钢骨混凝土在某高层建筑结构设计中的应用

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摘要：在某高层框支剪力墙结构设计中采用了钢骨混凝土组合结构，探讨了其设计、计算方法、构造措施及经济性。结果表明钢骨混凝土组合结构能同时满足设计和经济效益要求，是一种值得推广的良好的结构体系。

关键词：大底盘双塔楼结构，钢骨混凝土柱，截面形式，钢骨含钢率

1.引言

大底盘双塔楼高层建筑是由底部几层做为大底盘，上部采用两个塔楼作为主体结构而组成，是近几十年来发展起来的一种新型、复杂的结构体系，其受力性能、破坏形式和计算方法均较一般高层建筑复杂得多，故属于超出国家现行规范、规程所规定的适用高度和适用结构类型、体型特别不规则以及有关规范、规程规定应进行抗震专项审查的“超限高层建筑工程”。大底盘双塔楼结构是当前高层建筑结构设计所面临的一个新课题。

2.工程概况

中广大厦是集办公、住宅、商场、餐饮和娱乐为一体的大型高层综合性建筑，包括A、B、C三栋高层塔楼、裙房5层和2层地下室。地下2层为设备用房和汽车库，其人防等级为6级。地上1～5层裙房为商场。A、B栋塔楼为6～26层蝶形平面的高层住宅，房屋高度89.1m，包括局部突出在内，建筑总高度为106.1m。C栋塔楼为6～28层大空间办公室，房屋高度99.6m，包括局部突出在内，建筑总高度为118.8m。5层商场总面积为26745m2，总建筑面积100010m2。因房屋总长度远超过钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距55m的限值，为此设二道抗震缝将房屋分为三段，形成三个结构单元。即A、B栋高层为大底盘双塔楼；C栋为独立带裙房的框架剪力墙结构高层建筑；其余为框架结构。建筑抗震设防类别均为乙类，场地类别为Ⅱ类。基础采用钢筋混凝土平板式筏形基础，底板厚度分别为1600mm、1800mm，持力层为强风化砂岩，地基承载力标准值400Kpa，压缩模量Es=12～17Mpa，结构安全等级为一级，设计基准期为50年。本文以A、B栋为研究对象。

2.1结构布置特点

A、B栋高层为满足上部住宅建筑的舒适性、规则性要求及下部5层商场大空间的使用要求，采用5层大底盘双塔楼框支剪力墙结构，在5、6两层中间利用设备层做转换层，采用梁式转换，转换层设置标高为23m。高宽比为3.22，长宽比为4.13，转换层上下剪切刚度比值γ=1.395。主要特点有以下几点：

⑴房屋高度超限。A、B栋高层房屋高度为89.1m，超过了规范中框支剪力墙结构8度区适用高度80m的限值[1]；

⑵采用双塔楼联体结构，质量、刚度分布不均匀，竖向不规则；

⑶高位转换。在5、6两层之间利用设备层做转换层，标高23m，超过了规范中8度区转换层宜控制在3层以下的限值[1]；

⑷由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次转换；

⑸由于商场使用功能的限制，A、B栋塔楼的落地剪力墙数量偏少，且大都布置在商场后部，主体结构与大底盘中心的偏心矩与底盘尺寸之比大于0.2；

⑹6～26层住宅部分在外围剪力墙局部开设角窗。

2.2构造措施

结构的主要不利因素为：框支剪力墙结构在转换层以下，支撑框架与落地剪力墙并存，形成了“支撑框架—剪力墙”体系。因此，支撑框架成为整个结构的一个薄弱环节。这种结构体系存在高位转换时，由于在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，易形成薄弱层，对抗震不利。同时，支撑框架柱要直接承担：a、上部结构传来的重力荷载；b、上部剪力墙由于倾覆力矩产生的轴力；c、楼板未间接传给落地剪力墙的部分荷载转化为地震水平剪力这三部分荷载。这样使得转换层以下支撑框架柱的内力远大于计算分析结果。对此主要采取以下措施：

⑴在塔楼范围内五层以下框支部分采用钢骨混凝土柱，钢筋混凝土梁混合结构，作为解决高位转换和高度超限的一项重要措施；

⑵A、B栋塔楼的裙房屋面板，在塔楼高振型的影响下，承受较大反复作用下的纵向拉压力及横向剪力，受力十分复杂。同时，由于建筑使用功能的要求，在裙楼中部开设大洞以便设置电梯，对楼板削弱较大。针对这一不利因素，在设计中采用了加强开大洞处楼板四周梁的断面及配筋，加大楼板厚度，增设斜筋的措施；

⑶由于上部住宅为蝶形平面，在转换层个别部位出现了二次转换梁。根据规定：转换层上部的竖向抗侧力构件宜直接落在转换层的主结构上[1]。当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。B级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜采用框支主、次梁方案。针对这一不利因素，我们采取了加强框支主梁的配筋构造措施，并在框支主梁的下部配筋区设置钢梁的措施；

⑷在住宅部分开设角窗，削弱了剪力墙结构体系的整体性，对其抗震性能带来了不利影响，改变了剪力墙与框支梁之间的传力方式。针对这一不利因素，应该从受力计算和构造措施两方面予以加强处理。

3.计算结果分析

3.1总体计算结果

地震影响系数采用的数值：多遇地震0.16，罕遇地震0.9，阻尼比取0.05限值[2]。设计参数：地震烈度8度，场地土类别Ⅱ类，抗震等级框架、剪力墙均为一级；楼层自由度数：每个塔楼每层3个自由度；地震作用按侧刚分析模型考虑扭转耦连，用18个振型计算，固定端取在±0.000处。

采用中国建筑科学研究院的PKPM系列中的SATWE和TAT两种不同程序分别进行对比计算，其总体计算结果接近。下面列出SATWE和TAT的计算结果。

3.2SATWE计算结果分析

下面以SATWE程序为主进行分析：

⑴自振周期在合理范围之内，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.9，满足规范要求；

⑵底层剪重比>3.2%，最大层间位移和顶点位移<1/1000，均满足规范要求；

⑶时程分析的最大位移均不超过反应谱法计算的位移值，Y向楼层剪力，X、Y向楼层弯矩均不超过反应谱法计算的楼层剪力及楼层弯矩，仅X向楼层剪力TAF-2波大于反应谱法，但三个波的平均值仍小于反映谱法楼层剪力。动力时程分析复核结果表明，不需要调整个楼层构件的内力和断面配筋。

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