1 工程概况
高银117 大厦( 图1) 位于天津市高新区地块发展项目的中央商务区，是一幢以写字楼为主附有酒店及相关设施的大型超高层建筑，总建筑面积约37 万m² ，建筑高度约为597m ( 至顶部停机坪) ，共117 层( 包括避难层、设备层地上总结构层为126层) 。该项目由天津海泰新星房地产开发有限公司投资开发，是中国在建的屋顶高度最高的建筑物。

 

塔楼平面为正方形，外形随高度变化，各层周边建筑轮廓随着斜外立面逐渐变小，塔楼首层建筑平面尺寸约65m × 65m( 幕墙边) ，渐变至顶层时平面尺寸约45m × 45m。中央混凝土核心筒为矩形，平面尺寸约37m × 37m，主要用作高速电梯、设备用房和服务用房。

2 设计挑战 

塔楼结构高度为584m( 至主要屋面) ，首层结构宽度为61. 24m( 至巨型柱结构外皮) ，高宽比约9. 5，如图2 所示，大大超过7 度区规范^［1-3］对B 级高度高宽比限值7 的要求，应超限审查要求^［4］在工程初步设计阶段进行了超限结构专家审查。

图2 整体立面图

由于天津处于中国北方地震高烈度区( 7 度0. 15g) ，且所在场地覆盖层较厚，场地类别介于Ⅲ～ Ⅳ类之间，特征周期较长，其设计地震力较高，根据规范要求必须采取更为严格的控制标准，因此结构抗震设计面临更为严峻的技术要求和条件。
塔楼的结构高度及高宽比使得结构必须抵御很大的地震和风荷载的水平作用，对于超限工程还需满足一系列超规范的更高标准和工程技术要求。在实现业主及建筑师对建筑平立面要求的同时，结构工程师积极协调各方，从结构整体方案到构件布置，在建筑方案及初步设计过程中进行了不断的探索和优化，以期在满足结构整体刚度的条件下，兼顾工程经济性与合理性的要求。 

3 结构体系布置与构件设计演进 

 
3. 1 平面布置
结构平面布局呈正方形，典型平面见图3，其尺寸由65m 沿竖向逐渐内收至约45m，结构平面长宽比为1∶ 1。

设计过程中通过与建筑和机电专业的不懈协调，最终实现了结构平面及核心筒几乎双轴对称的格局。钢筋混凝土核心筒位于结构正中，整体结构布置规则、对称，为结构整体抗震及抗风创造了良好条件。同时通过合理开设结构洞口在双方向形成连梁，在保证刚度的条件下创造延性和耗能机制。
3. 2 外框筒( 周边结构)
为实现建筑布局并确保结构安全，结合工程经济性充分发挥钢与混凝土两种材料的优势，对于外框筒依次考虑了几种不同的布置方案。
( 1) 密柱结构( 含伸臂桁架和腰桁架加强层)
该体系对于抗震区400m 以上高层建筑主要的问题是其刚度难以满足要求，同时在中国规范对于外框架作为第二道防线需满足一定的刚度和强度要求下，框架柱截面尺寸较大，柱间净距狭小，难以满足建筑对公共空间布局及视野的要求。柱总体含钢量偏高，多道伸臂桁架也增加了与核心筒连接的复杂程度和造价，并产生刚度突变问题。
( 2) 巨型框架和密柱( 人字支撑或菱形撑)
此方案充分利用了巨型框架刚度大的特点，但重力由密柱传递至地面层，其截面仍相当大，角部的巨型柱所受的重力不能够平衡水平力产生的拉力，仍未能达到建筑空间布置的要求。
( 3) 巨型框架( 含转换桁架和支撑)
本方案将边柱的重力通过机电层的巨型转换桁架传递到两端的巨型角柱，边柱截面得以大大缩小，建筑空间较为开敞，结构也可以获得更大的抗侧刚度。对于巨型斜撑的布置方案，如采用人字撑及菱形撑，其与水平面夹角过大对刚度贡献的效率不高。
塔楼高宽比对结构整体刚度的要求迫使采用更为高效的支撑布置形式。经过与业主及建筑师协调，除底部节间考虑建筑主入口的要求为人字支撑外，其余节间采用交叉撑的形式，明显提高了结构整体刚度，最大程度地发挥了构件效率，从而满足了结构抗震及抗风的一系列技术要求。
由于外框架刚度的显著提高以至在大部分楼层超过了钢筋混凝土内筒，分析结果表明，伸臂桁架对于提高结构整体刚度的作用不明显，最终予以取消。
结构最终采用多重结构抗侧力体系，如图4 所示，分别由钢筋混凝土核心筒，带有巨型支撑筒、巨型框架构成的周边结构构成了多道设防的结构体系，提供了强大的侧向刚度，共同抵抗水平地震及风荷载。

巨型支撑与节间次框架之间的关系也是一个较为复杂的设计问题。由于建筑方面弱化交叉支撑的视觉效果要求，避免斜支撑及边梁柱相互交叉导致的传力路径不清晰，设计中采取了将斜撑与周边次框架在平面上错开的方案，两者相对独立，见图5。

图5 巨型框架与巨型支撑连接空间示意图———双层桁架

次框架各节间约为15 层，其梁柱结构只承担重力作用，与支撑脱开并只与巨型柱铰接，因而截面大幅减小。针对可能的连续倒塌工况，即下层小柱一旦遭到破坏( 如遇爆炸或外部撞击) ，需考虑本节间上部结构的安全性并设定合理的传力路径，在构造上小柱顶部采用了长圆孔的构造方式( 图6) ，在柱局部破坏条件下可以将梁柱吊住，起到了“保险丝”的作用，以一个简单的构造提高了结构的稳健性和安全性。

3. 3 核心筒
核心筒从承台面向上伸延至大厦顶层，贯通建筑物全高，其平面基本呈正方形，位置居中。如图7所示，底部尺寸约为34m × 32m，随着左右两侧墙肢的相继收进，核心筒于层67 完全呈现正方形，且由此至顶基本形成双轴对称的布局。核心筒墙肢间典型连梁高度为700mm，洞口平面分布规则、各片墙肢分布均匀，洞口竖向布置规则、连续、无交错。

塔楼核心筒采用内含钢骨的型钢混凝土剪力墙结构，并在下部采用内嵌钢板的组合钢板剪力墙结构( 图8) 。此体系自北京国贸三期在国内首次采用后在超高层建筑中得到了广泛的应用^［5］。混凝土包裹的钢板墙抗剪强度很高，可以改善普通混凝土墙的延性问题，同时组合墙体也可以以较小的墙身厚度满足轴压比的要求^［6］。混凝土的刚度大，耐火性能良好，初始造价和后期维护的费用都较低，组合墙体的采用提高了构件抗压、抗剪承载力，有效降低
结构自重及地震质量。

在方案设计研究阶段曾考虑将顶部部分楼层采用钢支撑的方案，由于结构整体刚度指标，特别是剪重比和刚重比的严格控制，顶点舒适度也已逼近限值，采用钢支撑内筒虽可减少部分自重，但总体性能指标较难满足，最终未采用。
核心筒周边墙体厚度由1 400mm 从下至上逐步均匀收进至顶部300mm; 筒内主要墙体厚度则由600mm 逐渐内收至300mm。墙体内的钢板布置由底部的两块35mm 厚钢板到约层32 处的单块25mm厚钢板。由于结构顶部受罕遇地震特别是鞭梢效应的影响，以及实现建筑顶部功能要求，巨型斜撑在顶部区段收停及顶部转换桁架的影响，剪力墙内力产生突变，因此在顶部楼层核心筒主要墙体也嵌入了钢板或钢支撑，以保证其抗剪和抗变形的能力。
核心筒对结构整体刚度影响明显次于外框筒，且其位置居中，但却成为结构自重的主要来源。设计过程中结合整体各项刚度指标进行了分析，比如受顶点加速度控制，顶部部分截面并不宜大幅收进，但其过大的重量又对结构整体抗震不利，因而如何恰如其分地控制并收进截面尺寸成为比较微妙的问题。核心筒中上部墙体，在角部及长墙端头等重点部位埋设实腹式型钢暗柱，提高了结构构件的承载力和延性。
3. 4 巨型柱
巨型柱位于建筑物平面四角并贯通至结构顶部，在各区段分别与水平杆、转换桁架及巨型斜撑连接。其平面轮廓结合建筑及结构构造连接要求，呈六边菱形，底部截面面积约为45m² ，沿高度并配合建筑要求分多段内收，外侧平齐，顶部楼层面积约为5. 4m² ，见表1。

巨型角柱考虑与转换桁架及巨型斜撑连接，其设计也经过了不断的演化，特别是对型钢混凝土柱和钢管混凝土柱之间进行了各方面的比对，权衡利弊。由于截面尺寸大，根据相关试验结论，柱内各孤立的钢骨间必须采取全高的强连接方式，避免出现类似格构柱的分离式的布置，确保柱的整体延性^［7］。这一要求客观上形成封闭式钢管的构造，其外部再由混凝土包裹，此构造既不能避免大尺寸钢管混凝土构件加工的复杂性，又面临大量箍筋绑扎形成的复杂构造以及模板支护等工序和所需时间。随着国内大尺寸钢管混凝土柱在构件加工及施工经验的逐渐成熟，最终考虑将钢板在周边外置，内部钢板根据构造要求相互连接，独立分割，如图9 所示，形成了多腔体的6 边形钢管混凝土组合构件，获得巨大的拉压弯及抗剪扭承载力，以抵抗竖向荷载及风、地震等侧向荷载作用。

巨型柱非节点区整体含钢率约为4% ～ 6% ，钢材采用Q345GJ( 或Q390GJ) 。由底至顶内填高强混凝土，强度C70 ～ C50。各腔体内布设钢筋，其主筋整体配筋率约为0. 5% ～ 0. 8% ，在提高构件强度的同时，有效降低混凝土收缩徐变产生的不利影响。在各腔体内侧对称布设纵向内肋板，并用水平拉结钢筋连接，约束钢板面外屈曲。
巨型柱内各腔体钢管和混凝土之间的相互作用使钢管内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，钢管内部的混凝土又可以有效地防止钢管发生局部屈曲，因而构件的延性性能明显改善，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。在轴压比控制条件下，可有效减小截面尺寸，降低结构自重; 钢管柱构件自成模板，便于施工，可加快施工进度。
巨型柱结构设计，综合平衡了建筑布局、结构整体刚度、构件受力性能、节点连接、工程造价、制作加工、施工可行性等各方面的要求，达到最优的综合经济技术性能。
3. 5 巨型斜撑和转换桁架
巨型斜撑设置于大厦四边的垂直立面上，采用焊接箱形钢截面并与巨型柱连接。如前所述，巨型斜撑与边梁柱相互脱开，受力清晰，简化了节点构造。通过楼面体系设置水平支撑，对其面内外进行约束，降低计算长度，确保其与结构整体协调变形。
转换桁架( 巨型腰桁架) 配合建筑及机电专业避难及设备层由5 组单层桁架和3 组双层桁架交替布置，沿塔楼每12 ～ 15 层均匀分布，承担其间隔楼层竖向荷载并将其转换至角柱，并与四角的巨型柱共同作用，提供部分抗侧刚度，增加大厦的抗扭性能。在罕遇地震下，转换桁架将成为防止楼面局部倒塌、确保安全的重要构件，在设计时，考虑大跨结构竖向地震作用，提高其性能化设计水准至大震不屈服。
3. 6 楼板体系
塔楼核心筒外，楼面梁采用了常见的组合楼板体系，跨度6 ～ 13m，两端铰接，钢梁典型间距为3m，综合考虑板跨、层高、荷载、舒适度、建筑隔音等因素，楼板厚度办公楼层120mm、旅馆楼层130mm。为降低结构自重并便于节点施工，核心筒内亦采用了组合楼板体系，普通楼板厚度为120mm。
为确保水平剪力在核心筒与外框架、主塔楼与裙楼间以及主体结构和结构大底盘之间的可靠传递，对楼层楼板内力传递，在楼板厚度及相应楼面构造上通过加设水平支撑对其进行了加强处理，加强层( 转换桁架所在楼层) 、主塔楼内裙楼屋面层上下各一层、裙楼屋面、首层及嵌固层楼板厚度为200 ～300mm。
为避免混凝土梁与核心筒内钢骨连接产生的复杂节点构造，降低结构自重，塔楼核心筒内及地下室楼面梁也采用了组合楼板体系。
3. 7 抗震性能化设计要求
由于结构超限较多，按照性能化设计的思想，经过与超限审查专家组的多次讨论，明确了结构整体和各构件抗震目标，见表2。抗震性能目标的确定，经与弹塑性时程分析结果对照，通过控制核心筒连梁在罕遇地震作用下最早进入塑性，同时确保巨型柱和转换桁架两个最重要的结构构件在大震下的相应性能，实现了整体结构具备多道设防和耗能机制的设计原则。

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