高層建筑結構設計研究

□文/王躍輝

工程概況

天津市腫瘤科學研究中心坐落于賓水道與衛津南路交口，地下3層，地上25層，建筑物主體為住院樓，裙房為研究中心，地下建筑為人防、設備用房及汽車庫。

地下各層高度為地下3層4.5 m，地下2層4.0 m，地下1層5.4 m；地上高度110 m，建筑面積91 000 m2。

工程為高層建筑，天津市屬于高烈度地震區，設防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，場地Ⅲ～Ⅳ類，地震作用強烈。因此結合建筑使用功能及結構特點等采用框架―剪力墻結構體系，但對框架選擇何種體系是關鍵問題，它必須具有較強的抗震性能，成本低，技術先進的結構體系。按材料劃分可選擇：純鋼結構、型鋼混凝土結構或鋼筋混凝土結構。

其中純鋼結構框架結構成本較高，未采用。針對選擇型鋼混凝土柱框架結構還是鋼筋混凝土柱框架結構，需要從結構性能、技術和經濟、建筑使用功能等方面進行深入比較研究。

2 種結構方案概況

鋼管混凝土疊合柱框架柱結構

鋼管混凝土疊合柱（以下簡稱“疊合柱”）結構是一種新型建筑結構，是由截面中部鋼管混凝土和鋼管外鋼筋混凝土疊合而成的柱。疊合柱可為方形截面、矩形截面或圓形截面。疊合柱的內外組成部分可不同期施工，也可同期施工。不同期施工是指，先澆注管內混凝土形成鋼管混凝土柱，承受部分施工期間的豎向荷載，后澆注管外混凝土。同期施工是指，同時澆注管內混凝土和管外混凝土。同期施工的疊合柱可稱組合柱。

疊合柱的主要優點如下。

（1）鋼管內澆注高強混凝土，鋼管的約束作用使鋼管內澆注混凝土的抗壓強度大幅度提高且不會發生脆性破壞。鋼管混凝土位于截面中部，可以充分發揮高強混凝土承壓能力高的優勢，從而減少柱的截面尺寸、增大建筑的使用空間。

（2）作用在疊合柱截面上的軸向壓力，按軸向剛度分配給鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土。鋼管混凝土的軸向剛度隨其軸心受壓承載力的提高而提高。對同期施工的疊合柱，由于鋼管內高強混凝土的彈性模量提高、承載力大，承擔的軸壓力大于按截面面積比例分配的軸壓力。對不同期施工的疊合柱，澆注鋼管外混凝土時，鋼管內混凝土已經承受了一部分軸壓力，疊合后，剩余部分的軸壓力按軸向剛度分配給鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土。管內外混凝土強度差別越大，鋼管混凝土的套箍指標越大；鋼管內混凝土分擔的軸壓力的比值越高，鋼管外鋼筋混凝土分擔的比值越小。

（3）截面中部的鋼管混凝土提高了柱的抗剪承載力。

（4）鋼管混凝土提高了節點核芯區的抗剪承載力，可簡化核芯區構造，方便施工。

（5）在軸壓力和往復水平力作用下，由于鋼管混凝土的存在，延長了疊合柱從屈服到破壞的過程，提高了柱端塑性鉸的轉動能力，使疊合柱具有良好的延性和耗能能力。

（6）鋼管內和鋼管外都有混凝土，鋼管壁不會發生屈曲。

（7）鋼管外的混凝土可起到防火作用。

鋼筋混凝土柱結構

鋼筋混凝土結構造價低且材料來源豐富，可澆注成各種復雜斷面形狀，鋼材用量少，而承載力也不低，側向剛度大，整體澆注的連接點可靠，抗震性能雖不如純鋼結構，但經過合理設計也可獲得較好的抗震性能。但其缺點是構件斷面大，占據室內空間多，因而減少使用面積，自重大，從而基礎用材更多，導致基礎造價增高。

2 種方案比較

構件尺寸

本工程擬采用主要構件尺寸見表1和表2。

表1 鋼管混凝土疊合柱尺寸 mm

表2 鋼筋混凝土柱尺寸 mm

地震反應譜

2種結構方案地震反應譜分析主要結果見表3。

表3 地震反應譜分析

結論

（1）采用鋼管混凝土疊合柱較為經濟，比采用鋼混凝土柱可節約混凝土10%左右，節約成本，降低造價。

（2）鋼管混凝土疊合柱截面較小，約為鋼筋混凝土柱截面的50%左右，增加了建筑使用面積。

（3）2種結構體系分別與鋼筋混凝土剪力墻共同工作，在地震荷載作用下，最大層間位移相近，都能滿足規范的要求。

（4）鋼管混凝土疊合柱軸向受力性能好，承載力高，抗震延性性能具有明顯的優勢，因此在高烈度地震區應用較為適宜。

（5）鋼管混凝土疊合柱截面尺寸小可以避免形成短柱。

因此，經研究，天津市腫瘤科學研究中心最后采用鋼管混凝土疊合柱框架―剪力墻結構體系。

[1]CECS188：2005，鋼管混凝土疊合柱結構設計規程[S].