台中市乡林摩天大楼-高楼钢结构体系与工程实例

1.建筑概况

乡林摩天大楼位于台湾台中市。主楼地下6层。地下室全深为27m。地面以上60层，高225m，建筑总面积为8.8×10⁴m²。房屋的高宽比为6.5。

大楼采取逐段收进的叠砌式体形，第1～7层，建筑平面为正方形外加4片圆弧翼所形成的电扇形平面（图5-121a）；并分别于第8层、第14层、第21层和第29层，依次减去一个圆弧翼，于第29层，变成正方形平面；第32～59层则变成1/4圆平面。

2.结构体系

大楼主体结构分上、下两段：下段（第1～33层）采用混凝土芯筒-钢框架混合结构体系；上段（第34～60层）采用全钢结构。大楼的结构剖面如图5-121b所示。

大楼下段利用楼面核心服务性面积设置钢筋混凝土芯筒，其平面外轮廓尺寸为19.5m×19.5m，楼面外圈采用抗弯钢框架。大楼上段全部为抗弯钢框架。

大楼下段采用混凝土芯筒的原因有二：①利用混凝土芯筒的强大抗推刚度，来控制高楼在风和地震作用下的侧移；②采用滑模先行快速筑成混凝土芯筒，作为大楼结构施工的竖向运输通道，并作为安装外围钢结构的施工临时支撑。

大楼上、下段主体结构的构件截面尺寸列于表5-38。

3.抗风计算

（1）设计风力，分别依照台湾《建筑技术规范》及风洞试验结果确定。

（2）风洞试验由加拿大RWDI顾问公司进行。其试验数据采用2%结构阻尼比和50年重现期的风速，以检验结构风振加速度是否引起大楼使用者的风振不适感。

（3）风荷载作用下，结构的层间侧移角最大值为1.8‰，小于规范的限值2.5‰。

图5-121 台中市乡林摩天大楼

a）结构平面 b）结构剖面

表5-38 台中市乡林摩天大楼结构构件截面尺寸 （单位：mm）

（4）风洞试验结果给出：不同重现期的最大风力作用下，大楼第55层的风振加速度峰值，列于表5-39，可以看出，各个数值均小于ISO《荷载规范》所规定的限值。

（5）风荷载作用下，大楼结构底部的水平剪力为15200kN。(www.xing528.com)

表5-39 乡林摩天大楼第55层的风振加速度峰值

4.地震反应分析

（1）结构分析采用下列计算模型：①以墙元素模拟混凝土芯筒；②以梁、柱元素组成的三维立体构架模拟刚接钢框架；③各层楼盖均假定为刚性横隔板。

（2）计算构件地震内力时，考虑5%结构宽度的意外偏心距，并考虑最大侧移时重力荷载的P-Δ效应（重力二阶效应）。

（3）大楼前4个自振周期依次为大楼的x向振动、y向振动、45°斜向和扭转振动。大楼的前9个自振周期数值见表5-40。

表5-40 台中市乡林摩天大楼前9阶振型的周期值 （单位：s）

（4）采用反应谱振型分析法对结构进行地震反应分析，其结果是：①结构底部剪力为37900kN；②层间侧移角，底层～32层为0.006%～0.17%；第33～第59层为0.2%～0.287%。

（5）对结构还进行了大震时的非线性分析，其目的是：①了解结构各杆件产生塑性铰的先后次序；②了解结构整体延性的量值与需求；③防止发生结构突发性倒塌。

（6）关于结构非线性分析，曾考虑以下4种方法：①极限层剪力分析法（Ultimate story shear strength method）；②侧力渐推分析法，或称静力弹塑性分析法（Nonlinear static push o-ver analysis）；③非线性时程分析法（Nonlinear time history seismic analysis）；④非线性地震反应谱分析法（Nonlinear response spectrum analysis）。最后决定，采用第一种方法进行结构的非线性地震反应分析。

（7）乡林摩天大楼采用“极限层剪力分析法”对结构进行非线性地震反应分析的步骤是：

1）对结构进行弹性反应分析及构件截面设计。

2）对各构件及其连接进行延性设计：①避免梁、柱的脆性剪切破坏；②确保抗弯钢框架符合“强柱弱梁”设计准则；③要求剪力墙的受弯破坏先于其受剪破坏；④各类杆件连接符合延性设计要求。

3）按照承载力设计法（Capacity design）确定各竖构件的受剪承载力：①柱的受剪承载力，选取对应于柱上、下梁端形成塑性铰时的柱剪力；②墙的受剪承载力，选取对应于墙体产生弯曲破坏时的剪力。

4）计算各楼层的极限受剪承载力。

5）计算各楼层极限受剪承载力与设计层剪力的比值，就其分布情况，检查大楼结构是否存在薄弱层，及其稳定消能的容量（能力）。