超高层建筑 结构「高层结构体系有哪些」

转载自“公众号-结构小站 ，作者严从志”

1 回顾

在上一篇中我们对超高层的定义进行了总结，根据CTBUH的定义，将300米以上的建筑定位为超高层建筑（Supertall），将600m以上的建筑定位超级高层建筑（Megatall）。

我们将超高层建筑结构体系主要划分为筒体结构、束筒结构、筒中筒结构、框架-核心筒结构、巨型结构、连体结构和其它一些新型结构体系等。

图1 超高层结构的体系分类

我们在上一篇中着重分享了筒体（框筒、支撑筒以及斜交网格筒体）结构体系的特点及案例，在本篇中主要着重分享关于束筒和筒中筒（框筒-核心筒、支撑筒-核心筒以及斜交网格筒-核心筒）结构体系的受力特点及案例。

2 束筒结构(Bundled Tube)

束筒可以认为是由一组筒体组成的结构，这些筒体由共用的内筒壁相互连接以形成一个多孔的多格筒体。在这个筒体中，水平剪力主要由平行于水平荷载方向的腹板框架来承担，而倾覆力矩则主要由垂直于水平荷载方向的翼缘框架来承担。并且，筒体的各个筒格可在不同的高度任意截断而不削弱结构的整体性。各个筒格所形成的封闭筒体在建筑体型收进后，仍具有较好的抗扭性能。

图2 由半圆筒体和矩形筒体组成的束筒结构

束筒是在框筒的基础上发展而来。对于框筒结构，由于剪力滞后的负面影响，较大的平面尺寸中间位置的结构不能充分参与到结构抗侧中去，这也是限制框筒结构适用高度的一个主要原因。如果利用框筒结构来设计更高的超高层建筑，可能需要采用更小的柱距来减小剪力滞后的不利影响，例如410m高的纽约世贸中心双子塔的柱距达到了惊人的1m左右，即使这么小的柱距依然呈现出明显的剪力滞后效应。

图3 世贸中心双子塔框筒的剪力滞后效应

提出筒体结构体系的Fazlur博士在指导学生的论文时发现，如果利用通长的剪力墙将框筒长边一分为三时，由于隔板剪力墙的协同作用，大尺寸筒体的剪力滞后效应明显降低了，其抗侧刚度也可以得到大幅提升。

图4 束筒结构的原型

如果横隔剪力墙可以有效降低长边的剪力滞后效应，那么对于大尺寸的框筒结构，在两个方向都引入横隔剪力墙，必然可以提高大尺寸框筒的整体空间作用。但是连续的剪力墙会对建筑室内空间产生较大影响，Fazlur便利用连续的抗弯框架代替剪力墙，这便是束筒结构的由来。引入横隔剪力墙后的剪力滞后效应如下图所示，可以看出，翼缘框架处的剪力滞后效应得到了明显改善。

图5 引入横隔剪力墙后的剪力滞后效应明显改善

从下图中可以看出，在束筒结构中，内外腹板相交处形成了多个角柱。在侧向荷载作用下，由于楼板的平面内刚度很大，其水平隔板作用使得束筒的内侧腹板框架与外侧腹板框架协同变形。而内腹板的角柱是由腹板直接使其受力，在单筒结构中，这些角柱是通过外侧翼缘框架的裙梁间接受力的，在束筒结构中，这些角柱的内力要远大于单筒结构。因此，内腹板框架的存在大大降低了由剪力滞后所产生的各柱受力的不均匀性。正交筒壁束筒的竖向应力更接近与均匀，其结构的性能比框架筒体更接近于真正的筒体。束筒内部的横向框架（内侧翼缘框架）的受力则与外部的翼缘框架类似，受力也比较均匀。因此，由于内部腹板框架的存在，束筒结构的剪力滞后效应大大降低，其空间作用得到进一步发挥，抗侧效率远远高于单一的框筒结构。

图6 束筒结构的剪力滞后效应

与单一的框筒结构相比，由于束筒的抗侧效率更高，因此束筒可以容许较大柱距和较小的裙梁。例如，410m的世贸双子塔采用钢结构框筒，柱距为1.02m，而442m高的西尔斯大厦采用束筒结构，其柱距达到了4.6m，经济型及建筑效果大大提高。

因为束筒的设计是将多个单筒布置在一起演绎而来，这就可能用简单地在任何高度处终止一个筒体的办法来达到建筑体型的收进效果。相邻的筒体不一定需要有相似的形状。一个由方形和三角形筒格组成的束筒，在概念上与两个方形或两个三角形筒格相似。组成束筒结构的单筒可以是框筒，也可以是支撑筒、斜交网格筒。如下图所示。

图7 多格筒体组成的束筒

束筒的一个显著优点是可以由几个单筒组合成任何图形，而且可以在任何标高处终止而对结构的整体性没有明显影响。这一特点使得有可能形成各种形状与尺寸变化的收进。然而，其缺点是楼面被一系列内部腹板框架划分为多个筒格。

隐藏在这种模块设计概念后面的结构原理是：内部柱列与裙梁在抵抗剪力时如同一个巨型悬臂筒体的内腹板一样受力，这样就最大限度地减小了剪力滞后效应。如果没有内隔板的约束作用，则框筒的大部分靠近建筑平面中部的外柱在抵抗倾覆力矩时所起的作用很难发挥出来。这种体系可以看作是在两个方向都有着加劲内部框架的周边筒体结构体系的一种扩展。内部隔板最大限度地减小了筒体的剪力滞后效应，使柱的轴向应力沿翼缘框架的分布更加均匀。

西尔斯大厦（Sears Tower）

结构设计：SOM

结构体系：束筒结构

西尔斯大厦（Sears Tower，现称为威利斯大厦，Willis Tower），地上108层，建筑高442.1m，用钢量仅为161kg/m2，是世界上第一个采用束筒的超高层建筑。于1970年施工，1974年竣工，建成后占据世界上最高的高层建筑的头衔长达20年。西尔斯大厦采用3x3的束筒结构体系，每个筒体的尺寸均为22.86x22.86m（75英尺），筒体的柱距为4.57m（15英尺）。

图8 西尔斯大厦各区的平面

底部3x3的筒体延伸到第50层，然后左上和右下两个角部的筒体被消去。到了第66层，另外两个角部的筒体到了终点，形成一个十字形的筒体形状。到了90层，又有三个筒体被削去，最终顶部剩下两个筒体。

图9 西尔斯大厦筒体收分示意图

图10 西尔斯大厦束筒示意图

图11 环带桁架位置示意图

为了进一步减小剪力滞后，加强结构的整体性，Fazlur还在30、66及90层左右沿外框设置了数层高的环带桁架。如上图所示。

图12 楼盖布置

图13 跨度为22.86m的桁架式楼面梁

单个筒体的开间约为22.86mx22.86m，内部不再布置柱子，由于楼面跨度较大，因此采用单向桁架作为楼面梁，桁架截面高度约为1016mm，桁架间距为4.58m，可直接与两侧的钢柱相连。为使各柱尽可能承担相等的竖向荷载，即避免某一方向的柱子承担很大的竖向荷载，而另一方向承担很小的竖向荷载，为此将上述的桁架布置方向每隔6层交替换向布置。桁架斜腹杆之间可穿越直径达510mm的空调管道。楼板采用140mm厚的压型钢板组合楼板。

图14 结构单元

为了减少施工过程中现场焊接的工作量，设计团队采用了上图所示的“圣诞树”的结构单元，由一个两层的立柱组成，在立柱的两侧在工厂焊接好个一半的钢梁。现场安装时，在梁接头处采用螺栓连接，使得现场焊接的工作量减少了95%左右。

图15 正在施工的西尔斯大厦（@SOM）

Four Allen Center

结构体系：束筒带支撑框架的混合体系

为了起到束筒的结构作用，并不一定需要用密柱将建筑平面分割为数个次生筒格。也可以在筒体的迎风面与背风面之间设置少量立柱从而减小剪力滞后以达到同样的效果。

Four Allen Center，高211.83m，地上共50层，1984年完工。其平面是两端为半圆形的长方形，平面尺寸约为33.5mx79.25m，长宽比约为2.36，高宽比约为6.3。在前文的分析中，筒体结构长宽比不宜过大，一般不宜大于1.5。这是由于当长宽比较大时，长边所对应的迎风面大，而长边的剪力滞后现象又较为明显，因此长边的大部分中柱都无法有效的发挥作用，必须采取相应的措施。

图16 Four Allen Center平面布置图

虽然沿着周边布置间距约为4.57m的密柱，若采用纯粹的框筒结构，由于柱距较大，且平面的长宽比达到了2.36，长边的剪力滞后现象太严重，因此难以提供足够的抗侧刚度。结构设计师采用了一种改进的束筒结构，在交通核沿竖向设置人字形支撑形成实腹桁架，在交通核与外框之间设置空腹桁架，将中间的平面划分为四个筒格。如下图所示。

图17 Four Allen Center 剖面图

这些横向框架的设置，在很大程度上减小筒体长边翼缘框架的剪力滞后效应，使得中部的柱也能有效的发挥抗侧作用。

后来SOM还分别在1983年设计了另外两座束筒结构，分别是位于芝加哥的205m高的One Magnificent Mile以及位于迈阿密233m高的Wachovia Financial Center。

图18 One Magnificent Mile

图19 Wachovia Financial Center

但是由于束筒结构对建筑内部空间的影响，小编并未发现束筒结构在国内的应用案例，如有发现应用的小伙伴，欢迎联系小编进行补充。

3 筒中筒结构(Tube in Tube)

在现代超高层建筑中，采用框筒、支撑筒或斜交网格筒单独作为抗侧力体系的建筑较少，一方面是由于我国规范一般要求采用双重抗侧力体系，另一方面是由于竖向交通核和管道设备空间的需求，设置内筒也是合理的。因此，相对于单独的筒体结构，筒中筒结构是超高层结构中更为常见的结构体系。

筒中筒结构是由外筒与内部核心筒组成。外筒可以采用密柱框筒、支撑筒、斜交网格筒等形式。采用钢筋混凝土结构时，内筒一般采用混凝土剪力墙组成的筒体，采用钢结构时，内筒一般采用钢框筒、钢支撑筒或者钢板剪力墙筒体。

图 20 筒中筒结构示意图

筒中筒结构是一种双重抗侧力体系，在水平荷载作用下，内外筒需要协同工作。筒中筒结构由于内筒的存在，其抗侧刚度一般情况下要比相同的筒体结构强。相同条件下，它的外筒可以做的更加通透，以呈现更好的建筑效果。因此，与早期的框筒结构相比，筒中筒结构中的外框筒的柱距通常更大，裙梁的跨高比也更大。

当外筒采用密柱框筒时，一般情况下，内部核心筒的刚度会远大于外框筒，此时，核心筒作为第一道防线，承担主要的水平剪力和倾覆力矩。当外筒采用支撑筒或斜交网格筒体时，由于支撑筒、斜交网格筒体的抗侧效率高，刚度大，通常是外框筒提供主要的抗侧刚度，作为第一道防线来承担主要的水平剪力和倾覆力矩。

框筒-核心筒结构最早是由Fazlur R. Khan 在一号壳牌广场大厦中应用，后逐渐在超高层结构的设计中得到不断推广。

框筒由于其剪力滞后效应，难以充分发挥其空间作用。当框筒开洞率较大时，其剪力滞后效应更为明显，因此在框筒-核心筒结构中，通常由核心筒作为第一道防线，承担主要的水平剪力和倾覆力矩。

一号壳牌广场大厦（One Shell Plaza）

结构设计：SOM

结构体系：筒中筒（混凝土框筒-混凝土核心筒）

一号壳牌广场大厦，共50层，高217.6m，1970年竣工，采用混凝土筒中筒结构。竣工时，是世界上最高的混凝土高层建筑，也是世界上第一座全部采用轻质混凝土的高层建筑。

图 21 一号壳牌广场大厦的建筑平面图

图22 楼盖布置及受力分析

对于外框柱的设计，由于角部的楼盖布置采用井字梁布置，通过上面的受力分析可以看到，井字梁的布置导致角部的柱受力明显大于其他柱。为了各个框架柱的应力水平基本一致，Fazlur并没有采用增大构件配筋的方法，而是采用逐渐扩大框架柱的构件尺寸，如下图所示。最终外框筒的柱距采用约1.8m左右。

图 23 一号壳牌广场大厦的建筑平面图

由于休斯顿低区地质条件的恶劣，其地基无法承担50层高的混凝土结构的一号壳牌广场大厦。为了满足地基的承载力要求，减轻结构自重，贝壳广场大厦也是世界上第一个全部采用轻质混凝土的高层建筑。在其竣工后的30年里，壳牌广场大厦任然保持着世界上最高的轻质混凝土建筑。

图 24 一号广场大厦

同样采用筒中筒结构体系的还有1971年竣工的二号壳牌广场大厦（Two Shell Plaza），共26层，建筑高103.9m。

图 25 二号广场大厦

二号壳牌广场最大的特点是其底部额大空间并没有采用像其他项目那样的深梁转换，而是利用了穿越多个楼层的拱效应，将竖向荷载传递到落地框架柱上。这避免了底部巨大的转换梁，也更加符合力流的传递路径。

图 26 二号广场大厦的拱效应

同样采用混凝土筒中筒的还有位于罗彻斯特的美国海丰银行（Marine Midland Bank）。

图 27 美国海丰银行的拱效应 图 27 美国海丰银行的拱效应

这些早期设计的框筒-核心筒结构中，外框筒主要为混凝土框筒，开洞率较小，裙梁的跨高比通常在1.5以下，外框筒承担的倾覆力矩基本能达到50%以上。但是由于较小的开洞率，对建筑视觉效果有较大的影响，结构工程师也逐渐认识到，由于设置了内筒，对外框筒的刚度的需求大大降低，外框筒的开洞率限制不再那么苛刻。

图28 纽约世贸中心双子塔（柱距约为1m）

因此，到了二十世纪后期，框筒-核心筒结构中的框筒通常设计的更加通透，外框筒的柱距通常在4.5m以上（早期经典的框筒结构柱距大多在1~3m之间），抗侧刚度也主要由核心筒提供，外框筒作为抗侧的第二道防线，承担次要的剪力和倾覆力矩。

中国国际贸易中心一期

结构体系：筒中筒（钢框筒-钢框筒-环带桁架）

中国国际贸易中心一期，高155m，1989年竣工，地上共38层，平面呈梭形，外筒平面尺寸为45mx45m，内筒平面尺寸为21mx21m，建筑高宽比为3.4，内筒高宽比为7.3，为全钢结构，采用筒中筒结构体系，内外筒均为钢框筒。

图29 中国国际贸易中心一期平面布置图

外筒和内筒的柱距均为3m，柱均采用H型钢，内筒和外筒周边裙梁为H610x201x12x22mm，跨高比约为4.2，形成密柱距的筒中筒结构。为加强内筒的刚度，在内筒角部设置了中心支撑，如上图所示。为加强内外筒的整体作用，减小框筒的剪力滞后效应，分别在20层和28层的设备层沿内外筒设置了高为5.4m的环带桁架。

上海国际贸易中心大厦

结构体系：筒中筒（钢框筒-钢框筒）

上海国际贸易中心大厦，高129.55m，地上共35层，建筑平面基本为矩形，平面尺寸为40.5x50m，四角各收进两个柱距。

图30 上海国际贸易中心平面及剖面

该项目采用全钢结构，内外筒均采用钢结构框筒，外筒尺寸为40.4x50m，内筒尺寸为16x25.6m，内外筒的柱距均为3.2m，柱采用500x500的箱型截面柱，梁采用600高的H型钢梁，裙梁的跨高比约为4.5。由于结构高度不高，因此内外筒均采用钢框筒时，已可以满足结构的刚度需求。

广州中信广场

结构体系：筒中筒（混凝土框筒-混凝土核心筒）

广州中信广场，原名中天广场，建筑高390.2m，结构屋顶高323m，共80层，建成于1996年，采用”混凝土框筒-混凝土核心筒“结构体系，未设置环带桁架和伸臂桁架，建成时为世界上最高的钢筋混凝土结构。

图31 广州中信广场平面及剖面图

建筑平面为正方形，平面尺寸为46.3x46.3m。由于建筑功能需求，1~4层只有4根L型巨柱，5层设置转换层，转换梁尺寸为2500mmx7750mm。5层以上外框筒柱距很大，约为7.5m，但是由于框架梁截面尺寸很大，其跨高比约为5，仍然可以满足框筒空间作用的要求，并且在第25、44、46层框架梁截面加大到1500mmx1650mm，经计算分析，对加强外筒刚度帮助很大。

图32 侧向荷载作用下内外筒的倾覆力矩分布

从上图中可以看出，侧向荷载作用下，外框筒承担了大部分的倾覆力矩，说明外框筒的空间作用较强，发挥了较大的空间作用。但由于柱的间距较大，翼缘框架柱呈现明显的剪力滞后现象。

图33 腹板框架与翼缘框架的轴力分布(侧向荷载) 图33 腹板框架与翼缘框架的轴力分布(侧向荷载)

结构体系：筒中筒（混凝土框筒-混凝土核心筒）

香港中环广场，高309m，顶部桅杆高374m，地上78层，1992年建成，采用”混凝土框筒-混凝土核心筒“结构体系。建成时是世界上最高的钢筋混凝土建筑。香港地区不考虑地震作用，按抗风设计。

图34 香港中环广场平面布置图

在30.5m标高以上平面，柱距4.6m，柱宽1.5m，柱间距为3.1m，梁高1.1m，裙梁跨高比为2.8，形成具有密柱深梁的框筒结构。30.5m标高以下有4层，柱距加大为9.2m，且转换梁下无框架梁，形成25m高的廊柱，不抵抗侧向力。该结构上部是典型的”框筒-核心筒结构“，上部核心筒仅承担10%的水平剪力。而到了下部，水平剪力则全部由核心筒承担。

第4层为转换层，转换梁截面为2800mmx5500mm，转换层楼板厚1000mm。通过转换梁将上部结构的竖向荷载传递给底部的廊柱，通过1000mm厚的楼板将上部的剪力传递给核心筒承担。

中国国际贸易中心三期

结构设计：ARUP

结构体系：筒中筒（框筒-组合支撑筒-伸臂桁架-环带桁架）

中国国际贸易中心三期A塔楼高330m，底层平面尺寸为52.2x52.2m，地上共74层，采用外框筒 组合斜撑核心筒形成筒中筒结构体系，并设置了两道两层高的伸臂桁架来改善外框筒的剪力滞后效应。其中办公区外框筒的柱距为4.2m，酒店区为5.6m，底层大堂柱距为11.2m，通过三道转换桁架实现外框筒柱距的变化，并在顶部设置了一道帽桁架。

图35 外框筒形式比选

在外筒方案选型时，比选了支撑筒（方案a、b、c）和框筒（方案d、e）两种方案。由于框筒方案对视野的遮挡效果最小，外筒最终选择了框筒方案（方案e）。办公区的柱距为4.2m，酒店区的柱距为5.6m。由于塔楼平面沿高度逐渐收分，为减小角部悬挑长度，在二区的办公楼层柱网与一区的办公楼层错开了半个柱距。通过两道两层高的转换桁架实现柱网的变化。通过V型外框柱使得底层大堂的柱距达到了11.2m。转换桁架的设置也进一步改善了外框筒的剪力滞后效应。

图36 核心筒方案的选型

核心筒方案也对混凝土核心筒、钢支撑筒、组合支撑筒体三种方案进行了比选。最终根据建筑、机电需求，并综合考虑经济性，最终选择了由组合柱、钢梁和钢斜撑组成的组合支撑框架筒方案，在满足机电管道需求的前提下，也提供了更多的延性机制。

图37 伸臂桁架布置示意图

华润总部大厦

建筑设计：KPF & CCDI

结构设计：ARUP & CCDI

结构体系：筒中筒（密柱框架-混凝土核心筒）

华润总部大楼建筑高400m，结构高331.5m，其设计的灵感来自于不断生长的春笋。建筑平面圆形，沿高端不断收进，到顶部汇聚为一点。建筑平面最大直径为66m，核心筒尺寸为28.6mx28.6m。结构体系采用“密柱框架-混凝土核心筒”结构。

图38 华融总部大楼结构体系组成及典型平面

其外筒为典型的密柱框筒，沿环向均匀布置56根梯形钢柱，柱距最大约为3.5m，裙梁采用700x450的H型钢梁，跨高比约5左右。但由于建筑造型的需求，外框筒在低区和高区为斜交网格的形式，外框到了顶部，结合塔冠造型汇聚于一点。

图39 外框筒的特点

外框筒的另一个特点是，为了配合建筑达到室内完全无柱的视觉效果，并结合幕墙立面设计效果，钢柱完全偏心到钢梁外侧，如下图所示。

图40 结合幕墙效果的梁柱偏心

图41 梁柱偏心的专项分析图

由于外框筒的柱截面较小（高750mm~480mm），裙梁的跨高比较大（约为5），且梁柱完全偏心，因此外框筒的空间较弱，水平剪力和倾覆力矩都主要由混凝土核心筒来承担。因此，核心筒就变得十分重要。为保证核心筒的延性，在核心筒墙体内设置了型钢。

图42 侧向荷载作用下外框筒承担的剪力与倾覆力矩

从上图中可以看出，外框筒底部承担的倾覆力矩只有15%，甚至远远低于普通的稀柱框架所分担的倾覆力矩比例，而早期设计的筒中筒结构的外筒承担的倾覆力矩可以达到50~70%以上。

因此，从结构受力的角度来说，外框的柱虽然柱距较小，但是远远没有形成空间受力的作用，不能称为密柱框筒，只能称为密柱框架结构。所以，华润总部大楼的结构体系应该称为“密柱框架-混凝土核心筒”结构。

图 43 华润总部大楼

武汉长江中心

建筑设计：KPF & ECADI

结构设计：ARUP & ECADI

结构体系：筒中筒（密柱框架-混凝土核心筒）

武汉长江中心，建筑高380m，结构高370.9m，地上共83层，主要功能为办公。建筑平面尺寸为55x55m，核心筒尺寸为28x29m，结构高宽比为6.7。结构体系为“密柱框架-混凝土核心筒”结构。

图44 武汉长江中心的结构体系组成及典型平面

外筒为密柱框筒，沿建筑外圈均匀布置48根CFT柱（顶部为钢柱），柱距为4.5m。柱为扁长型CFT柱（2050mm~700mm），钢梁高为900mm，跨高比为4.2左右。与华润总部大楼相似，为配合建筑室内无柱的效果，CFT柱结合幕墙立面效果，钢梁对齐CFT柱内侧，如下图所示。

图45 外框筒梁柱与幕墙完全贴合

图46 外框筒钢梁贴齐柱内侧

为加强外筒与内筒之间的协同作用，同时也可缓解外筒的剪力滞后效应，结合设备层沿楼面布置了数道刚接大梁（作用类似伸臂桁架）。如下图所示。

图47 外筒与内筒之间的刚接大梁

虽然在设备层设置了数道刚接大梁，但是与华润总部大楼的特点类似，外筒柱间距较大，裙梁跨高比较大，外框筒的空间作用较弱，因此，在侧向荷载作用下的水平剪力和倾覆力矩还是主要由混凝土核心筒内筒来承担。为保证核心筒的延性，也在墙体内增设了型钢。

图48 侧向荷载作用下内外筒的倾覆力矩分布情况

从上图可以看出，侧向荷载作用下，外框筒底层承担的倾覆力矩分别为32%和27%。外框筒的空间作用不强，因此，该项目结构体系应为“密柱框架-混凝土核心筒”。

图 49 武汉长江中心

南京江北新金融中心

建筑设计：PCPA & ECADI

结构设计：ECADI

结构体系：筒中筒（密柱框架-混凝土核心筒）

南京江北信金融中心，建筑高320m，结构高300m，地上共67层。建筑平面上采用了“天圆地方”的概念，各层平面由底部的方形逐步变为顶部的圆形，且在立面上略有收进；在各层平面形状变化的同时，体型从底到顶整体逆时针扭转了30°,首层扭转角度最大，以上各层递减，51层以上竖直。

图50 建筑平面的方圆变化

图51 建筑平面变化示意图

首层平面尺寸约为54.35x54.35m，柱距约为4.45m；51层平面尺寸约为54.0m（直径），柱距约为3.78m；大屋面处平面尺寸约为50.0m（直径），柱距约为3.65m。核心筒平面为切角矩形，居中放置，首层尺寸为28.4m×28.4m，核心筒的高宽比为10.53。

图52 结构体系组成及典型平面布置

结构体系采用“密柱框架-核心筒”结构体系。为提高外框筒的空间作用，在避难层48层设置了一层高的环带桁架。外框筒由44根圆形CFT柱组成，柱距为3.78~3.65m，边柱直径为700~520mm，角柱直径为1000~900mm。裙梁为700mm高的H型钢梁，跨高比约为4.4。

图53 外框钢梁偏心对齐柱内侧

同样为了实现室内无柱的建筑效果，结合幕墙立面效果，外框钢梁与CFT柱偏心设置，对齐CFT柱内侧。如上图所示。

图54 外框筒的水平剪力与倾覆力矩的分担比例

水平荷载下，底部外框承担的倾覆力矩比例约为28%。由于外框扭转（30度），框架柱截面较小（小于700mm），外框柱间距较大（3.8m），裙梁高跨比较大（4.2），梁柱偏心，密柱外框的空间作用较弱，核心筒作为第一道防线，承担主要的倾覆力矩，密柱外框作为第二道防线。

图55 南京江北新金融中心

相比于框筒，支撑筒主要是利用构件的轴力，可以充分发挥材料的强度，基本可以消除剪力滞后效应，空间作用强。因此，在支撑筒-核心筒结构中，通常支撑筒成为主要的抗侧力结构，承担主要的水平剪力和倾覆力矩。

上海环球金融中心

结构设计：LERA & ECADI & 株式会社构造计画研究所

结构体系：筒中筒(巨型支撑筒体—核心筒—伸臂桁架)

上海环球金融中心，主楼地上 101 层，地下3 层，地面以上高度为 492m，裙房为地上 4 层，高度约为 15.8m。

图56 典型平面布置图

图57 上海环球金融中心的结构体系组成

上部结构同时采用以下三重抗侧力结构体系：1）由巨型柱，巨型斜撑（主要的斜撑）和周边带状桁架构成的巨型支撑筒；2）钢筋混凝土核心筒（79层以上为带混凝土端墙的钢支撑核心筒）；3）连系核心筒和巨型结构柱之间的外伸臂桁架。

图58 结构体系组成

由巨型柱、巨型斜撑以及环带桁架组成的巨型支撑筒空间作用强，具有很大的抗侧刚度，在建筑底部的巨型支撑筒承担了60%以上的倾覆力矩和30~40%左右的水平剪力，而且与框筒相比，避免了剪力滞后效应的不利影响，也减轻了结构自重。

结构体系内外筒抗震防线的分布与传统框架-核心筒结构体系相比发生了明显的变化，巨型支撑筒为主要的抗侧力构件， 成为结构的第一道防线， 内部核心筒成为体系的第二道防线。

虽然在该项目中设置了伸臂桁架，但是由于巨型支撑筒的空间已经发挥的较为充分，因此，与普通的框架-核心筒或框筒-核心筒结构相比，伸臂桁架所起的作用已大大降低，因此伸臂桁架并未贯穿核心筒筒体。

高银117大厦

结构设计：ARUP & ECADI

结构体系：筒中筒（巨型支撑筒—混凝土核心筒）

高银117大厦，建筑高度597m，共117层，塔楼外形随高度变化，楼层平面为正方形，楼层平面随高度逐渐变小。首层平面尺寸为65x65m，渐变至顶层的45x45m。

图59 高银117的结构布置图和典型平面

结构外框采用巨型柱 巨型支撑 水平横梁组成的巨型支撑筒体。巨型支撑筒体承担了主要的抗侧力作用。

图60 高银117的结构体系组成

图61 巨型支撑筒与核心筒的水平剪力及倾覆力矩分配图

由巨型柱、巨型支撑、环带桁架组成的巨型支撑筒体效率高，刚度强。从上图中可以看出，对于一般楼层，巨型支撑筒承担的水平剪力达到了60~70%左右，远远高于核心筒承担的比例。在巨型框架底部节间，由于核心筒结构尺寸大及裙楼构件的刚度贡献，同时受制于建筑要求，巨型斜撑布置形式由交叉撑变换为人字撑，刚度下降，因而外框筒分担剪力降低至 30～40％， 内框筒约占 60～70％。在结构各加强层（转换桁架所处楼层），由于外框筒刚度在该楼层的显著增大，外框筒吸收的地震剪力出现突变，核心筒在该楼层刚度相对较弱，为协调变形、水平力在内外筒间进行传递，巨型柱所受剪力出现反向。

从倾覆力矩内外框各层分担情况看，外框筒分担了各层约 80％的倾覆力矩。从层剪力和倾覆力矩内外筒分担比例分析看， 塔楼所选取的带有巨型支撑的巨型框架结构体系，显著缓解了传统钢－混凝土混合结构高层，混凝土内筒强，型钢外筒弱 ，对结构产生的的不利影响。外筒成为抗侧的第一道防线，核心筒内筒成为第二道防线。在实现多道设防的前提下，明显降低了混凝土核心筒在罕遇地震下刚度退化，内力重分配对型钢外框架的不利作用，显著的提高了结构的整体安全储备。

北京中信大厦

结构设计：ARUP & BIAD

结构体系：筒中筒（巨型框架支撑外框筒—钢板组合剪力墙核心筒）

中国尊大厦是全球第一座在地震 8 度设防区超过 500m 的摩天大楼。塔楼外形以中国传统宗教礼仪中用来盛酒的器具“樽”为意象。

图62 典型平面图

建筑高度528m，地上112层，地下8层。平面为方形，底部尺寸为 78m×78m，中上部平面尺寸为 54m×54m；同时顶部逐渐放大为 69m×69m，最终形成中部略有收分的建筑造型。

图63 结构体系组成示意图

结构体系为巨型框架支撑外框筒 钢板组合剪力墙核心筒组成的双重抗侧力结构体系。外框筒由巨型柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架组成。其侧向荷载主要外框的支撑筒与核心筒承担。

图64 巨型支撑筒承担的剪力分布图

由于外框筒沿全高设置了巨型支撑，外框筒的刚度得到了显著提高。对于一般楼层， 支撑承担的剪力占相应楼层的剪力约 40%～50% 。结构大多数楼层外框筒承担的剪力超过底部剪力的 20%。对于倾覆力矩而言，支撑筒分担了约67%的倾覆力矩。说明巨型支撑的设置，可以使得外框筒的空间作用得到充分发挥。支撑筒发挥了主要的抗侧作用，成为第一道防线，核心筒内筒成为第二道防线。在实现多道设防的前提下， 降低了混凝土核心筒在罕遇地震下刚度退化、内力重分配对型钢外框架的不利作用， 提高了结构的整体安全储备。

图65 北京中信大厦

结构设计：SOM & ECADI

结构体系：筒中筒（巨型支撑框架—混凝土核心筒）

昆明春之眼主塔，建筑高407m，结构高381.8m，地上共81层。平面呈三角形，核心筒为Y型。在平面三个角部各设置两颗异形巨柱，并沿外立面设置巨型支撑，如下图所示。

图66 建筑平面及立面支撑布置示意图

外框是由巨柱、巨型支撑以及圆形CFT柱形成的巨型支撑筒，可以有效的提供抗侧刚度。在每个斜撑单元的上部最边跨布置了屈曲约束支撑来控制支撑在大震下的受力，同时减小支撑筒在大震下的刚度，从而提高其他构件（如连梁、外框梁）的耗能。在角部巨柱之间以及设备层以悬臂桁架的形式设置了粘滞阻尼器，以增加大震作用下的耗能。核心筒是以六角形为中心的Y型，可以提供较大的抗扭刚度。

图67 结构体系组成

图68 设备层设置的伸臂阻尼桁架

从下图中可以看出，外框承担的剪力大部分在40%以上，而承担的倾覆力矩都是在60%以上，局部楼层甚至达到90%。因此，外框筒也是成为主要抗侧力结构，作为抗震的第一道防线，核心筒作为第二道防线。

图69 外框与核心筒的剪力及倾覆力矩分布

结构设计：SOM & CAPOL

结构体系：筒中筒（交叉支撑筒—核心筒）

项目包含两栋塔楼，建筑高度分别为311.4m和211.25m。两栋塔楼的设计原则相同，以T1塔楼为例进行说明。塔楼平面为正方形，平面尺寸为52mx52m，地上共65层，结构高299.4m。

图70 立面支撑布置及典型平面

塔楼外框布置形式与昆明春之眼类似，根据“米歇尔桁架”的优化准则，在建筑立面上优化得到最优的支撑布置形式，到了建筑顶部，对外框刚度需求降低，支撑的布置数量相应减少。核心筒采用混凝土核心筒。

图71 外框支撑与核心筒的剪力分布情况

从上图中可以看出，在结构底部，外框支撑承担70%以上的水平剪力，到了顶部，支撑数量减少，承担比例有所降低。因此，外框支撑作为主要抗侧里结构，承担了主要水平剪力及倾覆力矩，作为抗震的第一道防线。

广州西塔

结构设计：ARUP & 华南理工设计院

结构体系：筒中筒（钢管混凝土柱斜交网格外筒 - 钢筋混凝土内筒）

广州西塔地下4 层 (局部5 层 ),地面以上103 层 ,主塔楼高432m , 采用巨型钢管混凝土柱斜交网格外筒 钢筋混凝土内筒的筒中筒结构 。斜交网格筒侧向刚度 、抗扭刚度大 , 以斜柱轴力抵抗水平荷载引起的结构楼层水平剪力和倾覆力矩 ,充分发挥了高强钢管混凝土柱的优势 , 是超高层建筑的优良结构形式 。西塔外周边共 30 根钢管混凝土斜柱于空间相贯 ,共 16 个节点层 ,节点层间距 27m 。

图72 典型平面布置图

广州西塔斜交网格外筒的组成包括 ：（1）竖向构件以一定角度相交的斜柱 ；（2）水平构件沿外周边布置 、连接网格节点的环梁及沿外周边布置 、支承于斜柱的楼面梁。斜交网格筒体的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点 ，侧向刚度和扭转刚度也远优于框筒 ,但竖向刚度比框筒稍差 。水平力由斜柱的轴向力平衡 , 倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡。

图73 内外筒之间的荷载效应分配

在水平荷载作用下，斜交网格筒承担约33%的水平剪力，承担了约66.7%的倾覆力矩。

北京保利国际广场

结构设计：SOM & BIAD

结构体系：筒中筒（斜交网格筒-混凝土核心筒）

北京保利国际广场主塔楼高161.2m，32层，采用独特的钻石型折叠网格造型。结构体系依据建筑体型，采用交叉网格筒中筒体系，外筒为钢管混凝土斜柱构成的交叉网格结构，无竖直柱子，内筒为钢筋混凝土剪力墙核心筒。交叉网格外筒的组成包括: 1) 斜向构件，以一定角度( 约45°) 倾斜相交的斜柱，斜柱每根跨两层; 2) 水平构件，由外环梁和径向梁构成，外环梁沿外周边每两层设置一圈，连接网格柱节点，径向梁支承于交叉网格节点和核心筒之间。作为一种新颖的框筒体系，交叉网格筒体的受力性能与一般框筒有很大差别，主要体现在以下几点。

（1） 交叉网格的几何构成决定了它抵抗水平力的独特优点，外筒的巨大刚度使其能够承受很大的水平荷载，为减小内筒的刚度提供了可能，从而为建筑内部的布置提供了更大的自由度，可取得更好的 建筑效果和综合效益。

（2） 侧向力主要由斜柱的轴向力平衡，倾覆力矩引起的竖向力也由交于节点的斜柱的轴力平衡，因此柱内的剪力和弯矩比较小。

（3）斜交网格在水平和竖向荷载作用下，表现出明显的空间受力特征，结构的高宽比、斜柱的倾斜 角度、斜柱的截面面积、斜柱与环梁的相对刚度比等等，均对交叉网格筒体的受力性能有较大影响。

（4）交叉网格外筒的抗侧刚度往往超过混凝土核心筒的抗侧刚度，同时延性逊于常规框架体系，体 系的屈服机制明显不同于传统结构，抗震防线的分布也将发生较大变化

图74 斜交网格筒在竖向荷载下的轴力分布

网格构件尺寸不完全是按楼层分布，而是根据构件的内力分布，呈空间变化，在竖向荷载作用下，外网格柱的轴力分布如图所示，自底层的最大轴力27500kN，逐渐过渡到顶部的500kN。

图75 北京保利国际广场

斜交网格筒的空间作用较强，刚度较大， 承担了大部分的侧向荷载。从图中可以看出，斜交网格筒承担的剪力最高可达到70%，承担的倾覆力矩也分别达到了59%和39%。结构体系内外筒抗震防线的分布与传统框架-核心筒结构体系相比发生了明显的变化，外筒是主要的抗侧力构件， 成为结构的第一道防线， 内部核心筒成为体系的第二道防线。

图76 内外筒之间的剪力和倾覆力矩分布

深圳农村商业银行

4 小结

束筒是由多个筒体（框筒或支撑筒）组合而成，通过内腹板框架的约束作用，使竖向构件的应力分布更加均匀，降低了筒体的剪力滞后效应，结构的抗侧效率得到提高，适用于高度更高的超高层建筑。

在筒中筒结构体系中，内筒大多采用混凝土核心筒（部分采用框筒、钢结构支撑筒），外筒可采用框筒、支撑筒以及斜交网格筒。由于框筒的剪力滞后效应，通常情况下，框筒-核心筒结构中，内部核心筒是主要的抗侧力结构，作为第一道防线，承担了大部分的水平剪力和倾覆力矩。而在支撑筒-核心筒以及斜交网格筒-核心筒中，由于支撑筒与斜交网格筒基本消除了剪力滞后效应，抗侧刚度大，因此，通常情况下，外筒（支撑筒或斜交网格筒）成为主要的抗侧力结构，作为抗震的第一道防线，承担大部分的水平剪力和倾覆力矩，也降低了混凝土核心筒在罕遇地震下刚度退化、内力重分配对外框的不利作用， 提高了结构的整体安全储备。

参考资料：

[1] https://www.ctbuh.org/.

[2] 周建龙. 超高层建筑结构设计与实践[M]. 同济大学出版社.

[3] B.S.Taranath,Structural Analysis and Design of Tall Buildings: Steel and Composite Construction, CRC Press, Taylor & Francis Group, 2012.

[4] Feng Fu, Design and Analysis of Tall and Complex Structures, Butterworth-Heinemann, 2018.

[5] Yasmin Sabina Khan. Engineering Architecture: The Vision Of Fazlur R. Khan [M]. W.W.Norton & Company 2004.

[6] 高立人, 方鄂华, 钱稼茹. 高层建筑结构概念设计[M]. 中国计划出版社.

[7] 陈富生,邱国桦,范重. 高层建筑钢结构设计[M]. 中国建筑工业出版社.

[8] 杨蔚彪,齐五辉,常为华,宫贞超.基于中国尊大厦项目的高烈度区巨型超高层结构设计关键技术研究[J].建筑结构,2019,49(18):39-48.

[9] 甄伟,盛平,王轶,高昂,赵明.北京保利国际广场主塔楼结构设计[J].建筑结构,2013,43(17):75-80 67.

[10]方小丹,韦宏,江毅,陈福熙,曾宪武,赖洪涛.广州西塔结构抗震设计[J].建筑结构学报,2010,31(01):47-55.

[11]刘鹏,何伟明,郭家耀,郭伟邦,徐卫国,汪洋.中国国际贸易中心三期A主塔楼结构设计[J].建筑结构学报,2009,30(S1):8-13.

[12]丁洁民.广州中天广场80层办公楼的结构计算与分析[J].建筑结构,1994(12):3-10.

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