度标准值（黄色代表 0.9~1.0 倍之间）。

图 14 为核心筒剪力墙在大震作用下钢筋应变状况，图中显示：底部剪力墙钢筋受力较大，但均未超过 0.9 倍钢筋屈服强度（绿色代表 0.8~0.9 倍之间）。

在大震作用下，核心筒剪力墙正截面不屈服。

墙混凝土纤维应变（IO 验算）

墙混凝土纤维应变（LS 验算）

墙混凝土纤维应变（CP 验算）

图 13

核心筒剪力

墙在大震作用下混凝土纤维应变状况

钢筋应变（IO 验算）

钢筋应变（LS 验算）

钢筋应变（CP 验算）

图 14 核心筒剪力墙在大震作用下钢筋应变状况

采用 ETABS 软件对塔冠结构进行了小震弹性、中震不屈服补充分析，表 3 为抗震计算参数取值。

表 3 中“水平地震影响系数最大值”系根据主体结构顶部相对加速度与工程场地加速度的比值，对场地水平地震影响系数最大值进行等比例放大，具体详见表 4。

表 3 抗震计算参数取值

表 4 场地水平地震影响系数最大值等比例分析

根据塔冠结构抗震性能目标，塔冠结构构件按小震弹性和中震不屈服包络设计。

4、结构处理

型钢混凝土梁与核心筒剪力墙连接。底部楼层框架梁采用型钢混凝土梁，梁内型钢与核心筒剪力墙间的连接处理为铰接，该处理方式具有以下优点：

- 框架柱与核心筒剪力墙间相连的框架梁多数在剪力墙墙肢平面外相交，梁内型钢与剪力墙铰接减小了墙、梁节点处梁的刚度，使得梁端弯矩减小，墙肢平面外受力状况得到改善。

- 梁内型钢与剪力墙铰接简化了节点构造，节点施工质量得到有效保障。

型钢混凝土梁与钢管混凝土柱连接。其连接处理为刚接，梁内 H 型钢翼板与钢管柱间采用全熔透等强焊连接，梁纵筋穿过钢管壁锚入柱内混凝土中，图 15 为型钢混凝土梁与钢管混凝土柱连接节点构造，该节点具有传力路径清晰、节点构造简洁、便于施工等优点。

图 15 型钢混凝土梁与钢管混凝土柱连接

结语

本工程为建筑高度超限，且存在刚度突变和构件间断等不规则项。结构设计根据建筑超限情况，结合抗震概念设计原则制定了合理有效的应对措施，经过论证分析，建筑结构可以实现预期抗震性能目标。

结构抗震性能设计为超限建筑工程结构设计的重要环节，设计需根据拟定的性能目标逐项分析论证。

超高层建筑结构加强层的设置需根据主体结构抗侧刚度确定，加强层位置、数量及结构形式等需通过敏感性分析确定。

节点设计在满足计算假定及受力需求的条件下，力求传力路径清晰、构造简洁、方便施工。

内容 | 张达生 宗静 王海

编辑 | 张阳菊

校对 | 余来

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