鋼—混凝土組合柱在超高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用★

游 杰 宋維舉 王肖巍 陳占鋒

(1.重慶大學(xué)城市科技學(xué)院，重慶 402167； 2.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)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(gòu)件所承受的荷載也隨之增大，傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)，在超高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較為廣泛[1-3]。

在組合結(jié)構(gòu)體系中的鋼—混凝土組合柱應(yīng)用較多的應(yīng)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(yōu)于單純的鋼筋混凝土柱，但二者在組合形式基本原理、計(jì)算方法以及構(gòu)造要求等多方面均存在很大差異，這也使得二者在實(shí)際應(yīng)用中存在許多不同點(diǎn)，需要結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)中加以注意[4-7]。現(xiàn)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(jié)構(gòu)，探討其不同組合的抗震性能優(yōu)劣，對(duì)超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

該工程位于重慶市渝中區(qū)，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(shù)93層，至屋頂高度468.00 m，至外構(gòu)架高度468.00 m。1層～63層標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.5 m，64層～93層標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.0 m。結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(wú)變化，從85層至93層由于建筑的收進(jìn)筒體變化為剪力墻結(jié)構(gòu)。核心筒外墻厚度在1 700 mm～1 000 mm范圍內(nèi)，內(nèi)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(cè)剛度和抗扭剛度。在地下5層～地上12層，結(jié)構(gòu)外圍周邊均勻布置20根框架柱；在12層～85層，結(jié)構(gòu)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(qiáng)度等級(jí)為C30～C70。由于建筑造型要求，在8層～13層采用了斜柱轉(zhuǎn)換進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 結(jié)構(gòu)方案

為研究不同柱截面形式對(duì)于結(jié)構(gòu)整體抗震性能以及經(jīng)濟(jì)性的影響，設(shè)置四個(gè)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)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(nèi))、結(jié)構(gòu)承受荷載相等的條件下進(jìn)行抗震性能對(duì)比，假設(shè)本工程的建筑功能、結(jié)構(gòu)基本尺寸，梁、板及核心筒剪力墻截面形式、材料強(qiáng)度及尺寸均不變。方案描述如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)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(yīng)用對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響

3.2.1 周期

周期在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)的剛度，通過(guò)彈性反應(yīng)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(jié)構(gòu)第一自振周期隨方案的變化曲線如圖1所示。

由各個(gè)方案的分析結(jié)果可知，4種設(shè)計(jì)方案的振型質(zhì)量參與系數(shù)均滿足大于90%的規(guī)定要求；第一扭轉(zhuǎn)周期和第一平動(dòng)周期的比值均小于規(guī)范0.85的限值[10]?？蚣苤孛娣桨覆煌瑫r(shí)，對(duì)本結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期略有影響，從方案2和方案3結(jié)果來(lái)看，部分配置型鋼混凝土柱的結(jié)構(gòu)與全部配置型鋼混凝土柱的結(jié)構(gòu)周期相差很小，方案2前3個(gè)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(cè)向剛度比

依據(jù)JGJ 3—2017高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第3.5.2條要求，對(duì)于框架—核心筒結(jié)構(gòu)樓層與相鄰上層的側(cè)向剛度比γ2不宜小于0.9；當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時(shí)，該比值不宜小于1.1；對(duì)結(jié)構(gòu)底部嵌固層，該比值不宜小于1.5[10]。

由圖2可知4種結(jié)構(gòu)方案計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。通過(guò)抗側(cè)剛度比的比較可以看出，方案4的抗側(cè)剛度稍大于其他三種方案，但相差很小。

3.2.3 頂點(diǎn)位移與層間位移角

圖3～圖6對(duì)4種設(shè)計(jì)方案在小震及風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)位移及層間位移角進(jìn)行比較。

1)頂點(diǎn)位移。

計(jì)算結(jié)果表明，4種方案的頂點(diǎn)位移數(shù)值相差不大，在地震或風(fēng)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(fēng)載作用下X向位移減少4.37 mm，Y向位移減少6.15 mm，相對(duì)于R6結(jié)構(gòu)的絕對(duì)頂點(diǎn)位移變化甚微。

地震作用與風(fēng)荷載下四種方案的頂點(diǎn)位移變化曲線見(jiàn)圖3,圖4。

2)層間位移角。

地震作用與風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)最大層間位移角變化曲線見(jiàn)圖5,圖6。

計(jì)算結(jié)果表明：小震作用下，4種結(jié)構(gòu)方案最大層間位移角均小于1/500，其中，風(fēng)載作用下，各方案的層間位移角均大于相應(yīng)地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角，其中，Y方向的風(fēng)荷載起控制作用。

3)剪力與傾覆力矩。

由于不同方案的區(qū)別在于柱的截面形式，結(jié)構(gòu)平面尺寸沒(méi)有改變，因此4種不同結(jié)構(gòu)方案在風(fēng)荷載作用下的基底剪力并無(wú)區(qū)別，圖7,圖8給出了4種結(jié)構(gòu)方案在地震作用下的基底剪力和彎矩對(duì)比。

從圖中可知，各豎向結(jié)構(gòu)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(fēng)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(fēng)荷載在兩個(gè)方向都起控制作用。方案1～方案4結(jié)構(gòu)基底剪力和底層傾覆力矩逐漸增大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)體系按此變化，結(jié)構(gòu)的總抗側(cè)剛度是增大的，其中采用全樓型鋼布置方案總側(cè)向剛度相對(duì)最大。

4)框架承擔(dān)的傾覆力矩比例及框架剪力對(duì)比。

通過(guò)分析結(jié)果可知，各豎向結(jié)構(gòu)體系布置方案中地震作用下框架柱所承擔(dān)的傾覆力矩和剪力的比例基本相同，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，地震下結(jié)構(gòu)各層框架柱傾覆力矩分擔(dān)比例的大小順序?yàn)椋悍桨?>方案3>方案2>方案1，結(jié)構(gòu)各層框架柱剪力分擔(dān)比例的大小順序?yàn)椋悍桨?>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(dān)比例相比其他三個(gè)方案最大，表明方案4結(jié)構(gòu)外圍框架柱的剛度相比最大。

4 結(jié)論

1)4種不同柱截面形式的結(jié)構(gòu)方案均能滿足小震作用下的抗震性能要求。

2)基于R6的結(jié)構(gòu)布置方案而言，內(nèi)筒面積占樓層平面面積的比例過(guò)大，具備了較大的抗側(cè)剛度，外框架作為二道防線，使得結(jié)構(gòu)彈性階段工作性能主要受控于內(nèi)筒，而內(nèi)筒在4種結(jié)構(gòu)方案中并未改變，因此，外框柱截面形式的改變對(duì)整體結(jié)構(gòu)周期、振型等動(dòng)力特性，以及地震響應(yīng)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(jié)構(gòu)，其承載能力和抗震性能略優(yōu)于其他三種結(jié)構(gòu)方案。