鋼—混凝土組合柱在超高層結構中的應用★

游 杰 宋維舉 王肖巍 陳占鋒

(1.重慶大學城市科技學院，重慶 402167； 2.河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038)

1 概述

隨著建筑物高度的不斷增加，超高層建筑的縱向受力構件所承受的荷載也隨之增大，傳統的鋼筋混凝土柱難以滿足承載要求，而鋼—混凝土組合柱具有承載力高、抗震性能好、施工方便等諸多優點，在超高層建筑結構中的應用較為廣泛[1-3]。

在組合結構體系中的鋼—混凝土組合柱應用較多的應該是型鋼混凝土和鋼管混凝土，兩種組合柱的受力性能均優于單純的鋼筋混凝土柱，但二者在組合形式基本原理、計算方法以及構造要求等多方面均存在很大差異，這也使得二者在實際應用中存在許多不同點，需要結構工程師在設計中加以注意[4-7]。現以疊合鋼管混凝土柱和型鋼混凝土柱為例，基于某超高層建筑結構，探討其不同組合的抗震性能優劣，對超高層結構設計提供參考。

2 工程概況

該工程位于重慶市渝中區，塔樓總建筑面積為133 225.48 m2。其中地下部分共5層，高度24 m，地上塔樓層數93層，至屋頂高度468.00 m，至外構架高度468.00 m。1層～63層標準層層高為4.5 m，64層～93層標準層層高為4.0 m。結構體系為混凝土框架—核心筒，外框架柱采用型鋼混凝土柱，核心筒位于塔樓的中心，為邊長27.8 m×27.8 m的矩形鋼筋混凝土筒，核心筒從地下5層至地上84層沿高度無變化，從85層至93層由于建筑的收進筒體變化為剪力墻結構。核心筒外墻厚度在1 700 mm～1 000 mm范圍內，內墻厚度在1 100 mm～300 mm范圍之間，隨著高度增加墻厚逐漸減小，鋼筋混凝土連梁連接相鄰墻肢，形成閉合的核心筒外墻，從而為塔樓提供主要的抗側剛度和抗扭剛度。在地下5層～地上12層，結構外圍周邊均勻布置20根框架柱；在12層～85層，結構外圍周邊均勻布置36根框架柱。在地下5層～地上70層采用鋼骨混凝土柱，框架柱和型鋼截面尺寸均逐漸減小。在柱與柱之間，以及柱與核心筒之間布置足夠剛度的框架梁。柱混凝土強度等級為C30～C70。由于建筑造型要求，在8層～13層采用了斜柱轉換進行設計。

3 結構設計方案

3.1 結構方案

為研究不同柱截面形式對于結構整體抗震性能以及經濟性的影響，設置四個結構方案進行對比分析，各方案在整樓用鋼量保持一致(各方案用鋼量偏差保證在5%以內)、結構承受荷載相等的條件下進行抗震性能對比，假設本工程的建筑功能、結構基本尺寸，梁、板及核心筒剪力墻截面形式、材料強度及尺寸均不變。方案描述如表1所示。

表1 設計方案

各方案框架柱的主要截面尺寸及位置如表2所示。

表2 框架柱的主要截面尺寸

3.2 分段框架柱的應用對結構性能影響

3.2.1 周期

周期在一定程度上反映了結構的剛度，通過彈性反應譜分析得到四種方案的基本周期，方案1為8.319 6 s，方案2為8.313 4 s，方案3周期為8.321 6 s，方案4周期為8.292 2 s，4種結構第一自振周期隨方案的變化曲線如圖1所示。

由各個方案的分析結果可知，4種設計方案的振型質量參與系數均滿足大于90%的規定要求；第一扭轉周期和第一平動周期的比值均小于規范0.85的限值[10]。框架柱截面方案不同時，對本結構的振動周期略有影響，從方案2和方案3結果來看，部分配置型鋼混凝土柱的結構與全部配置型鋼混凝土柱的結構周期相差很小，方案2前3個振型的周期均小于方案4，最大相差0.008 8 s，為方案2周期的0.106%。

3.2.2 側向剛度比

依據JGJ 3—2017高層建筑混凝土結構技術規程第3.5.2條要求，對于框架—核心筒結構樓層與相鄰上層的側向剛度比γ2不宜小于0.9；當本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1；對結構底部嵌固層，該比值不宜小于1.5[10]。

由圖2可知4種結構方案計算結果均滿足規范要求。通過抗側剛度比的比較可以看出，方案4的抗側剛度稍大于其他三種方案，但相差很小。

3.2.3 頂點位移與層間位移角

圖3～圖6對4種設計方案在小震及風荷載作用下的頂點位移及層間位移角進行比較。

1)頂點位移。

計算結果表明，4種方案的頂點位移數值相差不大，在地震或風載作用下，方案4位移值均為最小，與方案2相比，地震作用下X向減少了1.08 mm，Y向減少2.67 mm，風載作用下X向位移減少4.37 mm，Y向位移減少6.15 mm，相對于R6結構的絕對頂點位移變化甚微。

地震作用與風荷載下四種方案的頂點位移變化曲線見圖3,圖4。

2)層間位移角。

地震作用與風荷載下結構最大層間位移角變化曲線見圖5,圖6。

計算結果表明：小震作用下，4種結構方案最大層間位移角均小于1/500，其中，風載作用下，各方案的層間位移角均大于相應地震作用下結構的層間位移角，其中，Y方向的風荷載起控制作用。

3)剪力與傾覆力矩。

由于不同方案的區別在于柱的截面形式，結構平面尺寸沒有改變，因此4種不同結構方案在風荷載作用下的基底剪力并無區別，圖7,圖8給出了4種結構方案在地震作用下的基底剪力和彎矩對比。

從圖中可知，各豎向結構體系布置方案中地震作用下X向、Y向樓層剪力和樓層傾覆力矩分布基本一致，風荷載引起底層剪力、傾覆力矩在X向和Y向都大于小震作用工況，可以看成風荷載在兩個方向都起控制作用。方案1～方案4結構基底剪力和底層傾覆力矩逐漸增大，說明結構體系按此變化，結構的總抗側剛度是增大的，其中采用全樓型鋼布置方案總側向剛度相對最大。

4)框架承擔的傾覆力矩比例及框架剪力對比。

通過分析結果可知，各豎向結構體系布置方案中地震作用下框架柱所承擔的傾覆力矩和剪力的比例基本相同，通過數據對比可知，地震下結構各層框架柱傾覆力矩分擔比例的大小順序為：方案4>方案3>方案2>方案1，結構各層框架柱剪力分擔比例的大小順序為：方案4>方案3>方案2>方案1，方案4各層框架柱X向、Y向傾覆力矩和剪力分擔比例相比其他三個方案最大，表明方案4結構外圍框架柱的剛度相比最大。

4 結論

1)4種不同柱截面形式的結構方案均能滿足小震作用下的抗震性能要求。

2)基于R6的結構布置方案而言，內筒面積占樓層平面面積的比例過大，具備了較大的抗側剛度，外框架作為二道防線，使得結構彈性階段工作性能主要受控于內筒，而內筒在4種結構方案中并未改變，因此，外框柱截面形式的改變對整體結構周期、振型等動力特性，以及地震響應特征影響不大。

3)在全樓含鋼量相同的前提下，底部配置鋼管混凝土疊合柱、上部配置型鋼混凝土柱的結構，其承載能力和抗震性能略優于其他三種結構方案。