鋼管混凝土柱與鋼支撐組合結構設計分析

鄭國榮

(廈門上城建筑設計有限公司 福建廈門 361012)

0 引言

圓鋼管混凝土柱是理想的截面形式，外圈鋼管對內部混凝土約束(套箍作用)強，約束均勻，圓形截面柱各向同性，適合于復雜柱網、復雜連接的工程[2]。

鋼支撐結構是一種受力明確、較好的高層、超高層空間結構體系，鋼支撐能較好地協調周邊柱豎向構件，使他們在重力荷載下受力比較均勻；在水平荷載下都能較充分地發揮整體抗傾覆作用，同時斜撐又能較直接有效地吸收水平作用產生的水平剪力，從而能為整體高層結構提供非常有效的受力明確的側移剛度[1]。本文以廈門嘉晟國際高層辦公樓為例，介紹鋼管混凝土柱-鋼支撐組合結構體系的抗震分析與設計。

1 工程概況

嘉晟國際位于福建省廈門市思明區觀音山片區西南角，主樓地上28層，建筑高度124.200 m，地下室4層，埋深16.65 m,如圖1所示。總建筑面積為4.5萬m2，其中地下室建筑面積1.5萬m2，第4層及以下為商業用途，以上均為辦公用房。地下4層為停車庫及設備用房，其中地下室第四層兼做核人防。地下室第1層層高5.2 m，地下室第2,第3層層高為3.6 m，地下室第4層層高為3.7 m，首層高為4.5 m，第2層高5.5 m，第3層高5.0 m，第3層以上高4.2 m。

裙房平面呈正方形，長寬分別為41.9 m,45.6 m，五層以上平面為長方形，長寬比2.02，不計裙房的高寬比4.85。

該工程設計基準期為50年，結構的設計使用年限為50年。建筑結構的安全等級為二級，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度(0.15 g)，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第二組，結構采用阻尼比為0.03，地基基礎設計等級為甲級，基本風壓為0.8 kN/m2地面粗糙度為A類。

圖1 嘉晟國際效果圖

2 結構布置

框架柱采用圓鋼管混凝土柱，支撐體系外圍采用躍層的矩形鋼管支撐，內部采用人字形及X字形的矩形鋼管支撐，框架梁采用熱軋或焊接H型鋼與樓層桁架板組合形式。利用鋼支撐作為主要抗側力構件，圓鋼管混凝土柱主要承擔豎向荷載，鋼柱與鋼梁節點，鋼支撐與鋼管連接節點采用剛性連接，主次梁節點為鉸接。

由于電梯井和樓梯偏置，導致扭轉效應較明顯，為了控制整體扭轉效應，支撐布置時盡量加強軸的剛度，弱化軸?的剛度，此外在兩側各布置一道躍層的支撐，以加強結構弱軸的剛度及抗扭能力，具體平面布置及支撐立面布置如圖2～圖3所示。

圖2 標準層結構平面布置圖

圖3 支撐立面布置示意圖

按該方案布置支撐后，經YJK計算分析，結構的平動系數、扭轉系數及位移比具體數據如表1所示，經分析結構整體抗扭剛度較好，均能滿足規范要求。

表1 計算結果信息

3 基礎設計

根據工程地質條件，主樓底板標高處的土層均為中風化花崗巖，地基承載力特征值為3200kPa，由于底板坐落到巖層上面，主樓基礎采用天然基礎均能滿足地基承載力及變形要求。

該工程兩側設置躍層的支撐，在整體抗扭效果，及Y向抗側力上提供較大貢獻，支撐軸力大，與圓鋼管混凝土連接處，會對柱子有一個豎向的拉力分量。經計算分析在4個角柱位置柱底會出現拉力工況，該工況與水浮力工況組合下，對4個角柱進行抗浮驗算，通過在基礎范圍內設置巖層錨桿，滿足主樓局部抗浮及抗傾覆。

4 結構設計分析

4.1 柱腳設計

柱腳是結構中重要節點，其作用是將柱下端的軸力、彎矩和剪力傳遞給基礎，使鋼柱與基礎有效地連接在一起，確保上部結構承受各種外力作用。根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)[3]8.3.8條，鋼結構的剛接柱腳宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超過50m時也可采用外露式；這里的剛接柱腳應指結構設計的嵌固端，對有地下室的結構，一般為地下室頂板。

該工程地下室四層，結構嵌固端為地下室頂板，圓鋼管混凝土柱直通地下室到基礎，在結構設計的嵌固端位置確保剛性連接，滿足規范相應要求，則在基礎位置柱腳形式可采用其他形式。

基礎持力層為中風化花崗巖，基礎開挖難度大，選擇柱腳形式以盡量減少基礎開挖深度為優先選擇，以提高施工進度。由于鋼管柱在嵌固端位置為剛性連接，則在基礎位置可不采用埋入式基礎；由于地下室建筑功能的限制，采用外包式影響地下室車位使用。綜上采用端承式柱腳，為了減少外露端板對車位的影響，采用局部半埋入端承式柱腳，柱腳做法如圖4所示。

圖4 鋼管柱端承式做法

4個角柱位置。由于兩側兩榀大支撐引起的圓鋼管柱偏拉，為了使圓鋼管混凝土柱與基礎連接為整體，對偏拉的圓鋼管柱采用埋入式柱腳，柱腳做法見圖5所示。

圖5 鋼管柱埋入式做法

4.2 鋼支撐水平分力在地下室的傳遞

《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)8.1.9條設置地下室時，框架-支撐結構中豎向連續布置的支撐應延伸至基礎；《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ99-2015)[4]3.3.6條抗震設計的框架-支撐結構中，支撐宜沿建筑高度豎向連續布置，并應延伸至計算嵌固端。由于該工程有4層地下室，結構嵌固端為地下室頂板(剪切剛度比見表2，剪切剛度比小于0.5，滿足嵌固要求)，鋼支撐延伸至基礎頂，整體工期長，且與混凝土基礎連接做法復雜，由于鋼支撐主要承擔水平剪力，鋼支撐水平剪力主要在結構嵌固端地下室頂板和負一層通過周圍的框架梁及樓板系統傳遞到地下室周邊，負二層及以下樓層傳遞的水平剪力比例很少。

基于以上分析，綜合考慮規范要求，且為使地下室的結構施工更加簡單，也為了便于與建筑布置協調，塔樓上部鋼支撐延伸至計算嵌固端下一層，即塔樓上部的鋼支撐到地下室負一層以后不再往地下室延伸。

在設計負一層型鋼梁時，與鋼支撐連接位置的型鋼梁截面，由鋼支撐軸力在水平方向等效水平力，全部有型鋼梁承擔，來確定型鋼梁截面，不考慮樓板抗拉能力及地下室頂板有傳遞水平剪力的有利作用，鋼梁的拉力復核見表3。其余位置的型鋼梁截面，按樓板定位為彈性板6，來相應考慮鋼支撐的水平力對框架梁的影響；鋼支撐與鋼管柱，型鋼梁連接受力簡圖如圖6所示。

表2 剪切剛度比

圖6 支撐節點受力分析簡圖

表3 鋼支撐相連位置鋼梁截面復核

4.3 復雜節點三維有限元分析

該工程采用有限元軟件Midas FEA對多個關鍵節點進行有限元應力分析，鋼材的本構關系采用Von Mises模型，混凝土采用三維實體單元模擬。在節點細部模型中，在每個桿端的截面形心處建立一個節點，作為節點，并采用剛性連接方式，將此節點與截面上的其他所有節點進行主從剛性約束，以保證傳力的準確性。

在確定節點的分析尺寸時，根據圣維南原理(影響范圍一般1～2倍構件尺寸范圍)，邊界約束將造成局部應力集中，影響分析結果判斷，因此應盡可能將邊界設置在遠離分析的區域，本此節點分析尺寸按3倍左右構件尺寸取值。

圖7所示為角柱與支撐的交接節點，從圖8可知，斜撐與鋼管壁的連接位置鋼管壁最大MISES應力約110N/mm2，整體上節點承載力均滿足規范要求。且通過分析斜撐對應的鋼管柱位置設置了內加強環，斜撐與鋼管柱連接位置應力，通過內加強環均勻傳遞，而保證鋼管壁應力不超過鋼材強度。

圖7 支撐與鋼管柱連接節點三維模型

圖8 支撐與鋼管柱連接節點應力圖

4.4 第二層樓面開洞對結構側向剛度的影響

該工程由于建筑使用功能的要求，第二層樓板(圖9)有較大面積的開洞，加之其層高較高(第一、二、三、四層的層高分別為4.5 m、5.5 m、5.0 m、4.2 m)，對結構的側向剛度有一定程度的削弱。圖10為第三層結構平面圖，為比較準確地反映這一區域的側向剛度，在結構設計中采用了以下兩種不同的方式來考慮二層對側向剛度的貢獻[5]。

圖9 二層結構平面

圖10 三層結構平面

(1)仍將第二層視為一個結構層看待，此時各層側移剛度見表4。

(2)由于第二層樓板開洞面積已接近70%，也可僅將第二層視為一個夾層，而將第三層作為第二層結構層(以下簡稱二+三層)，其層高為4.5+5.5=10m。此時第二層由于為部分框架柱提供了中間支撐點，仍對二+三層的抗側剛度有貢獻。按合并后的2+3層計算各層側移剛度見表15.5-2 (層側移剛度計算方式為地震下層剪力/平均層間位移)。

綜上所述，無論是否將第二層視為一個結構層看待，二、三層的側向剛度均大于或約等于相鄰上一層側向剛度的70%，及其上相鄰3個樓層側向剛度平均值的80%，滿足“抗規”(《建筑抗震設計規范》)3.4.2條側向剛度規則性要求。結合樓層位移曲線，層剪力曲線在該部分光滑無突變，可認為二層具有足夠的抗側剛度。(表中K代表本層側移剛度與上一層側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中之較小值)

表4 側移剛度比

5 結論

本文以具體工程為例對圓鋼管混凝土柱-鋼支撐結構體系的一些結構布置，設計難點進行歸納分析如下：

(1)高層辦公樓采用偏置筒體布置，通過周邊支撐的布置及加強側向及扭轉剛度，扭轉效應得到了有效控制。偏置筒體及辦公空間交界處框架中采用偏心支撐框架，既有利于與建筑及機電專業的協調，也加強了該處的抗側剛度。

(2)有多層地下室時，設計嵌固端在地下室頂板或負一層時，圓鋼管混凝土柱可采用半埋入端承式柱腳，減少基礎高度，提高施工進度及經濟性。

(3)為了簡化地下室施工難度，鋼支撐延伸至負一層后就不在延伸至基礎頂，鋼支撐的軸力有本層的位置的鋼梁及樓板組成的系統傳到周圍，在滿足建筑的功能條件下，在支撐的下部位置增設混凝土剪力墻，也能更好地傳遞水平剪力。

(4)復雜節點的有限元分析考慮了材料的非線性等，分析表明，節點應力滿足規范要求。