台北国际金融大厦的高楼钢结构与实例工程

1.工程概况

（1）台北市国际金融中心大厦，地面以上101层，高428m，后变更为448m，塔尖高度为508m；大厦底层平面尺寸为63.5m×63.5m。大厦的房屋高宽比值达到6.8，已超过美国纽约世界贸易大厦的6.5。

（2）大厦的立面，采取底段为斜面、上段为8层塔台相组合的节节高升的体形（图5-211），使塔楼的安全、防灾及视野等功能得以充分实现。

（3）台湾地处环太平洋地震带，台北市位于地震二区；台湾又位于台风区，台北市的基本风速V_10，c＝42.5m/s。塔楼除应进行抗风设计外，还要求抗震设计，与纽约、芝加哥高楼仅需抗风存在着较大差别。

（4）塔楼在设计过程中，进行了多种结构方案比较，下面着重阐明钢结构筒中筒体系与支撑芯筒-翼柱体系两者的应用效果。

2.结构设计原则

（1）平面对称性——为避免塔楼在水平荷载作用下发生扭转振动，使各抗侧力构件的侧向位移相等、受力均匀，充分发挥结构体系的抗侧力效能，从而获得最大的水平承载力，抗侧力构件在结构平面上的布置，应实现双轴对称。

图5-211 台北市国际金融中心大厦外观

（2）竖向匀变性——塔楼结构各楼层的刚度和强度自下而上应做到均匀变化，实现地震时结构各楼层自身变形产生的层间侧移大致相等，整个结构所吸收和耗散的地震能量最多，震害最轻。应该避免结构因某一或某几个楼层的层间刚度或水平承载力较小，造成相对柔弱层而发生塑性变形集中，震害加重，危及整个结构的安全。

（3）强柱弱梁——框架柱承担着本层以上各楼层的重力荷载、地震剪力及塑性变形P-Δ效应，发生剪压破坏后，受压承载力大幅度下降，将危及上部结构的安全。框架梁虽也承担本层以上各楼层地震力引起的剪力和弯矩。但承担的重力荷载仅限于本楼层，梁端弯曲破坏后，仅影响本层楼盖的安全使用。为此，本大厦抗侧力刚接构架的设计，应能实现“强柱弱梁”耐震设计准则。

（4）使用舒适性——大厦为特高楼房，高宽比值大，水平荷载下的侧移曲线属弯曲型，顶部侧移较大。为防止强风作用下结构上段的顺风向或横风向加速度超过容许限值、使用者产生风振不适感，本大厦抗侧力结构体系的竖构件，应安排在建筑平面的外圈，确保结构具有足够的抗推刚度。

3.钢结构筒中筒体系（方案一）

（1）整个结构体系由内、外钢结构框筒所组成，内、外框筒的柱距均为3m。

（2）为了加大结构的抗推刚度及抗剪、抗倾覆能力：①利用楼面核心服务性竖筒的可封闭性，沿内框筒的内、外墙轴线，各增设两列竖向钢支撑；②在顶层以及每隔16个楼层，沿内框筒纵、横向轴线，各设置4棍一层或两层楼高的伸臂桁架，与外框筒相连；③在设置伸臂钢桁架的楼层，沿外框筒周边设置外圈钢桁架，形成环梁。图5-212和图5-213分别为筒中筒结构体系的平面和剖面。

图5-212 钢结构筒中筒体系典型层结构平面

a）大厦底层 b）大厦的上段（27层以上）

图5-213 钢结构筒中筒体系竖剖面

a）轴线①、⑧ b）轴线③、⑥ c）轴线④、⑤

（3）外框筒钢柱采用H型钢（800mm×400mm）和拼焊方钢管（1300mm×1300mm～600mm×600mm）两种杆件。为了提高方钢管柱的承载力，在管内灌柱混凝土。内框筒钢柱采用1200mm×1200mm～600mm×600mm拼焊方钢管，内灌混凝土。

（4）内、外框筒钢梁及伸臂桁架各杆件，均采用900mm×400mmH型钢。各层楼盖均采用以压型钢板为底模的现浇混凝土组合楼板。

4.支撑芯筒-翼柱体系（方案二）

（1）整个结构体系由支撑芯筒、16根巨型翼柱与每隔8层楼一道伸臂桁架所组成。典型楼层的结构平面和剖面见图5-214和图5-215。

图5-214 支撑芯筒-翼柱体系典型层结构平面

a）大厦底层 b）大厦的上段（27层以上）

图5-215 芯筒-翼柱体系的结构剖面(www.xing528.com)

a）轴线①、⑧ b）轴线③、⑥ c）轴线④、⑤

（2）支撑芯筒的平面尺寸为22.5m×22.5m。芯筒的4根角柱为内灌混凝土的方形拼焊钢管；8根边柱和4根内柱为外包混凝土的T形截面型钢混凝土柱。于芯筒的每一边，沿x方向各设置三列竖向支撑，沿y方向各设置两列竖向支撑，支撑斜杆采取H型钢。第17层以下，芯筒各柱之间设置800mm厚的钢筋混凝土抗剪墙。

（3）建筑平面四边中段处设置的16根巨型翼柱，采用截面尺寸为5.6m×1.8m～2.7m×0.9m的矩形型钢混凝土柱，在其混凝土截面的两端各埋置一根H型钢暗柱。

（4）各层楼盖的边梁、芯筒各柱之间连梁以及芯筒与翼柱之间连梁，均采用截面尺寸为900mm×400mm的H型钢梁。

（5）各道伸臂桁架的上、下弦杆及斜腹杆均采用H型钢。

（6）各层楼盖均采用以压型钢板为底模的现浇混凝土组合楼板。

5.结构动力特性

（1）两种结构体系的基本自振周期，以及风荷载、地震作用下的结构底面剪力，列于表5-68。

表5-68 两种结构方案的自振周期和基底剪力

（2）风荷载或地震作用下两种结构体系的侧移值，列于表5-69。

表5-69 风或地震作用下两种结构体系的侧移

（3）重现期为475年的地震作用下，两种结构体系的侧移曲线和层间侧移角曲线见图5-216和图5-217。图中的曲线形状显示，两种结构体系的侧移曲线均接近于弯曲型。

图5-216 筒中筒体系的地震位移反应

a）侧移曲线 b）层间侧移角曲线

图5-217 芯筒-翼柱体系的地震位移反应

a）侧移曲线 b）层间侧移角曲线

6.结构方案比较

（1）筒中筒体系的优缺点是：①构件内力分布均匀；②结构整体抗扭刚度大；③杆件及节点设计较难实现“强柱弱梁”耐震设计准则；④梁、柱接头数量多，工地焊接量大，品质不易控制。

（2）芯筒-翼柱体系的优缺点是：①抗推刚度很大，但抗扭刚度较弱；②整座大厦的重力荷载及倾覆力矩引起的附加轴力，集中作用于16根巨型翼柱和芯筒，给基础设计带来一定困难。

（3）权衡利弊，最后选定芯筒-翼柱体系，作为大厦的实施结构方案，并作以下改进：①通过建筑模型风洞试验，确定大厦的风荷载取值；②因楼房高宽比达到6.8，结构体系的侧移曲线又接近于弯曲型，为控制大厦顶部的风振加速度，不致引起楼房使用者的不适感，有必要在结构上增设阻尼装置或减振装置；③巨型翼柱由型钢混凝土结构改变为钢管混凝土结构。

（4）调查、分析表明，高楼在强风作用下发生顺风向和横风向振动时，若伴有哪怕是轻微的扭转振动，都会显著加重楼房使用者的风振不适感。经抗风计算，若需要增强大厦的结构整体抗扭刚度时，可以结合建筑立面设计，加大每一立面4根巨型翼柱之间的楼盖钢梁，以形成较强的空腹桁架；或在4根巨柱之间增设X型或人字形钢斜杆，以形成具有足够抗推刚度的竖向支撑。

（5）台北市的101层国际金融中心大厦已于2008年建成，原设计方案采用芯筒-翼柱体系（图5-214、图5-215）。后经再三研究，施工图设计时决定改用钢管混凝土巨型框架结构体系。

1）巨型框架的边柱，采用在矩形钢管内填灌高强度、高性能混凝土。柱的截面尺寸为2400mm×3000mm，钢管的最大壁厚为80mm；混凝土的抗压强度为1000psi，坍落度为280mm。

2）为提高矩形钢管管壁的受压稳定性，并强化钢管对内部混凝土的约束作用，采取了以下三项措施：①在钢管壁的内面加焊纵向加劲肋（图1-12f）；②增设水平拉杆（图1-12g），以减小钢管壁的无支承宽度；③在管内的混凝土中增设钢筋骨架。