大型项目中间的工程力学解决方案

近年来国内外大量大型复杂、“超限”的建筑结构相继建立，这些工程大多属于不规则结构，甚至是特别不规则结构，在对这类结构进行设计时往往会遇到超过规程适用范围或者规程中未规定的问题。这些问题并不能套用现行标准，缺少明确目标、依据和手段。

在这样的背景下，奥雅纳工程咨询公司(ARUP)在国内诸多大型项目中，如中央电视台新台址主楼(CCTV)、国家体育馆、北京新机场、广州新电视塔、中国尊大楼等，针对传统设计手段无法解决的问题，综合国际广泛应用的设计指导文件和国内规范，提出一系列基于工程力学的解决方案。

本文将对这些代表性项目案例的工程力学解决方案进行整理介绍，也是对以往有价值工程经验的总结。

1 大型项目中间的工程力学解决方案

以下将结合多个项目案例，对项目中遇到的一些超出规范范围或没有没明确指出解决方法的问题及其工程力学解决方案进行介绍。

1.1 中央电视台新台址主楼(CCTV)(2003)

中央电视台(CCTV)主楼的最高点为234 m，建筑面积约40万m2，当中包括地下室及裙楼。主楼包括两座斜塔，连接两座斜塔顶部的 14层高的悬臂结构，以及9层裙楼与三层地下室。

由水平梁、SRC柱及斜支撑组成的三角表面形成斜塔、悬臂与裙楼的钢结构外筒体，该结构系统是主要的抗侧力体系，保证塔楼的整体稳定性。其中部份钢结构外筒体表面延续至筒体内部，以加强大楼角部及保持钢结构外筒体作用的连续性。外筒体结构伸至塔楼悬臂(转换桁架)及裙楼部份将承担悬臂和裙楼的重力，形成竖向传力路径。见图1。

该结构属于特别不规则结构，在当时虽然高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2002)中已就某些复杂高层建筑混凝土结构采用常规抗震设计方法提出了设计规定，但该工程中遇到的问题已超过规程适用范围，此外对于高层钢结构和混和结构的复杂结构体系也未有相应的设计规定。工程的抗震设计不能直接套用现行标准，缺少明确具体的目标、依据和手段。

在这样的背景下，该项目在国内首次引入了性能化抗震设计方法，进行性能化抗震设计。

由于当时国内规范还未对性能化抗震设计提出明确的抗震性能标准，因此本项目参考了美国联邦紧急事务管理署(FEMA Federal Emergency Management)发表的FEMA-350 (2002)，结合了国内抗震设计规范要求，提出性能目标(表1)。

结构的非线性分析采用 LS-DYNA，进行了弹塑性推覆分析、弹塑性动力时程分析，并以弹塑性动力时程分析为主。分析中的关键问题是确定SRC(钢-混凝土组合)柱的恢复力模型和变形限制值、支撑的恢复力模型。

该项目最主要的工程价值在于：首次在国内工程项目中采用了性能化抗震设计，推进了基于性能化的抗震设计在国内工程中的应用。

1.2 国家体育场“鸟巢”(2004)

在国家体育场大跨度屋盖中，构件外形尺寸受建筑造型限制，导致钢结构存在大量的薄壁箱形构件。其主结构与次结构均采用焊接箱形截面，主桁架上弦杆、屋面次结构截面尺寸主要为 1000 mm×1000 mm，下弦杆截面主要为 800 mm×1000 mm，腹杆截面为600 mm×600 mm，立面结构杆件截面尺寸为1200 mm×1200 mm，见图2所示。

对于薄壁构件存在局部失稳的风险，如何对薄壁构件的失稳强度进行计算便成为了设计过程中的关键问题之一。当时，在我国现行规范中并未有详细解释说明，因此在该项目中，对于薄壁构件的失稳强度计算参考了一系列国际规范，包括：英国钢结构设计规范 BS 5950―2000，欧洲规范 3(Eurocode 3)，美国规范 AISC LRFD―2001，澳大利亚规范 AS4100―1998。杆局部屈曲强度由下式计算：

式中：f为稳定系数； eff A 为有效截面面积；其中，稳定系数f由降低了的杆件长细比确定，截面回转半径按全部毛截面计算。

1.3 北京国际机场T3航站楼(2004)

北京国际机场 T3航站楼其屋盖为整体的钢结构空间桁架，下部为钢、混凝土框架柱梁结构体系，相距最远的两柱距离为756 m。

一般情况下，在对结构进行地震反应分析时，建筑抗震设计规范GB 50011—2010中的地震输入方法是一致激励法。但对于机场这种大尺度的空间结构，由于受行波效应(地震波到达不同支座时发生的时间延迟)、复杂的震源发震机理、地震波在不均匀土壤中不规则反射折射等原因导致的支座激励间的部分相干效应波形发生变化)、以及因场地土性质不同造成的局部效应的影响，不同支承处的地震波振幅和频率会发生不同。参照欧洲规范 8：Eurocode 8: Structures in seismic regions-design part 2: Bridges，当跨度超过200 m且存在地质不连续或明显的不同地貌时，或当跨度超过600 m时无论地质情况如何，均应该考虑地震动的空间变化对结构的影响(多点激励)。而该项目中的跨度较欧洲规范8多了26%，因此在对该项目进行地震分析时，地震波的输入采用了多点激励。多点激励验算选择地震波时，应选取与规范目标反应谱相对应的时程波(该时程波傅里叶变化后的反应谱曲线与目标反应谱曲线吻合)。多点激励分析中，认为柱连接的混凝土基础的波速为无穷大。

同时，由于机场的地质条件基本相同，不存在地质不连续或明显的不同地貌，因此局部场地效应的影响可以不必考虑。另外，根据文献[2―5]，相对于行波效应，相干效应的影响较小。因此即使不考虑相干效应，所造成的误差也很小，这种误差在工程中是可以接受的。

综上所述，在该项目的地震反应分析中采用多点激励的时程分析，并考虑了行波效应。而由于候机楼结构复杂，地震下可能产生较大整体扭转，因此在考虑多点激励的同时尚需考虑双向地震作用。

1.3.1 地震波的输入

对该项目按结构特性，整体可分为七块(图3)，每块的地震波输入相同，不同区块间地震波波型相同，但地震波时程曲线考虑时间的延迟。分析了地震波沿 6 个不同方向(0°，30°，60°，90°，120°，150°)传播时结构的响应。

根据该地区的地址条件，土层离地表深度为200 m~500 m(图4中H1)，假设地震为浅表地震，则震源深度一般为5 km~20 km(图4中H1+H2)，结构尺度为600 m才考虑多点激励(图4中CD)。一般认为地震在地面引起的破坏主要是剪切波的水平运动，因此时间延迟由剪切波来计算。

时程分析采用大型通用非线性动力分析有限元软件LS-DYNA进行计算，其中计算方法采用时域内逐步积分的方法，算法为有条件收敛的中心差分法(显式积分)，当时间步长

时，满足数值稳定性，式中maxϖ是有限元集合体的最高频率。反应谱分析采用GSA软件。

为了得出反应谱分析与多点激励的关系，比较了二者的杆件底部剪力和弯矩(由于仅分析了水平地震作用，分析结果显示钢柱的轴力不大，因此不作轴力的比较)。图5水平线为反应谱结果，时程曲线为多点激励结果；图6中虚线为反应谱结果，实线为多点激励结果。由于行波效应，柱的变形不一致，造成柱的剪力方向不一致，因此其合力-底部剪力小于反应谱的结果。

可以看出，反应谱分析结果基本能覆盖多点激励分析得出的杆件内力的最大值，这说明反应谱分析基本能够反映结构在地震下的响应，但图中也表明反应谱分析结果不能完全包络多点激励结果，因此需进一步寻求其他方法。在多遇地震作用下，结构杆件设计的控制载荷不一定都包括在地震力的组合中，也就是说即使采用大于反应谱分析的多点激励得出的杆件内力，杆件的内力校核可能仍然满足按设计强度确定的杆件的承载力，因此拟采取的方法是：校核多点激励与其他载荷组合时(恒+活+风+地震；恒+活+温度+地震)的杆件承载力，若有些杆件不能满足，则重新设计这些杆件。

为了获取杆件最不利内力，分别由所有荷载组合中摘取 N、M yy及 M zz的包络值来进行构件的设计。在 GSA模型中，钢柱杆件的特定内力的包络值及其对应的其他内力值可以直接从选定的组合工况中得出，在LS-DYNA模型中，可以得出多点激励地震力的包络值。

根据分析可得出以下结论：

1) 在进行多点激励时程分析时，可仅考虑行波效应；

2) 考虑行波效应的等效波速为800 m/s；

3) 采用反应谱分析结果不能完全覆盖多点激励分析结果；但采用反应谱分析及与其他工况组合所确定的构件尺寸，能够满足多点分析结果。

1.4 广州新电视塔(2005)

广州新电视塔高 610 m，由一座高达 453.9 m的主塔体和一个高156.1 m的天线桅杆构成。钢结构外筒是结构主要的抗侧力构件，包括三种类型的构件：立柱、环和斜撑，如图7所示。

钢结构外筒塔底、塔腰、塔顶的尺寸关系为：60×80∶20.65×27.5∶40.5×54＝8.5∶1∶3.9。在第3~第4功能层之间的钢结构外筒和核心筒，除在标高194.00 m、240.80 m和287.60 m处设置了水平连接外，其他范围内无连接。

因此如此纤细、复杂的结构体系是否会因失稳而不能成立是结构设计中必须解决的关键问题。要解决上述问题，设计中面临以下三个关键点：

1) 广州新电视塔类似于柱壳结构。按弹性稳定理论，薄壁柱壳是缺陷敏感的，而对于缺陷敏感的结构来说，整体稳定分析是结构安全的重要保证，但该种形式的结构没有相应的设计规范可遵循。

2) 按规范的设计方法，稳定问题必然涉及到计算长度。新电视塔结构在细腰部位，柱面外仅有三层水平支撑(水平支撑间距约为50 m)。若按水平支撑间的长度作为柱的计算长度(按简支约束条件)，忽略水平支撑间的环梁、斜撑的约束作用来计算钢管混凝土柱的承载力是非常不经济的；按该方法势必带来较大的截面尺寸，不能体现纤腰、通透感，破坏了建筑理念；同时也丧失了结构工程师的“设计”作用，因此必须考虑其他构件的约束作用。但计算长度的概念有时并不能准确、有效地反映结构与构件之间稳定承载力的相互关系。例如《钢结构设计规范》(GB 50017―2003)对结构失稳的计算模式是假定“结构同一层柱同时按相同的模式对称或反对称失稳”，即结构的整体失稳采用在构件稳定承载力设计中考虑计算长度的方法来近似保证，而实际情况却是结构中个别或少数杆件首先达到弹塑性失稳；更为重要的是不同结构的杆件计算长度有时是难以准确计算的。如果没有考虑结构侧移或者不从结构整体来考察构件的计算长度，有时会带来不安全的结果；即使整体考虑，大震时可能有些杆件已经进入塑性，其他杆件对其约束是随时间变化的，此时很难得出准确的计算长度值。而细腰部分又是判断结构是否安全的关键部位，因此传统的基于计算长度的稳定设计方法对于该工程是不完善的。

3) 同时在风、地震及重力荷载作用下，该结构会引起不可忽略的附加内力和附加位移，结构表现出明显的几何非线性，计算时需考虑二阶效应。

综上所述，广州新电视塔的稳定设计须寻求新的设计理念和设计方法。1.4.1 非线性分析方法

欧拉稳定理论是建立在完善结构(即无材料缺陷、几何缺陷)，仅考虑失稳前、失稳后两种状态基础上的。但实际结构都是不完善的。

图 8是两端铰支的轴心受压构件的荷载-挠度曲线。图中P E为欧拉荷载，其挠度曲线从分岔点出发为一水平线 a；对于有初始几何缺陷的轴心受压构件，但不计残余应力影响，有弹性荷载-挠度曲线b，其渐近线即为上述水平线 a；实际上从A′点开始构件的截面边缘开始屈服，此时的荷载为 e P′，它有弹塑性荷载-挠度曲线c；实际的轴心受压构件即存在残余应力又有初始几何缺陷，其荷载-挠度曲线为 d。很显然 c曲线过程是一材料、几何非线性过程。

从非线性角度，强度、稳定性始终是相互联系的。结构的荷载-位移全过程曲线可以把结构的强度、稳定性以至于刚度的整个变化过程表示得非常清晰，稳定问题实质上是考虑初始缺陷、载荷分布等因素下材料、几何非线性的荷载-位移全过程安全评估问题。

由于规范制定时期及之前，大型、复杂结构的非线性有限元计算方法、计算机硬件的局限性，非线性分析方法不能充分利用，可以看出在现有阶段非线性有限元计算方法比较成熟、计算机发展迅速，非线性分析方法可以替换传统的稳定设计方法。因此本项目采用荷载-位移全过程非线性分析方法来评估结构的安全。

非线性分析方法中将考虑：

1) 结构变形的影响，包括效应和构件轴力对其刚度的降低效应(几何非线性)；

2) 结构缺陷的影响，包括结构整体、构件初始缺陷(含残余应力)。

结构的整体初始缺陷是由施工误差产生，进行全过程分析时应考虑初始曲面形状的安装偏差的影响。以结构的最低阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态，初始缺陷最大值由规范中的施工允许误差确定。结构中同时存在钢构件和钢管混凝土构件，由于钢管混凝土由两种材料构成，其材料属性不像钢构件那么均匀，因此这两种构件的初始缺陷需分别分析。

图9~图 11是通过理论推导[8]得出材料不同、尺寸不同的钢及钢管混凝土构件初始缺陷与长细比的关系曲线。

非线性分析软件采用 NIDA，其非线性方程求解在 New ton-Raphson增量迭代法的基础上，结合最小参与位移法和弧长法改进迭代策略。

1.4.2 结构非线性分析结果

杆件初始缺陷敏感性分析分别对结构施加不同的杆件初始缺陷，列出其中最不利工况下计算得到的比较结果如表2。

从表2可以看出杆件初始缺陷的改变对结构的变形基本不敏感，因此可以得出杆件初始缺陷不影响结构的稳定性。

1.4.3 整体初始缺陷敏感性分析

分别对结构施加不同的整体初始缺陷，其中整体初始缺陷最大扰动值分别为0.4 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m，同样绘出其中最不利工况下的结果如图12。

从图 12可以看出整体初始缺陷的改变对结构的位移变化影响不大，因此可得出结构对整体初始缺陷不敏感。

通过上面敏感性分析得到，广州新电视塔对初始缺陷不敏感。这有别于一般薄柱壳，其原因是，广州新电视塔柱、环梁和斜撑组成的钢结构外筒具有足够的面外抗弯刚度。

1.5 深圳京基金融中心(2007)

深圳京基金融中心外形曲线变化，各层轮廓尺寸略有不同。楼层平面是从矩形两边向上弧形弯曲收细而成，大楼首层平面尺寸约57 m×46 m，然后逐渐放大至38层平面尺寸约57 m×49 m。在38层以上楼面逐渐收进至约57 m×30 m；中央核心筒为矩形，平面尺寸约37.6 m×23.1 m，见图13所示。

考虑到项目本身的复杂性和重要性，为达到在罕遇地震作用下防止倒塌的抗震设计目标，该项目也采用以抗震性能为基准的设计思想和以位移为基准的抗震设计方法。分析采用大型通用非线性动力分析有限元软件LS-DYNA进行计算。

但与以往地震反应有限元非线性分析所不同的是，本项目对剪力墙的模拟，不仅采用了杆单元简化模拟，并且在后续分析中还补充了壳单元模拟剪力墙。两种模拟方法详见图14~图15。

相对于杆单元模拟，壳单元模拟更加完善。对于壳单元模拟剪力墙由两种单元组成：RC壳单元和RC柱单元，分别用于模拟剪力墙的墙板和边缘构件，如图15所示。RC壳单元考虑了分布在其中的钢筋，能够模拟混凝土受拉开裂、压溃和钢筋的屈服、硬化和破坏。该方法在之后的项目中得到了普遍的应用。

1.6 沈阳恒隆市府广场项目第一期A区(2008)

沈阳恒隆市府广场项目第一期 A区由一栋办公楼和一座大型商场组成。办公塔楼的总建筑高度为 350.6 m，屋顶楼面高度为 305 m，上部是高45.6 m的空间钢结构建筑屋顶装饰。塔楼地面以上65层，地面以下4层。塔楼底部平面长70 m，宽48 m，长边呈弧线形，短边在一侧(南面)沿高度方向渐变收进，立面与垂直线的夹角为3.82°。到顶部时，长边收至与短边接近(见图 16~图 17)，平面长约50 m，宽48 m。办公塔楼采用了框架-核心筒的结构体系。由于塔楼短方向侧向刚度偏弱，沿塔楼高度均匀布置了3层加强层，每个加强层均利用了连续两层的机电/避难层空间。每个加强层布置了沿短方向的伸臂桁架和外围环绕的腰桁架。本项目为复杂超高层建筑，采用性能化抗震设计方法。

本项目在罕遇地震下的动力弹塑性时程分析采用大型通用非线性动力分析有限元软件LS-DYNA。在分析过程中，阻尼比的输入是结构地震反应分析中的重要因素，无论反应谱分析、动力时程分析，以及拟静力推覆分析，其取值都影响分析结果。阻尼矩阵[C]在数值计算中的处理非常复杂，不仅影响计算精度，也影响计算效率。阻尼比在分析中可分为两大类：

1) 振型阻尼比法。振型阻尼比是指针对于各阶振型所定义的阻尼比。

组合结构中，不同材料的能量耗散机理不同，因此相应构件的阻尼比也不相同。对于每一阶振型，不同构件单元对于振型阻尼比的贡献认为与单元变形能有关，变形能大的单元对该振型阻尼比的贡献较大，反之则较小。所以，可根据该阶振型下的单元变形能，采用加权平均的方法计算出振型阻尼比iζ：

式中：iζ为结构第i阶振型的阻尼比；sζ振为第s个单元阻尼比，对钢构件取0.02；对混凝土构件取0.05；n为结构的单元总数；Ws为第s个单元对应于第i阶振型的单元变形能。

2) 统一阻尼比法

采用方法一的公式，但并不针对各振型i分别计算单元变形能 Wsi，而是取各单元在重力荷载代表值作用下的变形能Ws，这样便求得对应于整体结构的一个阻尼比。建筑结构相关规范给出了常见结构类型的阻尼比，例如混凝土结构为0.05，刚结构为0.02。一般认为这些阻尼比对应结构的低阶振型。

本项目在分析过程中选择振型阻尼比法，根据模态分析结果及方法1所提及公式，编写处理程序，从而自动生成振型阻尼矩阵文件输入至分析模型中。

与统一阻尼比法相比，该方法考虑了不同构件，不同材料的耗能情况，能够更加准确的描述结构在地震作用下的表现。另外，如上文所述，结构统一阻尼比往往只能代表结构低阶振型所对应的阻尼比，对于结构高阶频率下的阻尼值，该值往往不准确。

1.7 华润深圳湾总部大楼(2014)

随着业主对超高层建筑设计品质追求的提高，越来越多项目中对风振舒适度的要求变得更为严苛。不仅仅满足于对规范的要求。业主希望能够在塔楼落成后的使用过程中，给予使用者更好的体验。于是，如何有效提高风振舒适度成为了一个新的，备受关注的课题。

华润深圳湾总部大楼建筑高度 392.5 m，主结构高度为331.5 m，如图18所示。根据风洞试验单位提供的塔楼风洞试验结果，塔楼顶部在考虑十年回归期台风时的最大加速度值是24 g，满足国内规范对办公用途高层建筑的要求，也满足国际标准制组织(ISO)一年重现期最大加速度限值。由于本工程中业主对项目品质定位较高，希望在使用过程中给用户提供更为舒适的办公环境，故业主希望通过采取一定的减振措施降低风振加速度，提高项目的舒适性。

本项目采用伸臂黏滞液体阻尼器装置来减低风振，如图20所示，提高结构顶层的风振舒适度，抗风减振设计的原则如下：

1) 阻尼器主要用于控制10年风荷载下的舒适度，在更大风荷载(如50年/100年风)和地震作用下阻尼器出力有限或退出工作。阻尼器方案只对塔楼部分楼层，即47层~49层的结构构件有影响。

2) 安全性，保证结构的安全和正常使用性能，结构受力性能不变。

3) 阻尼器方案设计时塔楼已经在施工中了，为做到既达到减振效果，又对原有结构的影响最小，阻尼器的出力不能太大，阻尼器最大出力控制在最大阻尼力限值之下，即不超过2500 kN。

4) 阻尼器方案不影响已建的塔楼地基基础和构件。

5) 为避免采用阻尼器后，给建筑/机电设计、消防等带来大量不必要的重复性工作，延误工程进度，本方案将保证主要承重和抗侧力体系及基本结构布置维持不变，按照原结构设计的参数、设计准则、性能目标要求等也保持不变。

简单地讲，该方案应做到：当阻尼器发挥作用后，10年风荷载作用下，提高了塔楼的舒适度性能；50年风和地震力以及更大荷载的作用下，阻尼器有限参与工作，阻尼器出力得到限制，结构体系与原有结构基本相同，如图19所示。

考虑伸臂阻尼装置实际的减振效果，需选择合适的粘滞阻尼器参数。

建立带伸臂和阻尼器单元的 ETABS模型，伸臂节点、阻尼器连接节点都按设计要求在模型中精确定位，分析采用风洞试验最大风振加速度时程作为输入荷载。阻尼指数为 0.4，通过选择不同的阻尼系数，得到减振以后的顶层加速度最大值，以确定最合适的阻尼系数。对本结构而言，最优的阻尼系数取8000 kN/(m/s)0.4。

顶层加速度最大值的大小是确定减振效果的最重要指标，图21~图23分别给出了减振前后顶层中点各方向加速度时程，及合加速度时程。增设减振装置以后，结构的加速度响应明显减小，最大顶层加速度接近15 g，减振率约48%。

1.8 广州珠江新城东塔(2010)

广州东塔项目位于珠江新城 CBD中心地段，项目建筑屋顶标高为530 m，结构屋面标高518 m，集办公、服务公寓、酒店、餐厅于一体的塔楼。

塔楼结构采用了巨型框架+核心筒形成的双重体系抵抗水平地震(风)荷载，它们由钢筋混凝土核心筒(内含型钢)、巨型柱同 6道环桁架组成的巨型框架、以及协同核心筒和巨型框架共同工作的 4道伸臂桁架组成。仅在酒店区以上，由于建筑立面造型的需要，抗侧体系过渡为框架+核心筒结构。见图24。

其结构体系与一般的结构体系在抗侧力受力表现上有所不同：在地震(风)作用下，巨型框架主要承担倾覆力矩，同时承担小部分剪力；而核心筒则承担大部分剪力和部分倾覆力矩为受力特点。这与传统常规的框架-核心筒体系要求外框分担一定比例的地震剪力来达到二道防线的作用不同。

对于本项目来说，如仍按该要求进行设计，会使外框结构尺寸巨大至不合理程度，不仅极大的增加结构成本，也使构件笨重，反而加剧地震反应，同时无法实现项目团队所期望达到的建筑效果。

设计团队从规范二道防线的思想和结构在地震作用下的实际表现出发，依据基本力学原理，采用基于性能的抗震设计方法，保证结构各个部分共同作用，且能够有效的进行内力重分布，满足预定抗震性能目标，从而满足多道防线的要求。

塔楼巨型框架与核心筒由于材料及其延性性能的差异，在罕遇地震下，核心筒连梁率先进入塑性，从而内筒刚度先于巨型框架退化，地震力将在内外筒之间重新分布，即向外筒转移。在地震安全评估结果和罕遇地震弹塑性分析之前，基于弹性分析同一模型，参考以往类似项目弹塑性分析的结果，通过连梁刚度折减来简单模拟结构在大震下的地震剪力重分布。

由表3可见，由于A max数值的显著提高，其结构底部剪力亦随之增长。但由于连梁刚度的退化，整体刚度下降，结构自振周期逐渐增大，相应剪力并未同A max同比提高。

在外框设计中，项目严格按高规 8.1.4条之规定，对外框不满足 0.2V0的楼层，其框架剪力考虑0.2V0和1.5V f,max，以及罕遇地震弹塑性分析因内筒受损刚度退化后外框承担的剪力三种情况进行设计。确保巨型框架能够承担罕遇地震作用下由内筒损伤刚度退化而转移出的地震剪力，防止结构倒塌，体现多道设防的抗震概念。

根据项目罕遇地震弹塑性时程分析结果(图25~图29)可知：大震下结构的位移、剪重比等指标均满足规范要求，结构损伤次序和程度与抗震概念设计相符，性能目标均得到满足。内外筒剪力在结构进入损伤时能够进行重分布，实现结构多道设防的抗震概念。

本项目进一步力证了，对于巨柱框架+核心筒的复杂超高层结构体系，可不采用规范中对传统框筒结构体系二道防线的要求，可通过弹塑性有限元分析，得到罕遇地震下结构的响应和性能，保证内外筒协调工作，内外筒剪力能够重新分布，最终保证结构性能目标的满足。

1.9 中国尊大楼(2012)

北京CBD核心区Z15地块中国尊大楼(简称中国尊)(图30)为一栋集甲级写字楼、高端商业、观光等功能为一体的大型超高层建筑，总建筑面积约35万m2，建筑高度约为528 m(至塔冠幕墙顶)，共108层，是目前世界上位于8度抗震设防烈度区的在建的最高建筑。

结构是由含有组合钢板剪力墙的钢筋混凝土核心筒和含有巨型柱、巨型斜撑及转换桁架的外框筒组成的双重抗侧力体系。由于结构外框筒全高设置了巨型斜撑，外框筒刚度得到了显著提高。对于一般楼层，外框筒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%，绝大部分楼层外框筒承担的剪力也超过了底部剪力的8%(图31，为提高外框筒作为二道防线的安全储备，对主体结构中不满足 20%底部剪力的楼层设计剪力放大到基底剪力20%的水平。

在倾覆力矩方面，外框筒分担了各层约 67%的倾覆力矩。

从图 32可以看出，中国尊塔楼所选取的带有巨型柱、巨型斜撑及转换桁架的外框筒，显著缓解了传统钢-混凝土混合结构中“混凝土内筒强，型钢外筒弱”对结构产生的不利影响。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。

2 结论

本文结合具有代表性的大型工程项目案例，对所采用的工程力学解决方案分别从性能化抗震设计、薄壁构件的局部稳定性、结构初始缺陷判定、结构抗风减振及抗震二道防线等方面进行了总结介绍。

奥雅纳工程咨询公司(ARUP)在大型工程项目中，基于工程力学的基本原理，借鉴国内外的先进设计方法和技术，为大型复杂工程项目提供设计解决方案，提高了工程结构设计的整体技术水平。

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