某超高层结构体系选择探讨.pdf

图 1典型建筑平面图 訳 办公层 訴 酒店层 1工程概况 某工程地处杭州钱江新城， 为集高级办公、 高级 酒店为一体的综合项目， 地上 58 层， 其中底部 40 层 为办公用房， 4144 层为酒店大堂及其配套设备用 房， 45 层以上为酒店区， 屋顶标高 249.5m， 屋顶构架 标高 260.0m， 属超限高层建筑。 地下室 3 层， 为停车 库及设备用房； 办公层层高 4.2m， 酒店层层高 3.8m。 典型建筑平面如图 1 所示。 本工程抗震设防烈度为 6 度、 Ⅲ类场地， 设计地 震分组为第一组， 设计基本地震加速度值为 0.05g， 特 征周期0.45s， 100 年基本风压 0.5kN m2， 地面粗糙度 为 C 类。 2结构体系初步选择 2.1建筑平、 立面特点 本项目平面基本为长方形， 长48.3m、宽45.3m， 结 构高宽比约 5.2， 核心筒高宽比约 10.6， 核心筒面积 占整个平面的 30。 立面上， 结构高度 达 250m， 顶部 1 4 为酒店， 由于建筑 功能要求， 酒店层在东面整体收进一跨， 收进后的水平尺寸为下部楼层的 0.81 倍0.75，仍属于规范规定的竖向收进 的规则范围［12］。 2.2结构抗侧力体系选择 核心筒结合建筑中部电梯间布置 贯通落地剪力墙， 同时充分利用筒内部 楼、 电梯隔墙布置相对较薄的剪力墙， 这样既有利于建筑功能分隔要求， 又 某超高层结构体系选择探讨 陈 方 （广州容柏生建筑结构设计事务所广州 510170 ） 摘要 介绍某超高层结构体系选型过程， 对钢框架-核心筒与混凝土框架-核心筒结构体系进行了深入分析探讨， 并重点 对钢框架-核心筒结构设置加强层和加强楼面梁与外框架刚接连接方案进行对比分析。结果表明， 本工程由于风荷载和地震作 用相对较小， 核心筒较大， 能提供较好的结构抗侧刚度， 采用仅加强楼面梁与外框架刚接连接方法更符合结构抗震概念设计方 向， 可为类似工程提供参考。 关键词 超高层；框架-核心筒；结构体系；加强层 S t r u c t u r a lS y s t e m S e l e c t i o nf o rU l t r aH i g h - r i s eB u i l d i n g C h e nF a n g （R B SA r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n gD e s i g nA s s o c i a t e s G u a n g z h o u5 1 0 1 7 0 ， C h i n a ） A b s t r a c t I nt h i s p a p e r ， t h es t r u c t u r a l s y s t e ms e l e c t i o nm e t h o do f t h eu l t r ah i g h - r i s eb u i l d i n gw a si n t r o d u c e d . S t e e l f r a m ea n dc o n c r e t ef r a m e c o r et u b es t r u c t u r ew e r ed e e p l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d .A n dt h ek e yt ot h es t e e lf r a m ec o r et u b es t r u c t u r ew i t ht h es t r e n g t h e nl a y e ra n d s t r e n g t h e nf l o o r b e a m s a n df r a m er i g i dc o n n e c t i o ns c h e m ew e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d . T h er e s u l t s s h o wt h a t b e c a u s et h ew i n dl o a da n de a r t h - q u a k ee f f e c t i sr e l a t i v e l ys m a l l ， t h ec o r et u b ei sl a r g e r ， c a np r o v i d ee f f e c t i v el a t e r a l s t i f f n e s st os t r u c t u r e ， t h eo n l ys t r e n g t h e nt h ef l o o r b e a m sa n d f r a m er i g i dc o n n e c t i o ns c h e m et h a t i s m o r es u i t a b l ef o r s e i s m i cc o n c e p t d e s i g n . S oi t m a yp r o v i d eab e n e f i c i a l r e f e r e n c et os i m i l a r p r o j e c t s . K e y w o r d s h i g h - r i s es t r u c t u r e ；f r a m e - c o r ew a l l s t r u c t u r e ；s t r u c t u r a l s y s t e m ；t h es t r e n g t h e nl a y e r 广东土木与建筑 GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2014 年 3 月 第 3 期 MAR 2014 No．3 图 2结构方案示意图 訳 方案 1訴 方案 2 陈 方某超高层结构体系选择探讨 提高了建筑平面使用效率， 且易于发挥核心筒承重、 抗侧力作用。本塔楼由于建筑功能需要， 核心筒面 积较大， 可提供很好的结构抗侧刚度， 核心筒选用经 济常规的钢筋混凝土核心筒。 外框柱距 912m， 较好地满足了建筑办公和酒 店的使用要求。框架柱以承受竖向荷载为主并提供 部分抗侧刚度， 其截面从结构竖向承载力出发， 圆钢 管混凝土柱的竖向承载力效率最高， 但鉴于办公及 酒店的功能要求， 建筑希望采用方形或矩形柱， 以方 便室内设计、 家具摆放和空间利用； 钢筋混凝土柱由 于柱截面太大， 占用太多建筑使用面积而首先放弃。 因此外框柱拟采用方钢管混凝土柱或钢骨混凝土 柱,相应地本塔楼可采用钢结构框架、 钢筋混凝土框 架两种方案。结构体系分别为钢框架-钢筋混凝土 筒体结构 （方案 1 ） 和钢筋混凝土框架-核心筒结构 （方案 2 ） 。两种结构体系具体对比分析如下 ［方案 1］ 办公区和酒店区的框架采用方钢管混 凝土柱和钢梁的结构形式；核心筒区域采用钢筋混 凝土楼盖、 外框架部分采用钢梁-混凝土楼板组合楼 盖； 钢框架梁在与核心筒相连处采用铰接连接， 在外 框架柱之间采用刚性连接。同时为保证结构具有足 够的抗侧刚度， 方案 1 还考虑利用建筑避难层设置 2 道结构加强层，每层 X、 Y 向各设 2 道伸臂桁架， 并设置周边腰桁架， 如图 2a 所示。 该方案的优点在于外框柱为钢管混凝土柱， 有 良好的抗震延性和明确的抗震防线， 施工速度快， 自 重轻， 建筑使用效率较高， 是本工程较为理想的结构 形式； 缺点是建造成本相对较高。 ［方案 2］ 办公区框架采用钢骨混凝土柱和钢筋 混凝土梁的形式； 酒店区为配合其客房的使用要求， 避免在 200m 高空中进行竖向构件结构转换， 必须采 用方钢管柱和钢梁的结构形式。办公区各层楼盖均 采用钢筋混凝土楼盖， 酒店部分楼盖做法同方案 1。 为了保证结构具有足够的抗侧刚度，避免水平框架 梁内力过大，方案 2 在建筑上部避难层处也需设置 1 道结构加强层， 即 X、 Y 向各设 2 道伸臂桁架， 同时 设置周边腰桁架。由于底部办公区各层楼面梁与柱、 墙体均为刚性连接， 而墙柱竖向变形差引起的筒体处 梁端内力较大， 故将此处梁端进行水平加腋处理， 如 图 2b 所示。 但即便如此， 方案 2 的钢筋混凝土框架梁配筋仍 然较大，局部须设计为钢骨混凝土梁才能保证结构 的延性。 如果考虑施工方法 下部钢筋混凝土结构施 工转变为上部钢结构施工， 对施工塔吊的要求较高， 并需要两套不同的施工工序， 施工组织及施工工艺相 对复杂， 施工管理也要求很高。 与方案 1 相比， 虽然该 方案用钢量相对较少， 成本略低， 但结构构件较为笨 重， 自重较大 （也增加了基础负担 ） ， 同时施工工期较 长。通过论证比较， 最终选用钢框架-钢筋混凝土筒 结构 （方案 1 ） 作为该塔楼的结构体系。 3结构体系优化分析 由于钢框架-钢筋混凝土筒结构体系抗侧刚度 较弱， 需要设置加强层或加强结构楼面梁刚度， 发挥 周边框架柱的作用， 减小结构在风荷载及地震作用下 MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 图 7Y 向地震、 风载作用下最大层位移角曲线 图 6Y 向钢梁水平加腋示意图 图 5Y 向地震、 风载作用下最大层位移角曲线 图 3X、 Y 向地震作用下最大层位移角曲线 图 4X、 Y 向风载作用下最大层位移角曲线 的侧移， 才能满足规范位移限值要求。而加强层的 位置和数量对结构刚度有着至关重要的影响， 为 了进一步分析加强层对结构刚度的贡献，对加强 层的设置进行了敏感性分析按加强层分别设置 在 32 层、 43 层进行比较。从位移角对比曲线可 见，设置加强层对 X 向结构刚度贡献不大，对 Y 向刚度提高较大。 同时加强层设在结构高度的 2 3 处 （43 层 ） 最为有效， 风及地震作用下的位移角曲 线对比如图 35。 从图中可见， 结构 X 向抗侧刚度较大， 不需设 置加强层就可以满足规范位移限值要求； 结构 Y 向 抗侧刚度较小， 需要设置加强层才能满足规范位移 限值要求， 其中设置在 43 层的 Y 向伸臂最为有效， 32 层次之， 16 层最差。 加强结构楼面梁与外框架刚接连接刚度即将 Y 向外框架柱和核心筒相连的梁在柱端采用刚性连 接， 并在梁端水平加腋 （如图 6 ） 的条件下， 与 32 层、 43 层 Y 向设置两道伸臂时进行对比， 地震和风作用 下结构最大层位移角曲线如图 7。 从图中可见，虽然加强核心筒 Y 向南北两侧的 8 根框架钢梁增加的结构抗侧刚度， 远小于 32、 43 层 Y 向设置伸臂方案提供的结果抗侧刚度， 但这已可满 足规范的位移要求。设置伸臂桁架虽然可以有效提 高结构的抗侧刚度，但同时也会带来并加重结构顶 部刚度突变的不利影响， 不利于结构抗震设计， 并大 大地增加高空施工的难度和复杂性。而仅加强南北 两侧的 8 根框架钢梁的做法要简单得多。 综合考虑各方因素， 本工程场地地震设防 6 度、 结构高度 250m、 风荷载不太大、 核心筒刚度较大等 原因， 最终决定不设结构加强层， 仅加强与 Y 向核 心筒相连的 8 根 Y 向框架梁的梁截面和外框柱处 的梁端截面 （钢梁与筒连接处仍为铰接） ， 即纯粹采 用钢框架-钢筋混凝土筒结构体系作为该楼的结构 设计方案。 （下转第 41 页 ） 广东土木与建筑MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 图 5第二类连续屈服形式 广东土木与建筑MAR 2014No．32014 年 3 月第 3 期 变异系数以及弹性直线段的斜率及斜率变异系数的 误差在一定范围时 （误差范围是一个开放值， 程序根 据判断曲线屈服段的具体特征可调，确保取得值在 曲线的拐点处 ） ， 则认为此点即为屈服强度点。 经试验 室通过数百组钢筋样品检测数据， 比较最小二乘法与 引伸计法二者判定的屈服强度结果。经统计， 二者判 定屈服强度结果相对误差不大于 1。 4第二类连续屈服的钢筋屈服强度的判定 在对连续屈服形式的钢筋屈服强度判定方法的 研究过程中， 发现部分连续屈服形式的钢筋的屈服 强度不适用采用规定塑性延伸强度作其屈服强度， 如图 5 所示。 可见， 此类钢筋的屈服阶段与连续屈服较相近， 不存在明显的应变增大而应力不增大段， 但屈服阶段 表现明显，其不符合 GB T 228.1 中所表述的不连续 屈服和连续屈服两类情况。 该类钢筋屈服阶段， 其应 力-应变关系曲线图上往往表现出在弹性直线段与 强化段有一段突出的弧形段， 该段上的应力随应变缓 慢增加， 变化较为明显， 该段的起始段为弹性直线段 的结束段， 结合应力与应变关系规律， 弧线段的起始 点可视为该类钢筋屈服的起始点。 根据屈服强度的物 理意义， 该起始点可作为屈服强度应力点。 5结论 5.1由于钢筋样品屈服形式的不确定性， 采用 GB T 228.1 中引伸计法判定连续屈服形式的钢筋屈服强 度的方法在实际检验中较难应用。通过诸多钢筋屈 服强度判定方法的比较，最小二乘法判定连续屈服 形式的钢筋屈服强度结果与引伸计法检测结果， 相 对误差不大于 1。经过试验室大量实践证明， 采用 自动化判定代替引伸计较为准确地判定连续屈服的 钢筋样品的屈服强度的方案是可行的， 这对推进钢筋 力学性能检验系统自动化进程方面有着重要意义。 5.2部分钢筋的屈服阶段既具备明显的屈服特征， 又具备连续屈服特征。该类钢筋屈服表现形式不符 合 GB T 228.1 中所代表的不连续屈服和连续屈服 两类屈服形式。该类钢筋屈服阶段表现为应力随应 变缓慢增加的弧线段。由于其屈服阶段表现为连续 上升， 根据屈服强度的物理意义， 其屈服阶段的最小 应力点即弧形段的起始点可作为该类钢筋的屈服强 度点。 判定该类钢筋屈服强度， 关键是如何准确判断 屈服阶段的起始点。通过试验室大量试验检测数据 证明， 最小二乘法可以较好地判断其屈服起始点。 参考文献 ［1］马立明， 王勇. 热轧带肋钢筋屈服点不明显的成因分析 ［J］ . 河北冶金， 2007 （1 ） ［2］陈洪文. 热轧带肋钢筋屈服不明显原因分析与探讨 ［J］ . 湖南冶金，2004 （3 ） ［3］甘超军， 梁洪. 高线螺纹盘条屈服点不明显的分析与改 进 ［J］ . 柳钢科技， 2011 （6 ） ［4］GB T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第 1 部分 室温 试验方法 ［S］ ［5］GB T 228-2002 金属材料 室温拉伸试验方法 ［S］ ［6］GB T 228-87 金属拉伸试验方法 ［S］ （上接第 9 页 ） 4结论 综上所述， 本工程风荷载和地震作用相对较小， 核心筒较大，采用钢框架-核心筒结构而不设置加 强层结构刚度略小于规范要求， 考虑到加强层的设 置会导致结构刚度和承载力的突变，同时加大了施 工难度， 故采用仅加强楼面梁刚度的方案更为合理。 参考文献 ［1］GB 50011-2010建筑抗震设计规范 ［S］ ［2］JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程 ［S］