創(chuàng)業(yè)投資大廈主體結(jié)構(gòu)體系的方案確定及優(yōu)化

栗勇濤

（深圳市華筑工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518040）

1 工程概況

深圳創(chuàng)業(yè)投資（VC&PE）大廈位于深圳市南山區(qū)科園路，東側(cè)緊鄰科園路，南側(cè)緊鄰濱海大道，西側(cè)、北側(cè)現(xiàn)狀為施工工地。主要功能包括：辦公室、展示廳、會(huì)議中心、功能廳、公共洽談室、餐廳及停車場(chǎng)等。主體結(jié)構(gòu)地上45層，總高度186.3m，地下三層，地下室埋深（至底板底面）13.0m。

2 結(jié)構(gòu)體系

創(chuàng)業(yè)投資大廈采用矩形方鋼管交叉斜柱網(wǎng)格體系，第一次采用矩形方鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，這是在建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)上的創(chuàng)新。創(chuàng)業(yè)投資大廈與廣州西塔所采用的交叉網(wǎng)格體系相比，交叉斜柱為圓形鋼管混凝土斜柱，其受力機(jī)理及性能有很大不同，該設(shè)計(jì)體現(xiàn)了深圳敢為天下先的大膽開(kāi)拓創(chuàng)新的精神，同時(shí)也符合風(fēng)險(xiǎn)投資家的追求與品位。

主體結(jié)構(gòu)有以下四種方案：1.鋼結(jié)構(gòu)外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒；2.鋼筋混凝土外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒；3.鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒；4.鋼結(jié)構(gòu)外筒+鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)筒（鋼框架+內(nèi)藏鋼板支撐混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)）。對(duì)以上四種結(jié)構(gòu)形式從頂點(diǎn)位移、層間最大位移、風(fēng)荷載作用的頂點(diǎn)最大加速度、材料用量及主體結(jié)構(gòu)自重等參數(shù)方面進(jìn)行了分析對(duì)比，最終確定為鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒方案。

2.1 主體結(jié)構(gòu)的選擇比較

2.1.1 鋼結(jié)構(gòu)外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒

按此方案進(jìn)行可行性分析評(píng)估，其結(jié)果顯示橫風(fēng)向風(fēng)振的加速度比較大，基本接近規(guī)范限值，桁架筒底部受壓翼緣個(gè)別桿件應(yīng)力超限，過(guò)多桿件應(yīng)力水平比較高，且樓層在轉(zhuǎn)角處大開(kāi)洞，桿件的平面外計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)很大，桿件由穩(wěn)定控制，難以保證結(jié)構(gòu)的整體安全可靠，因此予以否定。

2.1.2 鋼筋混凝土外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒

按此方案進(jìn)行可行性分析評(píng)估，其結(jié)果表明交叉斜柱底部軸壓比接近1.0，難以滿足抗震要求，對(duì)于鋼筋混凝土壓彎構(gòu)件，當(dāng)軸壓比超過(guò)0.5后，構(gòu)件的延性迅速下降，因?yàn)樵诟咻S壓比條件下，桿件在軸力與彎矩作用下受壓邊緣纖維壓應(yīng)變很大，當(dāng)超過(guò)極限壓應(yīng)變以后，混凝土?xí)粔核椋瑢?dǎo)致構(gòu)件的保護(hù)層脫落和縱筋失穩(wěn)，構(gòu)件迅速失去承重能力。若外筒采用鋼筋混凝土交叉斜柱，在地震作用下結(jié)構(gòu)的延性很差，且交叉節(jié)點(diǎn)處鋼筋很密，混凝土難以澆灌和密實(shí)。又因?yàn)榻徊婀?jié)點(diǎn)承受單獨(dú)桿件的雙倍軸力，因此需要將節(jié)點(diǎn)區(qū)擴(kuò)大，而進(jìn)一步加大了施工難度。采用鋼筋混凝土交叉網(wǎng)格外筒，結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，施工速度慢，施工質(zhì)量及結(jié)構(gòu)安全均難以保證，因此該方案予以否定。

2.1.3 鋼結(jié)構(gòu)外筒+鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)筒（鋼框架+內(nèi)藏鋼板支撐混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)）

按此方案進(jìn)行可行性分析評(píng)估，其結(jié)果表明結(jié)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是，該設(shè)計(jì)方案為純鋼結(jié)構(gòu)，其用鋼量不僅巨大而且遠(yuǎn)高于其他結(jié)構(gòu)體系性能。在目前國(guó)內(nèi)鋼材價(jià)格形式下，該設(shè)計(jì)方案成本高，經(jīng)濟(jì)性能很差，只能作為替補(bǔ)方案。

2.1.4 鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒

按此方案進(jìn)行可行性分析評(píng)估，其結(jié)果顯示無(wú)論是結(jié)構(gòu)周期和風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)位移及層間位移，還是地震下的位移角，其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)均優(yōu)于其他三種方案。總體用鋼量除比鋼筋混凝土內(nèi)筒+鋼筋混凝土外筒體系多，遠(yuǎn)少于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)筒+鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)筒體系，也少于鋼結(jié)構(gòu)外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒體系。此外，由于建筑場(chǎng)地的限制，結(jié)構(gòu)外筒柱及內(nèi)筒墻的尺寸不宜過(guò)大，否則難以保證建筑面積的要求，鋼管混凝土交叉柱的承載能力要遠(yuǎn)大于純鋼管及鋼筋混凝土交叉柱，這也使得這種方案體系的效果要優(yōu)于其他三種方案。另外我們?cè)诔醪皆O(shè)計(jì)階段，對(duì)鋼管混凝土交叉節(jié)點(diǎn)及關(guān)鍵部位進(jìn)行了實(shí)體有限元分析，分析表明我們所采用的節(jié)點(diǎn)在大震情況下滿足規(guī)范大震不屈服的抗震要求，若我們進(jìn)一步對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)，這種結(jié)構(gòu)體系不但可以抵抗大震的影響，既是遇到日本福島這樣的超強(qiáng)地震也可以達(dá)到大震不倒塌的要求。

2.2 鋼管混凝土交叉桁架外筒-內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（1）交叉桁架外筒-內(nèi)筒形式的筒中筒結(jié)構(gòu)具有良好的抗側(cè)剛度，即使在198m高的超高層結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然是強(qiáng)度控制而非變形控制，因此交叉桁架外筒-內(nèi)筒結(jié)構(gòu)體系形式可在更高的建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。

（2）桁架筒體中桿件以受軸力為主，采用鋼管混凝土作為桁架筒體的桿件，結(jié)構(gòu)底部桿件的應(yīng)力水平不高，可保證結(jié)構(gòu)的延性。

（3）由于桁架筒體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗壓和抗扭剛度，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布偏心對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可忽略。

（4）鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、不易倒塌、制作和施工方便、耐火性能好、經(jīng)濟(jì)效果好等特點(diǎn)，特別是在高層建筑結(jié)構(gòu)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。鋼管混凝土柱既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問(wèn)題和高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問(wèn)題；也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。

（5）鋼管混凝土構(gòu)件的自重較輕，可以減小基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，降低基礎(chǔ)的造價(jià)。

（6）全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進(jìn)行施工，從而加快施工進(jìn)度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價(jià)格低，并且其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。

3 鋼管混凝土柱交叉節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)參考其他相類似工程節(jié)點(diǎn)，做法如下：

混凝土斜柱節(jié)點(diǎn)用鋼板凳進(jìn)行加強(qiáng)，其特征在于，所述鋼板凳由中間腹板、兩側(cè)翼緣板、上下蓋板、水平肋板等組成，中間腹板中間窄上下兩端寬，其形狀為兩個(gè)梯形短邊相對(duì)組成的類似于X形，梯形斜邊的斜度與斜柱斜度相近，翼緣板位于腹板兩側(cè)，蓋板位于腹板上下兩端，水平肋板位于腹板中間。所述鋼板凳被置于混凝土斜柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，其外部尺寸應(yīng)盡量大，即翼緣盡量靠近斜柱外邊緣。

鋼板凳加強(qiáng)方式可在不影響建筑效果的情況下，有效改善交叉斜柱陰角部位的應(yīng)力集中，彌補(bǔ)因斜柱交叉造成的截面削弱，增強(qiáng)斜柱交叉節(jié)點(diǎn)的承載力，從而保證整座建筑的安全性。

此節(jié)點(diǎn)提供一種矩形方鋼管混凝土斜交網(wǎng)格柱空間相貫節(jié)點(diǎn)及其制作方法，該節(jié)點(diǎn)的4根矩形方鋼管在矩形連接板處相交，4根矩形方鋼管之間以及矩形方鋼管與矩形形連接板焊接連接；環(huán)向加強(qiáng)板由至少兩塊環(huán)形鋼板組成，焊接在所述中心平面焊縫處的4根矩形方鋼管上，與環(huán)向加強(qiáng)板平行的兩環(huán)板分別焊接在環(huán)向加強(qiáng)板上下方的圓鋼管上，加勁肋板分布均勻地焊接于環(huán)向加強(qiáng)板與環(huán)板之間。

此構(gòu)造節(jié)點(diǎn)所增加的鋼板及混凝土剛度為斜柱在交叉處所損失的剛度一倍以上，保證了節(jié)點(diǎn)處不低于上下交叉斜柱的總剛度。

該節(jié)點(diǎn)傳力明確、承載力高、質(zhì)量輕、性能好、施工方便，能有效地連接上下部斜交網(wǎng)格柱，實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)空間相貫，有很好的工程應(yīng)用前景。

4 抗震性能分析

我們對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了抗震性能評(píng)估，主要采用靜力彈塑性分析方法——Pushover分析方法，并由此得到以下結(jié)論：（1）用修正的位移系數(shù)法、FEMA440等效線性化方法和能力譜法求得結(jié)構(gòu)大震性能點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的基底剪力相當(dāng)于小震CQC結(jié)果的4.4倍，其頂點(diǎn)位移相當(dāng)于小震CQC結(jié)果的5.6倍；（2）Pushover分析得到的x、y兩方向(如圖1、圖2所示）的最大層間位移角分別為1/387（x向，在第30和31層）1/365（y向，在第33和34層）；均小于1/120，滿足規(guī)范要求；（3）Pushover分析得到的結(jié)構(gòu)屈服的順序是：最先為連梁屈服，然后是底部剪力墻和框架梁柱，最后是鋼梁和交叉斜柱；（4）Pushover計(jì)算的大震性能點(diǎn)的構(gòu)件損傷程度都滿足預(yù)先設(shè)定的性能要求，主要發(fā)生屈服的構(gòu)件是連梁，此時(shí)剪力墻都沒(méi)有混凝土或鋼筋纖維壓壞，底部框架柱也未出現(xiàn)塑性鉸，鋼梁和支撐斜柱的也未出現(xiàn)抗彎屈服，驗(yàn)算了鋼梁的剪力結(jié)果表明，鋼梁抗剪尚有較大富余。綜合以上結(jié)論，該結(jié)構(gòu)經(jīng)pushover分析方法驗(yàn)證，可滿足“大震不倒”的設(shè)計(jì)要求，各類構(gòu)件滿足預(yù)定的“性能水準(zhǔn)”。

5 結(jié)語(yǔ)

創(chuàng)業(yè)投資大廈以全新的理念設(shè)計(jì)和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系，既體現(xiàn)了深圳的城市精神，也滿足了投資者的需要，得到投資者的親睞。該設(shè)計(jì)方案通過(guò)了可行性評(píng)估，這再次肯定了該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越。鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內(nèi)筒的主體結(jié)構(gòu)體系在滿足抗震要求的前提下降低了施工成本，保護(hù)了投資企業(yè)的利益，是不可多得的設(shè)計(jì)方案。

[1] JGJ3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S］．

[2]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[3]方鄂華.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

[4]高立人.高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.[5] JGJ 3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6] GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]徐培福，傅學(xué)怡等.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[8]傅學(xué)怡.整澆鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念探究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2005(5).