天津金塔位於天津市興安路北側，海河之濱。辦公樓共75層，高度336-9m。建成後將成為天津第壹高樓(圖1)，也是世界上最高的鋼板剪力墻結構。金塔項目由金融街控股有限公司投資開發，設計單位為美國SOM公司和華東建築設計研究院有限公司[1]。
天津金塔項目基地占地22257-9m2，由75層塔樓和30層公寓樓組成。所有單體單元下部均有四個地下室，享受同壹基礎層。
1結構體系
天津金塔主樓建築高度為336-9m(室外地面至主屋頂)，為超高層建築。結構體系標準層為鋼管混凝土柱框架+核心鋼板剪力墻體系+伸臂抗側力體系。鋼板剪力墻的設備結構平面圖和局部立面圖如圖2~圖5所示，其中鋼板剪力墻作為抗側力體系的重要組成部分，在我國高層建築中應用較少，在我國規範中。最大高寬比7-88，超過規範要求的6；地板局部不連續；在15、30、45、60層設置了伸臂桁架和腰桁架加強層，上下層之間的抗側剛度和樓板承載力發生突變。
塔的外框架由鋼管混凝土柱和寬翼緣鋼梁組成。塔身周圍典型的柱距在6-5m左右，外框柱剛好連接。鋼板剪力墻的核心筒由鋼管混凝土柱和填充結構鋼板的寬翼緣鋼梁組成。鋼板剪力墻位於結構的核心筒區域，在乘客和服務電梯、樓梯和設備間周圍。15、30、45、60層設置伸臂桁架加強層，鋼板剪力墻的核心筒與外框之間設置大型鋼桁架，外框內設置腰桁架。根據分析結果，不同位置的鋼板剪力墻單元成為不同高度的鋼框架+鋼支撐體系。
該塔的基礎系統由4m厚的鉆孔灌註樁支撐的常規鋼筋混凝土墊層基礎組成。鉆孔樁直徑1000mm，樁長60m，樁端持力層11，基礎混凝土為C40。基礎系統將覆蓋400毫米厚的礫石層和150毫米厚的鋼筋混凝土屋頂。
塔樓的重力系統由傳統的寬翼緣鋼框架和組合樓板組成。典型的組合樓板為65mm閉口壓型鋼板，55mm混凝土面，總厚度為120 mm，寬翼緣組合鋼梁大部分高450mm，從帶核心筒的鋼板剪力墻到周圍的延性彎曲框架。典型的梁跨度為3-25m。鋼板剪力墻處的鋼管混凝土柱和周圍的延性彎曲框架也用於抵抗重力荷載。
上部結構的側向力和重力系統通常向下延伸至基礎結構。鋼管混凝土柱最大直徑為1700 mm，框架結構將由傳統結構寬翼緣鋼框架和組合樓板組成。寬翼緣鋼組合梁壹般高450mm，從鋼板剪力墻核心筒到四周延性彎框，梁壹般放在3-25m的中心。
2結構計算與分析
2-1結構設計依據和基本設計參數
在結構設計中，不僅要滿足國內規範、規程和標準，而且要
參考了加拿大《鋼結構極限狀態設計》(cansas 16-01)和美國2003年《新建建築及其他結構推薦做法》。
NEHRP(FEMA450)，美國鋼結構建築的抗震實踐。
(AISC-3412005)用於鋼板剪力墻設計。
塔樓結構安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0-15g，設計地震分組為第壹組，多遇地震下阻尼比為0-035，建築場地類別為三類，罕遇地震下阻尼比為0-050，場地特征周期Tg=0-5s。確定塔架主體結構的風荷載，並按強度控制按標準風速100的風洞試驗荷載；位移控制應按50年壹遇標準風速的風洞試驗載荷原則進行。
2-2結構分析主要結果的計算分析采用多種軟件和自編程序，總體結構為
彈性分析以ETABS為主，MIDAS為輔，包括恒載活載施工模擬分析、反應譜分析、風荷載分析。采用ABAQUS和SAP2000進行彈塑性時程分析，驗證結構在中、大震下的性能。
主要彈性分析結果見表1~表3。兩種軟件的分析結果表明，ETABS和MIDAS的分析結果基本壹致，均能滿足規範要求，結構安全可靠。
2-3鋼板剪力墻設計
鋼板剪力墻(SPSW)結構是70年代發展起來的壹種新型抗側力結構體系。鋼板剪力墻單元由預埋鋼板、豎向邊緣構件(柱或豎向加勁肋)和水平邊緣構件(梁或水平加勁肋)組成。當鋼板沿結構跨度自上而下連續布置時，形成鋼板剪力墻體系。鋼板剪力墻作為壹種新型抗側力構件，具有彈性初始剛度大、變形能力大、塑性性能好、滯回特性穩定等特點。到目前為止，以鋼板剪力墻作為抗側力結構的建築已經有幾十座，主要分布在北美、日本等高烈度地震區。中國《高層民用建築鋼結構技術規程》(JGJ99—98-98)附錄4規定了鋼板剪力墻的計算標準和方法。設計角度是為了避免鋼板發生屈曲破壞，即以彈性屈曲強度作為鋼板剪力墻的設計極限狀態，不采用鋼板的彈性局部屈曲強度，所以通常稱為厚鋼板剪力墻。但厚鋼板剪力墻用鋼量高，發展受到限制。金塔辦公樓核心筒開間大，鋼板剪力墻寬厚比也大。采用厚鋼板剪力墻概念的設計會大大增加成本。金塔寫字樓目前風靡全球。
鋼板剪力墻的設計理念，即允許鋼板在水平力作用下局部屈曲，利用屈曲後鋼板強度產生的張力場效應繼續抵抗水平力的作用，具有以下五個特點:
(1)鋼板剪力墻原則上不承受豎向荷載，但實際中不可避免地承受豎向荷載的影響(如樓板活荷載等。)，產生垂直壓應力；
(2)在多遇地震和風荷載的組合設計值下，鋼板剪力墻的設計滿足規範(JGJ99—98-98)附錄4的要求，即只發生彈性變形不發生屈曲(圖6a)，鋼板的屈曲計算應滿足薄板的三維應力穩定計算公式；
(3)在中震和罕遇地震中，允許鋼板局部屈曲，鋼板屈曲後產生的張力場效應成為抵抗側向力的主要機制(圖6b)；
(4)在中震和罕遇地震作用下，水平邊界單元(梁)端部可以出現塑性鉸，但不得破壞或喪失強度；
(5)在中等地震作用下，豎向邊界單元(柱)端部不會出現塑性鉸。在罕遇地震下，除16層以下的豎向邊界構件不能屈服外，其他柱的端部可以出現塑性鉸，但不能破壞或失去強度。
通過以上設計理念和方法，金塔辦公樓鋼板剪力墻能夠滿足承載力極限狀態和正常使用狀態的要求。
2-4施工模擬分析
作為帶伸臂桁架和鋼板剪力墻的超高層復雜建築結構體系，金塔的結構力學特性與施工高度相關。鋼管柱和鋼板墻在不同施工條件下的內力差別很大，而且由於鋼板墻的施工進度不同，施工過程中鋼板會產生不同程度的壓應力，這對於鋼板的屈曲分析也非常重要。因此，在天津塔的設計過程中必須進行施工模擬分析，如圖7所示。在分析過程中，主要考慮以下因素:
(1)鋼板剪力墻安裝順序:鋼板剪力墻早期安裝有利於保證結構在施工過程中不同階段的整體剛度，有利於施工進度，但容易造成鋼板剪力墻本身承受較大的豎向荷載，核心筒內外柱豎向受力差異較大；後期安裝則相反。
(2)伸臂桁架的安裝順序:伸臂桁架的早期安裝有利於提高施工過程中不同階段的結構剛度和整體性，有利於施工進度。同時可以通過伸臂桁架將更多的內部荷載卸載到外管柱上，降低內管柱在恒載下的壓力值，但不利於大地震下內管柱的抗拉設計。
施工模擬分析采用ETABS軟件，整個安裝過程分為21個階段，每個階段有不同的結構狀態和荷載狀態，施工過程中考慮了P-δ效應。施工模擬完成後的狀態作為恒載在結構上的反映，在後續設計中(小震設計階段)與活、風、地震相結合，或作為中、大震彈塑性分析的初始狀態。
在設計過程中，對上述因素進行了對比分析，最終確定了延遲15層的鋼板剪力墻體系及伸臂桁架安裝施工方案，具體如下:
(1)鋼板剪力墻滯後於15層主體結構(柱、梁、樓板混凝土)安裝；
(2)鋼板剪力墻上方的內筒支撐與鋼板剪力墻類似，也滯後於主體結構15層的安裝；
(3)懸挑桁架:斜桿滯後於15層主體結構(柱、梁、樓板混凝土)安裝，水平桿依次安裝。
上述施工過程起到以下作用
(1)鋼板剪力墻安裝滯後壹定樓層，在施工進度、結構整體剛度和鋼板剪力墻本身豎向應力之間達到平衡，即在承受壹定豎向恒載的前提下，將鋼板剪力墻設計成小震不屈服，有利於結構整體剛度和施工進度；
(2)伸臂桁架安裝在後面某壹層，使內外筒壓力達到平衡，使內筒底部的拉力設計更加合理。
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