国瑞·西安金融中心结构设计

一、项目概况

国瑞·西安金融中心位于西安市高新区创业新大陆北侧建筑高度350m，为西安目前在建最高的建筑。该项目总建筑面积29万m²。

塔楼为75层的超高层写字楼，裙房为3层商业用房，两者设缝分开。地下共4层。项目参建单位和建筑立面效果如下：

业主单位	陕西华威世达实业有限公司
设计单位	北京市建筑设计研究院有限公司
结构顾问单位	奥雅纳工程咨询（上海）有限公司
机电初设、顾问单位	柏诚工程技术（北京）有限公司
施工总包单位	北京建工集团有限责任公司
钢结构供应单位	浙江精工钢结构集团有限公司

图1 建筑效果图

塔楼平面尺寸53.8m×53.8m，高宽比6.5，首层核心筒外轮廓尺寸30.6m×30.3m，核心筒高宽比11.5。建筑标准层层高4.3m，首层大堂高度15.3m，合计共设置5个避难层。

二.        结构设计难点

本工程所在区域抗震设防烈度为8度，场地类别为III类，《地震安全性评价报告》给出的水平地震影响系数最大值0.18。主要存在以下几个难点：

1. 结构总高度高、设防烈度高、地震作用大，对结构的承载能力及变形控制提出了更高的要求；

2.   71层以上的楼层采用悬挑桁架支承于核心筒上，结构顶部竖向鞭梢效应作用显著；

3. 本工程地基持力层为黏性土层，承载力较差，基础设计难度大。

三、      结构方案选型

1.  结构体系选型

方案设计阶段，对比了以下四种结构布置形式：

核心筒+密柱（柱距4.5m）+伸臂+腰桁架

核心筒+外框架（柱距9m）+伸臂+腰桁架

核心筒+巨柱+斜撑

核心筒+巨柱+伸臂桁架+腰桁架

图2 结构方案示意图

经综合比较，最终选定方案1为结构方案。在方案深化设计阶段，为提高通透性，将外框架的柱网间距调整为6.0m。

2.   底部大堂方案

建筑首层层高15.3m，塔楼外框柱距6.0m，为保证建筑首层大堂通透性效果，方案设计阶段对比了下述4种转换方案：

   方案1          

 方案2

方案3 

 
  方案4

图3 首层大堂结构布置示意图

方案1，结构造价最省，建筑效果也较为通透，最终确定以方案1为实施方案。

图4 首层V撑效果图

       四、     地基基础设计

本工程塔楼与裙房之间重量差异大，为控制沉降差、减小基础筏板厚度、减少基础筏板钢筋用量，基础采用变刚度调平设计方法设计，同时考虑地基和上部结构的相互作用。采用有限元软件PLAXIS 3D进行变形分析（图5）。

图5 基础计算模型及沉降结果

    塔楼下采用钻孔灌注桩，一般桩长70m、外围桩长65m，直径均为1m。塔楼基础底板厚度4m。

       五、    主体结构设计

塔楼采用框架-核心筒结构体系，外框由型钢混凝土柱与钢梁组成，内筒为钢筋混凝土剪力墙核心筒（图6）。

图6 标准层结构布置

在建筑第2、4避难层设置伸臂桁架及腰桁架，第5避难层设置腰桁架。结构平面及主要的抗侧力体系如图7所示：

图7 结构抗侧力体系示意图

1. 外框架

塔楼外框架采用钢骨混凝土柱和钢梁，首层柱截面1600×1600mm，顶部柱截面1300×800mm。外框型钢梁梁高1000mm。

2. 楼盖

塔楼楼盖采用钢-混凝土组合梁形式，楼板采用钢筋桁架组合楼板，标准层楼板厚度110mm。

标准层核心筒与外框之间的楼面梁跨度12m，钢梁高度490mm，钢梁挠度问题通过预起拱解决。

3. 顶部悬挑桁架

观光层以上两层均为悬挑结构，建筑效果及屋顶结构布置示意见图8、9。

图8屋顶层建筑效果

图9 顶部结构形式示意

屋顶结构抗震设计时，采用罕遇地震时程分析方法对竖向鞭梢效应进行模拟。悬挑钢结构按大震不屈服设计，支承悬挑钢结构的剪力墙按中震弹性、大震抗剪不屈服设计。

4. 核心筒

首层核心筒剪力墙最大厚度1.4m，二层及以上为1300~500mm。底部楼层剪力墙内设置钢板，提高剪力墙承载力及延性，中部楼层核心筒边缘构件内设置型钢，过渡楼层、加强层及顶部支承悬挑的核心筒墙体内设置钢支撑。

5. 伸臂桁架

本工程共布置了两道伸臂桁架和三道腰桁架。

图10 结构伸臂桁架立面布置图

六、   主要分析结果

1.  塔楼弹性分析结果

本工程塔楼X、Y两个方向的平动周期分别为6.26s和6.27s，第一扭转周期3.61s。按水平地震影响系数0.18得出的X和Y方向的最大层间位移角分别为1/509和1/503，首层剪重比分别为2.50%和2.52%。

2.  结构罕遇地震下的性能分析

采用有限元分析软件ABAQUS进行弹塑性性能分析，同时考虑了材料非线性、几何非线性及施工过程非线性。

罕遇地震下，结构X向层间位移角最大值为1/106；结构Y向层间位移角最大值为1/109；均满足规范限值1/100的要求。

图11 核心筒底部剪力墙内钢板大震下应力结果

伸臂桁架与核心筒相连的节点在中震下的最大应力为266Mpa，满足中震弹性的设计要求。

图12 伸臂桁架节点中震应力结果

七.      用钢量统计

本工程塔楼部分用钢量计算值见图13

图13伸臂桁架节点中震应力结果

塔楼地上地下面积共计23万m²，按塔楼计算的型钢用量为125kg/m²（不含栓钉、节点板、连接螺栓、混凝土内的埋件）；钢筋用量约85 kg/m²（不含基础底板和桩）。