新疆图木舒克市观光塔建筑为广东省援疆项目，以广州市花“木棉花”的9朵花瓣为抽象元素，相呼应图木舒克市自古为九台“南疆之花”，建筑整体呈现如盛开木棉花。建筑总高度约为49.7 m，1~8层每层层高均为5.2 m，9层和10层的层高分别为4.2 m和3.9 m。建筑面积约为1038 m²，内核心筒直径为10 m，外附着9根弧形骨架斜撑，地上10层，无地下室。本项目内部设置有两个电梯井、一部剪刀梯、观景平台和设备平台等。2层、8层和9层为观景平台，3层和10层为设备平台，8层及以上逐层悬挑增加，外挑长度分别为4.6 m、7.6 m和3.5 m，呈现盛开花瓣状，观光塔整体效果图见图1。

本场地处于永安湖边，根据《第三师唐王城文化旅游景区建设项目岩土工程勘察报告》（以下简称地勘）揭示是第四纪冲洪积物形成，主要为素填土和细砂，属于中软土。第一层素填土，以人工回填细砂为主，层厚为1.0~1.2 m；第2层细砂，密实度由松散到中密，最大揭露厚度为35.00 m，详见图2。

图1 图木舒克市观光塔效果图Fig.1 Rendering of the sightseeing tower in Tumushuke City

图2 地勘典型剖面图Fig.2 Typical geological exploration profile

建筑场地类别为Ⅲ类，严重液化土层，场地冻胀等级为Ⅳ类，冻胀类别为强冻胀。本场地地下水埋深约0.1~1.2 m，对钢筋混凝土结构及其钢筋为中等腐蚀性。岩土层力学参数见表1。

本项目抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.15 g，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.65 s。其余荷载工况主要包括恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用和温度作用，各项荷载的取见表2。

表1 岩土层力学参数Table 1 Mechanical parameters of rock and soil layers

表2 各荷载工况Table 2 Various load cases

工程结构的安全等级为二级，建筑类别为丙类，结构重要性系数为1.0，综合考虑结构的安全性和经济性，方案一钢结构构件应力比控制原则为：所有构件的应力比不大于0.85，主受力构件比不大于0.80。方案二钢筋混凝土框架—核心筒结构，所有竖向构件应连续，框架柱轴压比不大于0.90，核心筒轴压比不大于0.60。

观光塔建筑外形呈现花瓣状态，核心筒采用9根钢管柱管径900 mm，壁厚为30 mm，壁厚依次25 mm，20 mm，15 mm。与钢柱相连的环形梁截面600 mm×300 mm×20 mm×20 mm，核心筒内部的主梁截面为400 mm×200 mm×10 mm×10 mm，钢构件均采用Q345B钢材。

为满足结构计算要求，结合建筑造型，塔身在4、5和6层“瘦腰”处设置环形桁架加强层相连，环形桁架上、下弦杆截面为矩形截面300 mm× 300 mm×20 mm×20 mm，腹杆截面为180 mm×180 mm×10 mm×10 mm，钢构件均采用Q345B钢材。

9根弧形斜撑采用钢管柱900 mm，壁厚为30 mm，核心筒与斜撑之间用工字型截面600 mm× 400 mm×12 mm×20 mm相连，外围环形梁均为工字型截面600 mm×400 mm×12 mm×20 mm；钢材等级为Q355C。

底部塔身二层结构平面布置图如图3（a）所示，中部塔身五层结构平面布置图如图4（a）所示，顶部塔身九层结构平面布置图如图5（a）所示，环形桁架展开示意图如图6所示，钢结构整体模型如图7所示。

方案二采用钢筋混凝土框架—核心筒结构，核心筒采用400 mm厚钢筋混凝土，筒内的钢筋混凝土墙为200 mm。核心筒与弧度轴网交接处，均设置截面400 mm×600 mm暗柱，并在20.75~45.75 m范围的暗柱内设截面H200 mm×200 mm×10 mm× 10 mm钢骨。墙柱混凝土强度等级为C40，第5层及以上的墙柱混凝土强度降为C30。

在高耸结构中引入层概念，复核结构受力要求，每层设置120 mm厚楼板，实现楼层平面内刚度无限大。结合建筑9朵花瓣造型，提练为承受竖向荷载的核心斜撑，斜撑内置钢骨H300 mm×200 mm×10 mm×10 mm，与核心筒暗柱的内钢骨焊接连接，建筑造型通过混凝土外包解决。

图3 底部塔身二层结构平面布置图Fig.3 Layout plan of the second story structure of the bottom tower body

图4 中部塔身五层结构平面布置图Fig.4 Layout plan of the five-story structure of the central tower body

图5 顶部塔身九层结构平面布置图Fig.5 Layout plan of the nine-storey structure of the top tower body

底部设备层、平台层框架梁为400 mm×600 mm，外圈封边梁为300 mm×600 mm。顶部8~10层观光平台、设备层，核心筒与斜撑通过变截面钢筋混凝土梁刚性相连，变截面梁截面为1000/600 mm×400 mm（内含钢骨H600/400×200×10×10），梁板混凝土的等级为C30。内钢骨钢材等级均为Q355C。

斜撑在每层处与核心筒用内含钢骨的钢筋混凝土梁相连，形成稳定的三角形受力结构体系，解决了外挑长度4.6 m、7.6 m和3.5 m问题。顶部8~10层外挑，对楼板和核心筒墙体形成拉力，关键竖向构件斜撑产生二阶效应，应补充结构在罕遇地震下弹塑性损伤分析。

底部塔身二层结构平面布置图如图3（b）所示，中部塔身标准层结构平面布置图如图4（b）所示，顶部塔身九层结构平面布置图如图5（b）所示。其中一根斜撑杆件展开示意图如图8所示。

图6 环形桁架HHJ1展开示意图Fig.6 Deployment diagram of the circular truss HHJ1

图7 钢结构整体模型图Fig.7 Overall model diagram of steel structure

图8 斜撑杆件展开示意图Fig.8 Deployment diagram of diagonal bracing rods

本工程主要采用PKPM-SATWE结构软件进行建模分析设计，复杂空间结构设计软件PMSAP复核整体指标及配筋结果，以SAUSG软件进行罕遇地震下弹塑性辅助验算。

3.3.2 水平荷载作用下位移

采用PKPM结构软件对两个结构方案分别在小震和50年一遇风荷载作用下的变形进行验算，得到了弹性层间位移角的计算结果，详见表4。

表3 主体建筑结构的主要振型周期Table 3 The main vibration periods of the main building structure

表4 水平荷载作用下的弹性层间位移角Table 4 Elastic inter-story drift ratio under horizontal load

方案一小震作用下X向结构水平位移详图9 （a），Y向结构水平位移详图9（b）：小震作用下最大水平位移分别为X向44.5 mm，Y向41.6 mm，弹性层间位移角分别为X向1/564，Y向1/609；风荷载作用下弹性层间位移角1/924。

方案二小震作用下X向结构水平位移详图 10 （a），Y向结构水平位移详图 10（b）：小震作用下最大水平位移分别为X向23.0 mm，Y向23.8 mm，弹性层间位移角分别为X向1/820，Y向1/803；风荷载作用下弹性层间位移角1/4178。

根据计算结果，方案一的结构布置满足《抗规》对多高层钢结构规定的1/250弹性层间位移角的限值要求。方案二的结构布置满足《高规》对高层框架—核心筒的1/800弹性层间位移角的限值要求。两者结构设计合理，结构方案可行。

图9 方案一地震作用下结构水平位移（单位：mm ） Fig.9 Horizontal displacement of the structure under earthquake in schemeⅠ（unit: mm)

3.3.3 罕遇地震下弹塑性时程分析验算

方案二钢筋混凝土框架核心筒结构，顶部8~10层外挑部分传力以及受力复杂，高烈度区下其动力特性响应可能存在不利工况，使用SAUSG软件进行罕遇地震下弹塑性时程分析。根据《高规》4.3.5条要求，选取5条天然地震波和2条人工地震波对结构进行罕遇地震下弹塑性时程分析。天然地震波选用RH2TG065、 RH3TG065、 TH032TG065、TH086TG065 和 TH090TG065，分 别 记 为 GM -01~GM-05，人工地震波记为GM-6和GM-7，峰值加速度取值为310 cm/s² 。罕遇地震波影响系数曲线X向、Y向和Z向，详见图 11。

图 10 方案二地震作用下结构水平位移（单位：mm ） Fig.10 Horizontal displacement of the structure under eathquake in schemeⅡ（unit: mm)

图 11 罕遇地震波影响系数曲线Fig.11 Influence coefficient curves for rare earthquake waves

罕遇地震下最大层间弹塑性位移角的计算结果（表5），各工况下最大层间弹塑性位移角X向为1/335、1/343、1/207、1/346、1/472、1/351和1/353，最大层间弹塑性位移角Y向为1/387、1/441、1/329、1/268、1/600、1/467和1/355，满足规范1/100限值要求。分析可知，结构的薄弱环节在7~8层“细腰”处，设计阶段该处加强。各工况下X向塔顶位移为97.0、 95.8、 163.6、 95.6、 71.3、 94.6和99.6 mm， Y向塔顶位移为87.7、 72.6、 111.7、124.9、53.7、79.5和95.9 mm，满足规范要求。

表5 各工况下最大层间弹塑性位移角和塔顶位移Table 5 Maximum inter-story elastic-plastic inter-story drift ratio and tower top displacements under various working conditions

3.3.4 基于Park-Ang模型的斜撑构件罕遇地震损伤分析

为了更精确判断方案二的7~8层斜撑构件在罕遇地震下的灾害评估^[11-13]，进一步选用Park-Ang损伤模型^[14]，验算构件在罕遇地震下最大变形与累积滞回耗能的损伤，根据损伤指数判断关键竖向构件的损伤情况，确保三水准两阶段“大震不倒”。Park-Ang损伤模型：

式（1）中：X_cui是构件在单调加载下的破坏极限位移; F_yi为构件的屈服剪力；X_mi和E_hi是构件实际的地震最大变形和累积滞回耗能；根据Park-Ang建议^[15]，损伤耗能因子β取0.05。

8层斜撑构件初步设计信息：核心截面600 mm×600 mm，混凝土强度等级为C30，纵向受力筋为24根直径25 mm，箍筋为四肢直径为10 mm，间距为100 mm，钢筋等级为HRB400。斜撑内钢骨为H300 mm×200 mm×1010 mm，钢材等级为Q355C。E_hi借助SAUSG软件求得各工况地震波下的累积应变能。

各地震波工况下，8层斜撑的损伤指数D_i分别为0.30、0.29、0.49、0.27、0.21、0.29和0.28，平均损伤指数为0.30。刘伯权等^[16-17]研究表明，损伤指数0.3~0.6之间为中度损伤。研究表明，8层斜撑关键竖向构件在罕遇地震作用下损伤指数小，为中度损伤，具有良好延性，满足结构安全可靠要求。

表6 各工况下8层斜撑相关参数以及损伤指数Table 6 Relevant parameters and damage index of 8-story diagonal bracing under various working conditions

从周期、小震弹性变形、罕遇地震下弹塑性变形以及关键竖向构件损伤验算的计算结果可知，两种结构方案的各项指标均满足规范要求，方案可行。其中方案二钢筋混凝土框架核心筒方案整体刚度更大，也具有良好的延性和抗震性能。结合建筑效果和建筑造型，方案二的9根斜撑传力清晰，斜撑和核心筒形成稳定的三角形受力体系，解决了顶部8~10层大悬挑难题。同时实心的钢筋混凝土斜撑自身惯性矩大，具有更大的截面抵抗矩，更好抵抗高耸结构“头重”所带来的结构扭转效应，因此方案二结构体系布置合理。方案一钢结构整体受力清晰，其传力路径明确，布置美观，但未考虑9朵花瓣外置幕墙龙骨，用钢量大，后期尚需要二次深化塑形设计，加工难度大，三维找型施工难度大。从用钢量和混凝土量来估算，方案一未考虑9根斜撑造型龙骨，模型统计用钢量为985 t，混凝土用量为1445 t；方案二模型统计用钢量为26 t，混凝土用量为3845 t，方案一总体用钢量更多，造价相对会更高。

考虑观光塔地处内陆新疆图木舒克市，受地域等限制，钢结构主体以及幕墙造价高，施工难度大。考虑工期以及成本等多种因素，综合对比下方案二更有性价比。

场地条件复杂，存在严重液化以及场地勘探到35 m仍然为细砂层，未揭露可靠的岩石持力层。按《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010（2016版）要求，严重液化场地的丙类设防建筑宜全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理。若考虑液化砂土影响，则采用旋挖灌注桩基础不能考虑其侧阻，则桩径相对会较大桩长不可控，造价高以及工期超预期，方案不宜采用。而选用筏板基础，上部结构试算标准工况下地基最大反力为180 kPa，需同步进行地基处理提高地基承载力和砂层液化处理，方案可行。复合地基主要设计与计算参数，详见表7，CFG和碎石桩间距和平面布置图详见图 12。

表7 复合地基主要设计与计算参数Table 7 Main design and calculation parameters of composite foundation

图 12 CFG和碎石桩间距和平面布置图Fig.12 Pile spacing and plane layout of CFG and gravel

地下水、盐渍土对地下钢筋混凝土结构侵蚀破坏实际上是一个复杂的物理化学过程，目前成因以及侵蚀机理存在一定争议。本项目结合侯伟^[18]的“钙迁移：硫酸盐侵蚀作用下水化产物的脱钙机理及动态过程”观点，进行防腐设计。钢筋混凝土结构处于地下水干湿反复侵蚀，C3S中Ca²⁺动态迁移优先发生钙矾石类型侵蚀，混凝土结构表面不断膨胀剥落，新暴露的混凝土不断形成石膏、钙矾石以及碳酸硅钙石^[19]。因此针对混凝土材料的关键是降低Ca²⁺含量，也就是降低铝酸三钙，优先选用高抗硫酸盐硅酸盐水泥，最小胶凝材料含量不少于320 kg/m³且铝酸三钙含量不应大于3%。同步提高地下钢筋混凝土构件的保护层厚度，并在构件表面涂抹涂层。

参考《工业建筑防腐蚀设计标准》GB/T50046—2018和《第三师治理建设工程“地方病害”强制措施》要求，基础防腐设计如下：

1）基础选用C40高抗硫混凝土，基础垫层选用C30高抗硫混凝土，厚度为150 mm，垫层出基础边150 mm；

2）设计使用年限为50年的混凝土保护层最小厚度：基础为50 mm;梁柱等条形构件为35 mm，墙板等面形构件为30 mm；

3）基础表面防腐采用环氧沥青涂层，厚度500 μm；首层梁板柱采用环氧沥青涂层厚度1 mm。