高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

□文/王躍輝

工程概況

天津市腫瘤科學(xué)研究中心坐落于賓水道與衛(wèi)津南路交口，地下3層，地上25層，建筑物主體為住院樓，裙房為研究中心，地下建筑為人防、設(shè)備用房及汽車庫。

地下各層高度為地下3層4.5 m，地下2層4.0 m，地下1層5.4 m；地上高度110 m，建筑面積91 000 m2。

工程為高層建筑，天津市屬于高烈度地震區(qū)，設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.15g，場地Ⅲ～Ⅳ類，地震作用強(qiáng)烈。因此結(jié)合建筑使用功能及結(jié)構(gòu)特點等采用框架―剪力墻結(jié)構(gòu)體系，但對框架選擇何種體系是關(guān)鍵問題，它必須具有較強(qiáng)的抗震性能，成本低，技術(shù)先進(jìn)的結(jié)構(gòu)體系。按材料劃分可選擇：純鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

其中純鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)成本較高，未采用。針對選擇型鋼混凝土柱框架結(jié)構(gòu)還是鋼筋混凝土柱框架結(jié)構(gòu)，需要從結(jié)構(gòu)性能、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)、建筑使用功能等方面進(jìn)行深入比較研究。

2 種結(jié)構(gòu)方案概況

鋼管混凝土疊合柱框架柱結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土疊合柱（以下簡稱“疊合柱”）結(jié)構(gòu)是一種新型建筑結(jié)構(gòu)，是由截面中部鋼管混凝土和鋼管外鋼筋混凝土疊合而成的柱。疊合柱可為方形截面、矩形截面或圓形截面。疊合柱的內(nèi)外組成部分可不同期施工，也可同期施工。不同期施工是指，先澆注管內(nèi)混凝土形成鋼管混凝土柱，承受部分施工期間的豎向荷載，后澆注管外混凝土。同期施工是指，同時澆注管內(nèi)混凝土和管外混凝土。同期施工的疊合柱可稱組合柱。

疊合柱的主要優(yōu)點如下。

（1）鋼管內(nèi)澆注高強(qiáng)混凝土，鋼管的約束作用使鋼管內(nèi)澆注混凝土的抗壓強(qiáng)度大幅度提高且不會發(fā)生脆性破壞。鋼管混凝土位于截面中部，可以充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土承壓能力高的優(yōu)勢，從而減少柱的截面尺寸、增大建筑的使用空間。

（2）作用在疊合柱截面上的軸向壓力，按軸向剛度分配給鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土。鋼管混凝土的軸向剛度隨其軸心受壓承載力的提高而提高。對同期施工的疊合柱，由于鋼管內(nèi)高強(qiáng)混凝土的彈性模量提高、承載力大，承擔(dān)的軸壓力大于按截面面積比例分配的軸壓力。對不同期施工的疊合柱，澆注鋼管外混凝土?xí)r，鋼管內(nèi)混凝土已經(jīng)承受了一部分軸壓力，疊合后，剩余部分的軸壓力按軸向剛度分配給鋼管混凝土和鋼管外的鋼筋混凝土。管內(nèi)外混凝土強(qiáng)度差別越大，鋼管混凝土的套箍指標(biāo)越大；鋼管內(nèi)混凝土分擔(dān)的軸壓力的比值越高，鋼管外鋼筋混凝土分擔(dān)的比值越小。

（3）截面中部的鋼管混凝土提高了柱的抗剪承載力。

（4）鋼管混凝土提高了節(jié)點核芯區(qū)的抗剪承載力，可簡化核芯區(qū)構(gòu)造，方便施工。

（5）在軸壓力和往復(fù)水平力作用下，由于鋼管混凝土的存在，延長了疊合柱從屈服到破壞的過程，提高了柱端塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力，使疊合柱具有良好的延性和耗能能力。

（6）鋼管內(nèi)和鋼管外都有混凝土，鋼管壁不會發(fā)生屈曲。

（7）鋼管外的混凝土可起到防火作用。

鋼筋混凝土柱結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造價低且材料來源豐富，可澆注成各種復(fù)雜斷面形狀，鋼材用量少，而承載力也不低，側(cè)向剛度大，整體澆注的連接點可靠，抗震性能雖不如純鋼結(jié)構(gòu)，但經(jīng)過合理設(shè)計也可獲得較好的抗震性能。但其缺點是構(gòu)件斷面大，占據(jù)室內(nèi)空間多，因而減少使用面積，自重大，從而基礎(chǔ)用材更多，導(dǎo)致基礎(chǔ)造價增高。

2 種方案比較

構(gòu)件尺寸

本工程擬采用主要構(gòu)件尺寸見表1和表2。

表1 鋼管混凝土疊合柱尺寸 mm

表2 鋼筋混凝土柱尺寸 mm

地震反應(yīng)譜

2種結(jié)構(gòu)方案地震反應(yīng)譜分析主要結(jié)果見表3。

表3 地震反應(yīng)譜分析

結(jié)論

（1）采用鋼管混凝土疊合柱較為經(jīng)濟(jì)，比采用鋼混凝土柱可節(jié)約混凝土10%左右，節(jié)約成本，降低造價。

（2）鋼管混凝土疊合柱截面較小，約為鋼筋混凝土柱截面的50%左右，增加了建筑使用面積。

（3）2種結(jié)構(gòu)體系分別與鋼筋混凝土剪力墻共同工作，在地震荷載作用下，最大層間位移相近，都能滿足規(guī)范的要求。

（4）鋼管混凝土疊合柱軸向受力性能好，承載力高，抗震延性性能具有明顯的優(yōu)勢，因此在高烈度地震區(qū)應(yīng)用較為適宜。

（5）鋼管混凝土疊合柱截面尺寸小可以避免形成短柱。

因此，經(jīng)研究，天津市腫瘤科學(xué)研究中心最后采用鋼管混凝土疊合柱框架―剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

[1]CECS188：2005，鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].