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鋼骨混凝土在某高層建筑結構設計中的應用

摘要：在某高層框支剪力墻結構設計中采用了鋼骨混凝土組合結構，探討了其設計、計算方法、構造措施及經濟性。結果表明鋼骨混凝土組合結構能同時滿足設計和經濟效益要求，是一種值得推廣的良好的結構體系。

關鍵詞：大底盤雙塔樓結構，鋼骨混凝土柱，截面形式，鋼骨含鋼率

1.引言

大底盤雙塔樓高層建筑是由底部幾層做為大底盤，上部采用兩個塔樓作為主體結構而組成，是近幾十年來發(fā)展起來的一種新型、復雜的結構體系，其受力性能、破壞形式和計算方法均較一般高層建筑復雜得多，故屬于超出國家現行規(guī)范、規(guī)程所規(guī)定的適用高度和適用結構類型、體型特別不規(guī)則以及有關規(guī)范、規(guī)程規(guī)定應進行抗震專項審查的“超限高層建筑工程”。大底盤雙塔樓結構是當前高層建筑結構設計所面臨的一個新課題。

2.工程概況

中廣大廈是集辦公、住宅、商場、餐飲和娛樂為一體的大型高層綜合性建筑，包括A、B、C三棟高層塔樓、裙房5層和2層地下室。地下2層為設備用房和汽車庫，其人防等級為6級。地上1～5層裙房為商場。A、B棟塔樓為6～26層蝶形平面的高層住宅，房屋高度89.1m，包括局部突出在內，建筑總高度為106.1m。C棟塔樓為6～28層大空間辦公室，房屋高度99.6m，包括局部突出在內，建筑總高度為118.8m。5層商場總面積為26745m2，總建筑面積100010m2。因房屋總長度遠超過鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距55m的限值，為此設二道抗震縫將房屋分為三段，形成三個結構單元。即A、B棟高層為大底盤雙塔樓；C棟為獨立帶裙房的框架剪力墻結構高層建筑；其余為框架結構。建筑抗震設防類別均為乙類，場地類別為Ⅱ類?；A采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎，底板厚度分別為1600mm、1800mm，持力層為強風化砂巖，地基承載力標準值400Kpa，壓縮模量Es=12～17Mpa，結構安全等級為一級，設計基準期為50年。本文以A、B棟為研究對象。

2.1結構布置特點

A、B棟高層為滿足上部住宅建筑的舒適性、規(guī)則性要求及下部5層商場大空間的使用要求，采用5層大底盤雙塔樓框支剪力墻結構，在5、6兩層中間利用設備層做轉換層，采用梁式轉換，轉換層設置標高為23m。高寬比為3.22，長寬比為4.13，轉換層上下剪切剛度比值γ=1.395。主要特點有以下幾點：

⑴房屋高度超限。A、B棟高層房屋高度為89.1m，超過了規(guī)范中框支剪力墻結構8度區(qū)適用高度80m的限值[1]；

⑵采用雙塔樓聯體結構，質量、剛度分布不均勻，豎向不規(guī)則；

⑶高位轉換。在5、6兩層之間利用設備層做轉換層，標高23m，超過了規(guī)范中8度區(qū)轉換層宜控制在3層以下的限值[1]；

⑷由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次轉換；

⑸由于商場使用功能的限制，A、B棟塔樓的落地剪力墻數量偏少，且大都布置在商場后部，主體結構與大底盤中心的偏心矩與底盤尺寸之比大于0.2；

⑹6～26層住宅部分在外圍剪力墻局部開設角窗。

2.2構造措施

結構的主要不利因素為：框支剪力墻結構在轉換層以下，支撐框架與落地剪力墻并存，形成了“支撐框架—剪力墻”體系。因此，支撐框架成為整個結構的一個薄弱環(huán)節(jié)。這種結構體系存在高位轉換時，由于在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發(fā)生突變，易形成薄弱層，對抗震不利。同時，支撐框架柱要直接承擔：a、上部結構傳來的重力荷載；b、上部剪力墻由于傾覆力矩產生的軸力；c、樓板未間接傳給落地剪力墻的部分荷載轉化為地震水平剪力這三部分荷載。這樣使得轉換層以下支撐框架柱的內力遠大于計算分析結果。對此主要采取以下措施：

⑴在塔樓范圍內五層以下框支部分采用鋼骨混凝土柱，鋼筋混凝土梁混合結構，作為解決高位轉換和高度超限的一項重要措施；

⑵A、B棟塔樓的裙房屋面板，在塔樓高振型的影響下，承受較大反復作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力十分復雜。同時，由于建筑使用功能的要求，在裙樓中部開設大洞以便設置電梯，對樓板削弱較大。針對這一不利因素，在設計中采用了加強開大洞處樓板四周梁的斷面及配筋，加大樓板厚度，增設斜筋的措施；

⑶由于上部住宅為蝶形平面，在轉換層個別部位出現了二次轉換梁。根據規(guī)定：轉換層上部的豎向抗側力構件宜直接落在轉換層的主結構上[1]。當結構豎向布置復雜，框支主梁承托剪力墻并承托轉換次梁及其上剪力墻時，應進行應力分析，按應力校核配筋，并加強配筋構造措施。B級高度框支剪力墻高層建筑的結構轉換層，不宜采用框支主、次梁方案。針對這一不利因素，我們采取了加強框支主梁的配筋構造措施，并在框支主梁的下部配筋區(qū)設置鋼梁的措施；

⑷在住宅部分開設角窗，削弱了剪力墻結構體系的整體性，對其抗震性能帶來了不利影響，改變了剪力墻與框支梁之間的傳力方式。針對這一不利因素，應該從受力計算和構造措施兩方面予以加強處理。

3.計算結果分析

3.1總體計算結果

地震影響系數采用的數值：多遇地震0.16，罕遇地震0.9，阻尼比取0.05限值[2]。設計參數：地震烈度8度，場地土類別Ⅱ類，抗震等級框架、剪力墻均為一級；樓層自由度數：每個塔樓每層3個自由度；地震作用按側剛分析模型考慮扭轉耦連，用18個振型計算，固定端取在±0.000處。

采用中國建筑科學研究院的PKPM系列中的SATWE和TAT兩種不同程序分別進行對比計算，其總體計算結果接近。下面列出SATWE和TAT的計算結果。

3.2SATWE計算結果分析

下面以SATWE程序為主進行分析：

⑴自振周期在合理范圍之內，結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.9，滿足規(guī)范要求；

⑵底層剪重比>3.2%，最大層間位移和頂點位移<1/1000，均滿足規(guī)范要求；

⑶時程分析的最大位移均不超過反應譜法計算的位移值，Y向樓層剪力，X、Y向樓層彎矩均不超過反應譜法計算的樓層剪力及樓層彎矩，僅X向樓層剪力TAF-2波大于反應譜法，但三個波的平均值仍小于反映譜法樓層剪力。動力時程分析復核結果表明，不需要調整個樓層構件的內力和斷面配筋。

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