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1.武汉绿地中心主塔楼核心筒设计研究*
作者：季俊
作者单位：华东建筑设计研究院有限公司
关键词：超高层结构;核心筒;剪力墙内藏钢板;转换连梁受力分析;动力弹塑性分析
摘要: 武汉绿地中心主塔楼结构高度 475m，核心筒作为抗侧力体系的主要组成部分具有非常高的重要性与设计 难度。基于塔楼巨柱在低区外倾的结构设计，论述了核心筒剪力墙内藏钢板设计高度超过 200m 的必要性; 给出了 核心筒剪力墙的抗震性能目标，并对某典型墙肢进行了轴力-弯矩曲线验算。分析结果表明，核心筒剪力墙中震下 均处于受压状态。通过整体模型局部精细化分析，确定上下洞口错位带来的“转换连梁”的实际应力水平，并进行 相应的配筋设计。提出了剪力墙内藏钢板水平分段原则。通过承担复杂塔吊荷载的核心筒施工阶段专项分析以 及针对性加强配筋，保证塔楼核心筒剪力墙施工阶段的安全。动力弹塑性分析结果表明: 剪力墙基本保持 IO 的性 能目标，大部分连梁出现塑性铰并起到主要的耗能作用。
1 工程概况
武汉绿地中心主塔楼为超高层综合体，主要建 筑功 能 为 办 公、酒 店 等，主 塔 楼 原 设 计 高 度 为 636m［1］，2018 年建筑设计进行了调整，现方案主塔 楼高度调整为 475m，地上 99 层，其建筑效果图及核 心筒布置示意图如图 1 所示，典型标准层结构平面 布置图如图 2 所示［2］。
项目风荷载以及地震作用取值见文献［1］。主 塔楼结构抗侧力体系为核心筒+12 根巨柱+3 道伸 臂桁架+9 道环带桁架+首层至 66 层角部巨柱间支 撑［3］，其中核心筒作为抗侧力体系的主要组成部分 具有较高的重要性与设计难度。主塔楼低区、中高 区、高区核心筒布置如图 1 所示，核心筒的收进方式 为退台式收进。结构自下而上，典型核心筒外墙厚 度由 1 000mm 逐 渐 收 进 至 500mm，内 墙 厚 度 由 800mm 逐渐收进至 400mm，墙体混凝土强度等级由 C60 逐渐降低至 C50。
主塔楼核心筒剪力墙在 41 层及其以下采用内藏钢板剪力墙［2］，如图 3 所示。在 42 层及其以上采 用常规的内藏型钢剪力墙。剪力墙内藏钢板的厚 度根据其轴压比、抗剪承载力等设计要求综合确定。
2 设置超高内藏钢板剪力墙的原因
超高层结构核心筒采用内藏钢板剪力墙具有 如下优势: 1) 减少墙体厚度，提升建筑的有效使用 空间; 2) 减小结构自重，从而减小塔楼受到的地震 作用，从而减小构件尺寸; 3) 减小结构自重有利于 基础设计与沉降控制［4］。
主塔楼核心筒剪力墙内藏钢板顶标高达 215m， 为中国目前最高的内藏钢板剪力墙。设置内藏钢 板剪力墙也是本工程复杂建筑形体的设计需求。 如图 4 所示，主塔楼的建筑形体自底至顶为先外扩 后内收，在外扩楼层巨柱为外倾设计［2］，其轴力产 生的水平分力很小甚至出现负值，结构“两道防线” 的概念在这部分楼层较难实现［5］。
为保证结构具有足够的安全储备，根据抗震审 查专家意见，采用多项措施提升此部分楼层的抗剪 承载力，包括 36 层以下核心筒剪力墙在地震作用下 的设计内力按 110%基底剪力取值以及剪力墙内藏 钢板延伸至 41 层以进一步加强核心筒的抗剪承载 力等。
3 核心筒剪力墙构件设计
3. 1 抗震设防性能目标
主塔楼核心筒剪力墙与连梁的抗震设防性能 目标如表 1 所示［6］。以图 2 与图 5 所示的首层左上 角“L”形墙肢 YBZ1 为例，进行中震弹性下轴力-弯 矩验算［7］，结果如图 6 所示，其中墙肢内藏钢板厚 度为 50mm，钢材为 Q355B。
剪力墙内藏钢板大大提升了核心筒的抗剪承载力［8］。以图 5 所示钢板剪力墙为例，对比了墙内 是否设置钢板在地震作用下抗剪承载力差别，如表 2 所示。可以看到，该剪力墙设置内藏钢板后，X 向 抗剪承载力增加 78%，Y 向抗剪承载力增加 62%。
3. 2 中震下核心筒剪力墙肢受力分析
采用“1. 0 ×( 恒载+ 0. 5 活载) + 1. 0 ×中震作 用”组合进行核心筒剪力墙中震受拉验算［9］，其 墙肢竖向应力分析结果如图 7 所示。可见，核心 筒剪力墙在中震下不出现拉应力，各层墙肢均处 于受压状态。
3. 3 大震下核心筒剪力墙肢受力分析
动力弹塑性时程分析结果表明，在受拉状态 下，剪力墙混凝土开裂主要集中在 67 层和 99 层的 桁架层，在底部也有部分墙体出现开裂，开裂范围 总体较小，如图 8( a) 所示; 剪力墙内钢筋和钢板最 大应力达到屈服强度的 60%，尚处于弹性状态［10］， 未出现塑性应变，如图 8( b) 所示，钢骨与钢筋的设 置安全合理，有足够的安全储备［11］。
3. 4 典型钢板剪力墙连接构造
钢板剪力墙连接构造可以参考《型钢混凝土组 合结构构造》( 04SG523) 及《多、高层民用建筑钢结 构节点构造详图》( 16G519) 等图集中相关内容开 展。本工程典型钢板剪力墙墙身分布钢筋构造如 图 9 所示，钢板剪力墙柱脚抗剪键构造如图 10 所 示［12］，开洞较大时剪力墙内藏钢板补强构造如图 11 所示。
4 托墙“转换连梁”受力分析与设计
超高层结构沿竖向建筑功能常会有变化，不同 楼层墙肢开洞要求可能不完全相同，这将导致部分 楼层上下层洞口不能对齐［13］。以本工程主塔楼东 北侧墙肢为例，其红框内墙肢在 1 层夹层，为开洞墙 肢但在其上部的 2 层及以上楼层为完整的墙肢，见 图 12( a) ，墙肢洞口因建筑功能需要调整了位置。 由于上下墙肢开洞错位，1 层夹层此 7m 高连梁成为 上部楼层墙肢的“转换连梁”，如图 12( b) 所示。在 进行此连梁设计时，需考虑连梁与上部墙肢整体作 用，通过专项受力分析研究，确定其合理设计配筋。 采用壳单元模拟剪力墙与“转换连梁”［14］。
采 取的分析方法是在主塔楼整体结构模型中进行此 局部的精细化有限元网格划分，从而兼顾超高层结 构精细模型单元数量巨大带来的分析效率较低、分 析时长较长的问题，以及局部“转换连梁”精确的受 力与变形分析模拟需求［15］。有限元网格划分情况 如图 13 所示。
以“1. 2×恒载+0. 6×活载+1. 3×小震”组合计算分 析“转换连梁”的梁底正应力与剪应力，结果如图 14 所示。可见，“转换连梁”底部正应力最大为 4. 2MPa; 最大剪应力约为 5. 0MPa( 应力特别集中的点除外) ， 剪应力沿高度积分后计算得到最大剪力 Vs =65 000kN。
基于有限元分析结果，“转换连梁”底部拉力 Fs = 1 /8 × 7 000 × 1 × 4. 2 = 3 675kN; 实配纵筋 40 25，其抗拉承载力 FＲ = 40 × 490 × 360 /1 000 = 7 056 kN; FＲ ＞Fs，满足设计要求。
连梁实配箍筋 6 16@ 100，同时另设置厚度 30mm、牌号 Q355 的抗剪钢板，“转换连梁”实际抗 剪承载力 VＲ 经计算得 VＲ = 84 000kN＞Vs = 65 000 kN，满足设计要求。综上所述，此“转换连梁”构件 设计安全合理。
5 剪力墙内藏钢板平面分段原则
在结构设计时，剪力墙内藏钢板一般是通长设 置的，较长的钢板水平长度会超过 10m; 但实际施工 时，为满足运输与安装条件，剪力墙内藏钢板需在 平面一定位置分成若干段，之后在现场通过螺栓或 焊接节点拼接成整体［16］。剪力墙内藏钢板平面分 段位置的确定可以考虑如下因素: 1) 分段位置需避 让钢筋连接器、对拉螺杆以及钢板开孔; 2) 钢板分 段需考虑现场塔吊起重量，且不能和现场爬模结构 冲突; 3) 钢板分段需考虑减少焊接热影响以及焊接 变形; 4) 钢板分段需考虑结构受力特点。
图 15 为第一道伸臂桁架楼层核心筒剪力墙在 小震组合作用下水平应力云图。可见受伸臂桁架 影响，与伸臂桁架相连的墙肢水平拉应力数值较 高、出现拉应力范围相对较大［17］，故在伸臂桁架楼 层可以适当减少分段点数量，且钢板墙分段节点设 计应能满足钢板受力要求。
主塔楼典型标准层剪力墙内藏钢板平面分段 位置示意图如图 16 所示。
6 施工过程中核心筒剪力墙专项分析与设计
现场施工时，在主塔楼核心筒三个方向的筒肢 端，各采用一台动臂塔吊进行施工吊装作业，如图 17 所示。在施工过程中，核心筒领先外框施工，核 心筒墙体处于悬臂状态，且其受到塔吊的施工荷载 作用，结构受力相对不利［18］，需开展施工过程中受 塔吊荷载作用的核心筒剪力墙受力分析与配筋设 计。本文以图 17 中的 1 号塔吊在 42 ～ 67 层之间施 工为例进行分析与设计研究。
对核心筒剪力墙、塔吊支架和塔吊格构柱进行 整体建模分析，塔吊荷载施加至塔吊格构柱顶部， 通过格构柱传至支撑架，再由支撑架传递到核心筒 墙体上。剪力墙分析时考虑的荷载为结构自重、风 荷载以及塔吊工作或静止时的荷载( 由塔吊厂家提 供) 。建立的分析模型如图 18 所示。
分析结果表明，内爬式塔吊支撑梁对剪力墙的影 响范围仅限定于支撑梁两侧墙体。受篇幅所限，以图 17 中 1 号塔吊作用处的 1-TQ2 墙肢为例介绍分析结 果。1-TQ2 墙肢最不利墙厚 600mm，混凝土强度等级 为 C60，水平与竖向分布钢筋配筋均为 2 12@ 100 ( 两侧) +1 10@ 100( 中间) ; 在墙肢端部根据《高层 建筑混凝土结构设计规程》( JGJ 3—2010) 及抗震审 查专家要求设置内藏型钢的约束边缘构件。
1-TQ2 墙肢每延米的面外弯矩和竖向力云图如 图 19 所示。墙肢在塔吊作用点处的每延米的面外弯 矩 Mxx约为 370kN·m，每延米的面内弯矩 Myy 约为 230kN·m，沿墙肢面内每延米的水平力约为 320kN，墙 肢面外每延米的水平力约为 500kN。提取塔吊作用 位置的墙肢弯矩及轴力，按拉弯或压弯构件对墙肢进 行相应的配筋计算。计算表明，在约束边缘构件处墙 肢的设计配筋满足塔吊荷载计算需求; 在分布钢筋区 域，塔吊荷载对墙肢作用的影响范围之内，竖向及水 平钢筋需适当加强，将原两侧分布筋局部加强至 2 18@ 100，即可满足受力需求。
7 罕遇地震下核心筒剪力墙与连梁损伤分析
采用 5 条天然波和 2 条人工波进行大震动力弹 塑性时程分析［19］。分析结果表明: 1) 部分连梁处于 弹性状态，大部分连梁出现塑性铰并起到主要的耗 能作用，塑性变形基本不超过 IO( 立即入住) 极限， 满足 LS( 生命安全) 的性能目标。2) 受压区典型核心筒剪力墙混凝土的应力最大约 35MPa，小于 C60 混凝土抗压承载力标准值 38. 5MPa。部分受拉区混 凝土开裂，钢筋及内埋型钢/钢板未进入屈服，核心 筒基本保持 IO 性能目标。
8 结论
( 1) 核心筒剪力墙在中震下各墙肢均处于受压 状态，未出现拉应力; 大震下核心筒剪力墙开裂范 围总体较小; 剪力墙内钢筋和钢板最大应力达到屈 服强度的 60%，尚处于弹性状态，未出现塑性应变。
( 2) 对超高层结构核心筒典型的上下层洞口错 位问题进行了专项研究。研究内容表明通过合理 的分析与设计可保证“转换连梁”的结构安全。
( 3) 提出了剪力墙内藏钢板水平分段原则，基 于其受力特点进行了分段与拼接设计，从而在结构 安全、合理的前提下实现了剪力墙高效快速的现场 施工。
( 4) 通过在结构模型中根据实际施工顺序建 立塔吊结构与荷载，分析了核心筒剪力墙在施工 阶段的受力需求，并进行相应的加强设计，研究 内容保 证 了 塔 楼 核 心 筒 剪 力 墙 在 施 工 阶 段 的 安全。
( 5) 动力弹塑性分析结果表明: 核心筒剪力墙 基本保持 IO( 立即入住) 的性能目标; 大部分连梁出 现塑性铰并起到主要的耗能作用; 核心筒构件满足 性能化设计要求。
