型鋼混凝土框架—混凝土筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在超高層建筑中的應(yīng)用與探討

摘 要：在高度為近190米的超高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)形式。本文著重探討了結(jié)構(gòu)體系及布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)想、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算與分析等。并在核心筒剪力墻極其外圍墻體設(shè)計(jì)、外框架型鋼混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的分析驗(yàn)算、連梁超筋問題的處理以及抗震構(gòu)造措施上，作進(jìn)一步的探討。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體；關(guān)鍵構(gòu)件

1 工程概況

本工程位于上海浦東新區(qū)，包括5棟高層商辦樓、1棟多層商業(yè)樓以及3層整體地下室。地下室場地平面尺寸約為250mx190m，總建筑面積約14萬平方。（總平面圖見圖1）

1號(hào)樓坐落在大地下室的西北角，地上41層，底層和標(biāo)準(zhǔn)層層高分別為6.4m和4.5m，主屋面高近190m；標(biāo)準(zhǔn)層外包平面尺寸為50.4m×50.4m，地上建筑面積96600m2，采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)。

地下室頂板面-1.200，覆土厚1米。地下室頂板面作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。

本文重點(diǎn)闡述1號(hào)樓的結(jié)構(gòu)布置，見標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖（圖2），以及關(guān)鍵構(gòu)件的處理措施。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1號(hào)樓地上建筑面積近10萬平方，經(jīng)常使用人數(shù)超過8000人，按照重點(diǎn)設(shè)防類（乙類設(shè)防），應(yīng)按8度要求加強(qiáng)其抗震措施。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為50年，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.0。

根據(jù)工程的工程性質(zhì)、使用功能及業(yè)主要求，為鋼組合框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，根據(jù)《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》DG/TJ08-015-2004（上海），鋼組合框架-混凝土筒體結(jié)構(gòu)不超過限高190米的高度，不屬于超限高層范圍。地下一層頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，三層地下室為框架結(jié)構(gòu)，高層對應(yīng)地下部分局部采用型鋼混凝土，上部鋼柱和混凝土筒體內(nèi)型鋼倒插入地下一層。地下一層頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端處。高層建筑首層結(jié)構(gòu)層標(biāo)高高出地下室頂板600，在高低處通過構(gòu)造措施保證地下室頂板的連續(xù)性。

抗震設(shè)防烈度為7度，場地土類別為IV類，特征周期為0.90s，基本地震加速度：0.10g，水平地震影響系數(shù)：0.08（多遇地震時(shí)），0.45（罕遇地震時(shí)），時(shí)程分析用地震加速度最大值：35cm/s2（多遇地震時(shí)），200cm/s2（罕遇地震時(shí)），結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.05。基本風(fēng)壓取重現(xiàn)期100年值0.61KN/m2，地面粗糙度取為C類（市區(qū)），風(fēng)壓體型系數(shù)取為1.3。

結(jié)構(gòu)抗震等級，上部結(jié)構(gòu)外周框架為一級，核心筒為特一級，地下一層為一級，地下二、三層為二級。層間位移角限值（地下室頂層作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端），多遇地震時(shí)1/680，罕遇地震時(shí)1/100。

主樓結(jié)構(gòu)在平面中央采用鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)，并以它作為結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)構(gòu)件。外圍框架梁、柱采用型鋼混凝土（SRC），剪力墻筒體與周邊的柱相連接的框架梁則采用鋼結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的選擇可減輕自重，減小框架柱的截面，加快施工進(jìn)度，便于設(shè)備穿管。

為保證計(jì)算的準(zhǔn)備性，彈性分析時(shí)按照規(guī)范規(guī)定采用SATWE和PMSAP兩個(gè)軟件進(jìn)行整體計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析，見表1。

兩種軟件的整體計(jì)算指標(biāo)接近，無明顯差異。補(bǔ)充計(jì)算0度和45度方向的地震作用效應(yīng)，并進(jìn)行分析比較，計(jì)算指標(biāo)也比較接近，符合有關(guān)規(guī)定。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（上海規(guī)范）5.1.2應(yīng)采用時(shí)程分析法進(jìn)行多遇地震下的補(bǔ)充計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，每條波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法的65%，三條波的平均值大于振型反應(yīng)譜法的80%；在罕遇地震作用下的最大彈塑性位移角均小于1/100，符合規(guī)范要求。綜上所述，1號(hào)樓結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置是合理安全可靠的。

3 關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 核心筒剪力墻及外圍墻體

核心筒作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，在滿足中震彈性的情況下， 即核心筒剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)滿足中震基本彈性；在罕遇地震時(shí)，墻肢所承受的剪力不大于0.15fckbh0；拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值不大于1.5ftk（C60的剪力墻，限值為4.3N/mm2）。

對關(guān)鍵部位采取了以下措施以提高其抗震性能：（1）核心筒外圍墻體的四周轉(zhuǎn)角部位以及和鋼梁連接處設(shè)置構(gòu)造型鋼，以提高延性。（2）核心筒四周轉(zhuǎn)角部位通高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。（4）核心筒墻體內(nèi)部約束邊緣構(gòu)件的設(shè)置按軸壓比控制，小于0.2時(shí)設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。（5）外圍墻體處的連梁均設(shè)有型鋼，以滿足連梁截面的控制要求，同時(shí)也滿足強(qiáng)剪弱彎要求。（6）核心筒底部加強(qiáng)部位的墻體分布筋最小配筋率提高至0.6%，一般部位取0.3%；筒體在每層樓板處均設(shè)置暗梁。

3.2 外框架型鋼混凝土梁柱的設(shè)計(jì)

外框采用型鋼混凝土梁，增大了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，與此同時(shí)也增大了土建施工的難度，特別是梁柱節(jié)點(diǎn)處的施工。因此，外框架型鋼混凝土梁截面和配筋的確定，除了需要滿足剛度和承載力的要求外，還應(yīng)該盡可能減小施工的難度。首先，合理配置型鋼柱、梁截面板件厚度，在計(jì)算時(shí)盡量使外框型鋼混凝土梁柱的配筋為構(gòu)造配筋，為了避免與外框柱內(nèi)型鋼相碰，當(dāng)外框梁底部鋼筋根數(shù)較多時(shí)，采用在梁柱節(jié)點(diǎn)處1：3變截面加腋的方式，在不影響梁的整體剛度的前提下解決鋼筋的錨固問題。節(jié)點(diǎn)做法見圖2。

3.3 與筒體相連框架梁截面的優(yōu)化

在保證結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下整體位移滿足規(guī)范要求的前提下，鋼梁與核心筒內(nèi)筒設(shè)計(jì)為鉸接連接，大大地減小了構(gòu)件內(nèi)力，使得構(gòu)件截面大幅減小，這樣做可以有效提高辦公區(qū)域的凈空高度，同時(shí)也減小了框架柱與筒體豎向壓縮變形差異所帶來的鋼結(jié)構(gòu)安裝上的難度。注意：控制外框架型鋼混凝土柱軸壓比限值為0.7，剪力墻軸壓比限值為0.5。目前計(jì)算結(jié)果，外框架柱軸壓比最大值為0.68，剪力墻軸壓比最大值為0.43。根據(jù)電算所得的軸壓比合理選擇框架柱，核心筒剪力墻的截面尺寸，也是控制框架柱與筒體豎向變形差的重要手段之一。

3.4 上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的處理

本工程上部結(jié)構(gòu)位于地下室大底盤的中部，周邊遠(yuǎn)離地下室外墻。因?yàn)榈厣嫌?個(gè)塔樓，上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位宜設(shè)置在地下室頂板處。故與建筑協(xié)調(diào)后，在離大地下室外墻較遠(yuǎn)處周邊增設(shè)了剪力墻，具體見總平面圖（圖1）。地下室與首層剪切剛度比，由SATWE軟件計(jì)算可得，X向?yàn)?.281，Y向2.961，主樓地下室一側(cè)側(cè)向剛度均大于地上底層側(cè)向剛度的2倍。地下室頂板取厚度250mm>180mm。故大底盤多塔計(jì)算模型簡化為各塔樓單塔模型，嵌固端設(shè)置在地下室頂板處。

3.5 連梁超筋的處理

3.5.1 減小連梁截面高度；增大連梁截面跨度；在連梁中部開水平縫，以降低連梁的剛度。

3.5.2 內(nèi)力計(jì)算前，直接將連梁剛度進(jìn)行折減，折減系數(shù)取0.7。

3.5.3 采用對連梁彎矩調(diào)幅的辦法，考慮連梁的塑性內(nèi)力重分布，降低連梁的計(jì)算內(nèi)力，同時(shí)應(yīng)加大剪力墻的地震效應(yīng)設(shè)計(jì)值。調(diào)幅后的彎矩不小于前彎矩的0.8倍（6～7度）。

3.5.4 通過改變連梁計(jì)算截面高度，尋求實(shí)際截面連梁的最大抗剪承載力所對應(yīng)的截面彎矩設(shè)計(jì)值，及與之相應(yīng)的剪力墻內(nèi)力和配筋。

3.5.5 當(dāng)連梁抗剪截面不足時(shí)，可采取在連梁中設(shè)置型鋼或鋼板的措施。

3.5.6 連梁的鉸接處理，根據(jù)《高層建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2002，當(dāng)連梁破壞時(shí)對承受豎向荷載無明顯影響時(shí)，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作按獨(dú)立墻肢進(jìn)行第二次多遇地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，墻肢應(yīng)按兩次計(jì)算所得的較大內(nèi)力進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。方法4和方法6剪力墻均為按兩次計(jì)算結(jié)構(gòu)包絡(luò)設(shè)計(jì)。

本工程核心筒外圍剪力墻東西兩側(cè)的兩根連梁LL1超筋見圖2，該連梁不作為次梁或主梁的支撐梁，故兩端設(shè)鉸，剪力墻按照兩次計(jì)算結(jié)果包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

本工程作為超高層辦公樓，除了通過電算結(jié)果分析作為輔助手段，分析結(jié)構(gòu)體系的合理與安全性；同時(shí)為避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力，故需要對關(guān)鍵構(gòu)件采用合理的設(shè)計(jì)方法，及可靠的抗震構(gòu)造措施；來有效保證結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位在地震作用時(shí)的安全可靠性。通過對整體計(jì)算，在局部關(guān)鍵部位采取可靠抗震構(gòu)造措施，驗(yàn)證了型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超高層辦公樓，是安全可靠，切實(shí)可行的。

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作者簡介：朱蔚惠，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，十年結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，設(shè)計(jì)有多種類型建筑，包括多個(gè)超高層超限建筑。設(shè)計(jì)項(xiàng)目：上海陸家嘴塘東項(xiàng)目、竹園項(xiàng)目、陸家嘴金融中心等。