型鋼混凝土組合結構在超高層建筑中的應用研究

鐘瑜晨，孫正博

（蘭州蘭石建筑設計有限公司，甘肅 蘭州 730050）

型鋼混凝土組合結構在超高層建筑中的應用研究

鐘瑜晨，孫正博

（蘭州蘭石建筑設計有限公司，甘肅 蘭州 730050）

文章以蘭州希爾頓酒店塔樓為例，通過PKPM結構計算軟件，分別用兩種方案對希爾酒店塔樓進行多遇地震下的彈性分析：一種采用的是希爾頓酒店原設計的型鋼混凝土結構，另一種采用同樣條件下普通鋼筋混凝土結構，通過對頂部位移、層間位移角、基底剪力、周期比、剪重比等一系列參數對比分析。在同時符合規范要求的情況下，發現酒店塔樓采用的型鋼混凝土結構有著：自重較輕，具有更加良好的抗震性能，且柱截面相對較小，建筑空間能得到充分的利用的特點。

型鋼混凝土；組合結構；彈性分析；抗震性能

1　型鋼-混凝土組合結構研究現狀

型鋼混凝土組合結構，又叫勁性鋼筋混凝土或者鋼骨混凝土結構，實際上就是鋼結構外部被鋼筋混凝土包裹而成的一種結構。因此，該結構同時具備鋼結構和混凝土結構的優點，又克服了自身的缺點：①外部鋼筋混凝土可以有效限值內部的鋼骨，增強鋼骨的抗屈曲能力，同時起到防火耐高溫的作用；②內部的鋼骨改變了混凝土易發生脆性破壞的缺點，提高了結構的延性和抗震性能；③鋼骨采用的鋼材強度比混凝土強度大得多，在滿足承載力的前提下，減小了梁柱等構件的截面面積，同時有效地避免了混凝土徐變對結構整體穩定性的影響。國內外試驗表明，型鋼混凝土組合結構在低周反復荷載作用下具有良好的滯回特性和耗能能力。在80年代后期，隨著我國經濟發展，國家綜合實力的增強，當然建筑業也進入了黃金時期，型鋼混凝土結構得到了更好的發展，從1980年開始國家計劃委員會開始將該結構確立為重點科研項目。隨后，我國與2001年發布了《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ138-2001）之后型鋼混凝土結構研究越來越多，1995～2006年國內各雜志發表論文238篇理論和試驗類的越位189篇，設計和施工類的49篇。可以看出型鋼混凝土結構在我國已經得到了很大重視［1］。

2　型鋼-混凝土組合結構計算方法

（1）對于型鋼混凝土組合結構的計算，根據目前研究，世界各地對型鋼混凝土構件的計算大致可以分三種：①在試驗和數值計算的基礎上，基于鋼結構計算理論，考慮混凝土對型鋼剛度的提高，按鋼結構穩定理論計算，這種算法適用于含鋼率較大的情況；②基于鋼筋混凝土的計算理論，方法假定型鋼和混凝土是整體，然后采用鋼筋混凝土相關理論計算。該方法沒有考慮型鋼和混凝土直接的粘結，不符合型鋼混凝土構件的實際受力情況；③承載力疊加法是，日本研究者田中尚和平野道勝在1950年左右提出的，將組合截面分成鋼筋混凝土和型鋼兩部分，在型鋼局部不發生屈曲的假定下，分別計算二者的承載力和剛度然后疊加，得到型鋼混凝土組合結構的剛度和承載力。承載力疊加法不需要型鋼和混凝土達到正真的同步工作，只是對型鋼的抗彎能力與鋼筋混凝土的抗彎能力做和作為型鋼混凝土組合構件的抗彎能力。另外，該方法對構件的剛度計算時以彈性理論為基礎，及取二者的彈性剛度為研究作為構件剛度。我國對型鋼混凝土結構計算方法主要有兩種：①以概率論為基礎的極限狀態設計，當構件達到極限狀態時，基于平截面假定，假定型鋼和鋼筋混凝土有著統一的中性面，利用力矩，和力的平衡建立方程；②承載力疊加法，將二者分開計算，最后疊加［2］。

（2）在進行結構計算時，型鋼混凝土結構受力構件的截面的抗彎剛度EI軸向剛度EA和抗剪剛度EG可按下列公式計算［3］。

3　工程概況

蘭州希爾頓酒店大樓坐落于甘肅省蘭州市七里河區蘭州中心商業區，地鐵、高鐵、航空等交通樞紐在此交會。酒店建設共32層，總建筑面積57359.47m2，不計容積率的配套建筑面積12640.53m2，地上1棟單塔，塔體平面呈規則的方形，單塔西側有5層輔助裙房，南側有7層輔助裙房，單塔主樓地上32層，結構高度140.6m。

4　蘭州希爾頓酒店多遇震作用下的彈性分析

蘭州希爾頓酒店采用結構形式為框架—核心筒結構，所在場地地震設防烈度8度，基本加速度0.20g，Ⅱ類場地，地震分組為第三組，設計年限50年。結構自基礎底到十一層采用型鋼混凝土組合柱，尺寸為1600×1200，內含1000×350×30×40×700×400×30×40交叉工字型鋼。本工程結構模型的整體分析采用了PKPM系列的SATWE軟件，對結構在多遇震作用下的結果和相關數據進行分析［4］。圖1是SATWE有限元軟件的模型。

圖1　希爾頓酒店塔樓結構模型

通過SATWE程序對酒店進行小震彈性分析，計算結果分析如下：①第一振型結構的第一平動周期3.0056，第一扭轉周期1.6280，比值0.5416小于混合結構扭轉周期比0.85限值；X、Y方向的有效質量系數分別為99.57%、99.50%均符合規范要求的90%，其前三振型符合常理，模型有效；②結構的層間位移角，結構在彈性階段X、Y方向最大層間位移角分別為1/879、1/836均滿足高規要求框架-核心筒樓層層間最大位移與層高之比限制為1/800；③軸壓比，在抗震結構設計中，構件軸壓比是保證結構延性的重要因素，本工程軸壓比符合規范要求未有大于0.75；④剪重比，本工程結構X、Y方向最小剪重比分別為3.25% 、3.68%均大于規范要求的3.2%。

5　普通現澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構與之對比分析

在蘭州希爾頓酒店模型的基礎上建立對比模型，為了不影響對比結果，設計參數仍采用原酒店大樓結構的，只是把型鋼混凝土柱、梁換成普通混凝土的框架柱和梁，其中柱截面按比例放大25%。然后，將所得結果與上述型鋼混凝土框架-核心筒結構對比分析，從而判斷對于超高層建筑，采用哪種結構體系具有更加顯著的優越性。

（1）在不改變截面尺寸的情況下，型鋼混凝土柱的同一層軸壓比是0.38，而改變構件形式后鋼筋混凝土柱的軸壓比是0.49，軸壓比主要控制的是結構的延性。對比可以看出，型鋼混凝土柱比鋼筋混凝土柱延性更好。

（2）通過計算所得，普通混凝土框架核心筒結果與上節酒店塔樓計算結果，對比如表1所示。

表1　普通混凝土結構與希爾頓酒店型鋼混凝土結構結果對比表

通過上述兩組模型計算結果對比得知：①周期比方面，普通鋼筋混凝土結構和希爾頓酒店型鋼混凝土結構模型周期比分別為0.553、0.5416都小于規范限值0.85。相應的型鋼混凝土結構的周期比稍小一點，結構整體抗扭能力相對更好一點；②普通鋼筋混凝土結構模型低層框架柱截面尺寸整體放大25%變為2000×1600，形成矮胖柱，對建筑使用面積造成相對較大影響，且又失美觀性，且結構自重方面酒店型鋼混凝土結構為143378t，比普通鋼筋混凝土輕3%；③頂層位移和層間位移角方面，型鋼混凝土結構在地震作用下的X方向最大層間位移角是1/879，Y方向最大層間位移角是1/836，而普通鋼筋混凝土結構在地震作用下的X方向最大層間位移角是1/883，Y方向最大層間位移角是1/840。型鋼混凝土結構在地震作用下的X方向最大樓層位移為137.4mm，Y方向最大樓層位移為145.9mm，普通鋼筋混凝土結構在地震作用下的X方向最大樓層位移為135.9mm，Y方向最大樓層位移為144.9mm，兩種結構在位移比上雖沒有發生太大變化，但是可以看出型鋼混凝土結構整體抗側剛度和普通鋼筋混凝土結構相差不大。在同時滿足規范限制的情況下，型鋼混凝土結構具有豎向構件截面尺寸小、延性好等優點。

6　結論

通過希爾頓酒店塔樓的工程概況、設計標準的系統介紹，依據我國現行規范對酒店塔樓的結構進行了超限審查，并對酒店進行了常規上的小震彈性分析。隨后通過對比模型對酒店塔樓結構特點進行了系統的論述，現得出結論如下：①結構高度140.6m在當地屬于超B級高度的超高層結構；②小震彈性計算分析結果表明，結構的平面布置較規則，豎向剛度較均勻，層間位移角滿足規范要求，結構在小震下處于彈性變形狀態，框架、筒體的承載能力滿足二道抗震防線要求；③通過普通鋼筋混凝土結構與之對比，綜合對比結果得出：酒店塔樓采用的型鋼混凝土結構在自振周期、最大層間位移角，頂層位移、剛重比，基底剪力等各方面小震彈性下的參數，與普通鋼筋混凝土結構的計算結果差異不大。從兩者模型上的差異上可以看出，型鋼混凝土框架柱截面面積小，重量比普通鋼筋混凝土結構輕3%，建筑面積使用率高，故希爾頓酒店采用的型鋼混凝土結構，比普通鋼筋混凝土結構更加具有優越性。

［1］鋼與混凝土組合結構理論與實踐［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［2］鋼與混凝土組合結構設計原理［M］.北京：科學出版社，2005.

［3］型鋼混凝土組合結構技術規程［S］.JGJ138-2001.

［4］李云貴，邵弘.一個新的高層建筑結構空間有限元分析軟件SATWE［J］.建筑科學，1995，（2）：67-70.

TU375

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1671-3818（2016）09-0106-02