某超高層大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳建華

1 概述

筒體結(jié)構(gòu)是由豎向筒體為主組成的承受豎向和水平作用的高層建筑結(jié)構(gòu)。筒體結(jié)構(gòu)主要包含以下兩種：

（1）筒結(jié)構(gòu)：由核心筒與外圍框筒組成的高層建筑結(jié)構(gòu)。（2）框架一核心筒結(jié)構(gòu)：由核心筒與外圍的稀柱框架組成的高層建筑結(jié)構(gòu)?？蚣芤缓诵耐步Y(jié)構(gòu)周邊柱子的柱距比較大，一般為8m～12m，它和沿周邊的梁構(gòu)成了外框架，中間為電梯井、樓梯間、管道井等構(gòu)成的核心筒，受力特點(diǎn)類似框架一剪力墻。某大廈為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，由一棟30層寫字樓、2層商業(yè)附樓和3層地下室組成，占地面積13800m2，總建筑面積45146m2，屋面結(jié)構(gòu)高度達(dá)131.60m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體構(gòu)思

2.1 結(jié)構(gòu)類型

本工程采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，雖然其結(jié)構(gòu)承載能力和抗變形能力比筒中筒結(jié)構(gòu)差，但避免了結(jié)構(gòu)堅(jiān)向抗側(cè)力構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，滿足了建筑立面效果和使用要求。為解決建筑首層層高10.0m、結(jié)構(gòu)高度超限及減小柱截面等問題，下部若干層采用鋼管混凝土組合柱，樓蓋采用現(xiàn)澆普通鋼筋混凝土梁板體系。

承載力和水平位移時，基本風(fēng)壓均按重現(xiàn)期為100年的0.65kN/m2取值。由于結(jié)構(gòu)側(cè)向位移不滿足限值要求，在第30層利用建筑避難層，設(shè)置了鋼筋混凝土桁架的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層是一把利刃劍，雖然可提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，也使得結(jié)構(gòu)豎向剛度突變，所以結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層及相鄰層按《高規(guī)》要求進(jìn)行了加強(qiáng)處理。

2.2 超限措施

本工程結(jié)構(gòu)平面形狀規(guī)則、剛度和承載力分布均勻，豎向體型也規(guī)則和均勻、結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件上下連續(xù)貫通（見圖示1），除結(jié)構(gòu)高度超過適用限值外，其它指標(biāo)通過調(diào)整后均達(dá)到未超限。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超限、而且首層層高10.0m，超限應(yīng)對措施把首層及下部若干層的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件作為加強(qiáng)的重點(diǎn)：1～15層框架柱采用鋼管混凝土組合柱（鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 CECS188：2005）、1～2 層核心筒剪力墻四角附加型鋼暗柱、首層抗震等級提高一級。鋼管混凝土有著卓越的承載能力和變形能力，但其防腐和防火材料不僅造價較高還有時效性，需考慮今后的維修保養(yǎng)，鋼管混凝土疊加合柱及鋼管混凝土組合柱可彌補(bǔ)這方面的缺陷。核心筒剪力墻四角附加型鋼暗柱，以解決由于首層層高較大，使得剪力墻端部應(yīng)力集中的問題，并提高剪力墻的承載能力和抗變形能力。

3 鋼管混凝土組合柱的梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在建筑工程中往往僅在框架柱中采用鋼管混凝土，而框架梁則采用普通鋼筋混凝土，鋼管混凝土柱和鋼筋混凝土梁的連接節(jié)點(diǎn)成為工程中難點(diǎn)之一。目前常用的連接點(diǎn)有：鋼牛腿法、雙梁法、環(huán)梁法、鋼管開大洞后補(bǔ)強(qiáng)法及純鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)法等，本工程采用在鋼管上開穿鋼筋小孔的連接節(jié)點(diǎn)，為連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供多一種選擇。

3.1 鋼管開小孔的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造（見圖示2）

鋼管上開穿鋼筋小孔的連接節(jié)點(diǎn)做法要點(diǎn)如下：（1）鋼管開小孔：小孔直徑D=鋼筋直徑+10mm，小孔水平間距×D，小孔垂直間距=2×D。（2）鋼管水平加強(qiáng)環(huán)：梁頂面和梁底面各設(shè)置一道，環(huán)板寬度：鋼管混凝土柱時，取0.10倍鋼管直徑、鋼管混凝土疊合柱時，取65～100mm；環(huán)板厚度=0.5t且≥16mm（t為鋼管壁厚）。（3）鋼管豎向短加勁肋：緊貼水平加強(qiáng)環(huán)，肋寬=環(huán)板寬-15mm，肋厚=環(huán)厚，長度為200mm，布置在梁開孔部位的兩側(cè)和中間。（4）梁鋼筋盡量采用直徑較大的HRB400級鋼筋，以減少鋼管開孔數(shù)量。在鋼管混凝土疊合柱時，部分梁鋼筋可以在鋼筋混凝土柱區(qū)域穿過。

3.2 鋼管開小孔連接節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）鋼管開小孔后對鋼管截面削弱不大，梁鋼筋穿過小孔后剩余的縫隙很小，鋼管對管芯混凝土的約束力基本沒減少，不影響鋼管混凝土柱的承載能力和變形能力。（2）梁鋼筋直接穿過鋼管后，梁可以可靠的傳遞內(nèi)力，梁長范圍內(nèi)的剛度保持不變，結(jié)構(gòu)受力分析與實(shí)際相同。（鋼牛腿法和鋼管開大洞后補(bǔ)強(qiáng)法，在梁端范圍內(nèi)有相當(dāng)長度的型鋼，使得梁剛度急劇變化）。（3）在設(shè)置水平加強(qiáng)環(huán)和豎向短加勁肋補(bǔ)強(qiáng)后，鋼管在節(jié)點(diǎn)區(qū)是連續(xù)的，節(jié)點(diǎn)的剛性不受影響，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求。（4）現(xiàn)場施工較方便，即使圓弧梁鋼筋也可順利穿過。（5）節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)所用材料比鋼牛腿法和鋼管開大洞法減少很多，造價較低。

為進(jìn)行鋼管開小孔后分析研究，1996年鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)協(xié)會做了1：5模型的四組共九個試件模型試驗(yàn)，并通過多個工程實(shí)踐證實(shí)該方法的可靠性和可行性。

4 剪力墻平面外對梁端嵌固作用的分析

對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，部分框架梁要支撐在剪力墻平面外方向，剪力墻平面外對梁端嵌固作用空間如何，其研究較少，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也沒有涉及。影響剪力墻平面外對梁端嵌固作用主要因素：墻平面外對梁端嵌固作用的有效長度、墻線風(fēng)度與梁線剛度之比和墻在該層的軸壓力等等。目前常用的分析軟件雖然具有墻平面外剛度分析功能，但未考慮墻平面外對梁端嵌固作用的有效長度，當(dāng)遇到墻肢很長或筒子體墻肢空間風(fēng)度很大情況時，計(jì)算分析軟件會高估了墻平面外對梁端的嵌固作用，使得梁端負(fù)彎矩計(jì)算值要大于實(shí)際值，本工程應(yīng)對措施如下：

采用梁端增加水平腋方法，用以直接增加墻平面外對梁端嵌固作用有效長度。

采用增加墻邊框梁方法（見圖示3），用以增加平面外對梁端嵌固的局部剛度。墻邊框梁截面寬度應(yīng)不小于0.4倍梁縱筋錨固長度，墻邊框架梁截面高度應(yīng)大于樓面截面高度，為保證梁端剪力通過墻邊框梁均勻傳遞到墻上，墻邊框梁寬出墻厚處用斜角過渡。

為保證梁正截面設(shè)計(jì)更加條例實(shí)際受力情況，梁端計(jì)算彎矩可以采用“調(diào)幅再調(diào)幅”方法，即分析計(jì)算時設(shè)定梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)后，配筋時再局部手算調(diào)幅。“調(diào)幅再調(diào)幅”時，應(yīng)考慮構(gòu)件的剛度、內(nèi)力重分布的充分性、裂縫的開展及變形滿足使用要求。

5 核心筒外墻的連梁設(shè)計(jì)

核心筒外墻的連梁縱筋計(jì)算超筋是非常普遍的情況，《高規(guī)》對連梁超筋有專門的處理措施，而且研究文獻(xiàn)也不少，但計(jì)算模型的選取也是重要因素之一?！陡咭?guī)》規(guī)定，跨高比小于5時按連梁考慮，即連梁屬于深彎梁和深梁的范疇，其正截面承載力計(jì)算時，已不能按桿系考慮，也就是已不符合平截假定，但許多分析軟件仍然把連梁按桿系計(jì)算，其計(jì)算偏差當(dāng)然是很大了。按“強(qiáng)墻弱梁”和“強(qiáng)剪弱彎”原則進(jìn)行連梁設(shè)計(jì)時，雖然《高規(guī)》對連梁設(shè)計(jì)有具體要求，但這個“弱”要到什么程度，還是取決于設(shè)計(jì)者的理解和經(jīng)驗(yàn)。本工程核心筒外墻的連梁按《高規(guī)》要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，除連梁均配置了交叉暗撐外，對非底部加強(qiáng)部位剪力墻的邊緣構(gòu)件也進(jìn)行了加強(qiáng)處理，以滿足“多道抗震防線”和“強(qiáng)墻弱梁”的要求。

6 結(jié)語

（1）鋼管混凝土疊合柱及鋼管混凝土組合柱有卓越的承載能力和變形能力，還可彌補(bǔ)鋼管混凝土柱的防腐和防火材料造價較高及時效性方面的缺陷。（2）鋼管按一定的構(gòu)造要求開穿鋼筋小孔，對鋼管截面損傷不大，梁鋼筋直接穿過鋼管，使得梁內(nèi)力可以可靠的傳遞適當(dāng)設(shè)置水平加強(qiáng)環(huán)和豎向短加勁肋，鋼管混凝土柱的承載能力和變形能力不會降低，節(jié)點(diǎn)剛性得以保證。模型試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)該方法的可靠性，工程實(shí)踐已經(jīng)證實(shí)該方法的可行性。大大節(jié)約梁柱節(jié)點(diǎn)所用鋼材，施工方便。（3）影響剪力墻平面外對染端嵌固作用的主要因素：墻平面外對梁端嵌固作用有效長度、墻線剛度與梁線剛度之比和墻在該層的軸壓力等等。為加強(qiáng)墻平面外對梁端嵌固作用，可采取梁端水平加腋法、增加墻邊框梁方法，梁端彎矩可采用“調(diào)幅再調(diào)幅”方法。（4）連梁屬于深彎梁和深梁的范疇，正截面承載力計(jì)算時，不能按桿系模型計(jì)算。

[1]張有宏.復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).中國勘察設(shè)計(jì).