超高层建筑结构设计的分析

　　摘要:通过本文介绍超高层建筑结构设计中，结构选型及超限应对措施、钢管混凝土组合柱与钢筋混凝土梁节点做法、剪力墙平面外对梁端嵌固作用及处理方法、连梁计算分析等设计方法。

　　关键词:钢管混凝土组合柱,剪力墙平面外,连梁

　　1 工程概况

　　该工程由一栋30层写字楼(含两个避难层)、一栋2层商业附楼和3层地下室组成，总建筑面积90149m2，屋面结构高度132.80m，停机坪结构高度143.20m。

　　2 结构设计总体构思

　　2.1 结构选型

　　本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，虽然其结构承载能力和抗变形能力比筒中筒结构差，但避免了结构竖向抗侧力构件的转换，满足了建筑立面效果和使用要求。为解决建筑首层层高10.0m、结构高度超限及减小柱截面等问题，下部若干层采用钢管混凝土组合柱，楼盖采用现浇普通钢筋混凝土梁板体系。

　　承载力和水平位移计算时，基本风压均按重现期为100年的0.90kN/m2取值。由于结构侧向位移不满足限值要求，在第30层利用建筑避难层，设置了钢筋混凝土桁架的结构加强层，结构加强层是一把双刃剑，虽然可提高结构抗侧移刚度，也使得结构竖向刚度突变，所以结构加强层及相邻层按《高规》要求进行了加强处理。

　　2.2 超限措施

　　本工程结构平面形状规则、刚度和承载力分布均匀，竖向体型也规则和均匀、结构抗侧力构件上下连续贯通(见图示1)，除结构高度超过适用限值外，其它指标通过调整后均达到未超限。

　　由于结构高度超限、而且首层层高10.0m，超限应对措施把首层及下部若干层的结构抗侧力构件作为加强的重点：1~15层框架柱采用钢管混凝土组合柱(钢管混凝土叠合柱结构技术规程CECS188：2005)、1~2层核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱、首层抗震等级提高一级。钢管混凝土柱有着卓越的承载能力和变形能力，但其防腐和防火材料不仅造价较高还有时效性，需考虑今后的维修保养，钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱可弥补这方面的缺陷。核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱，以解决由于首层层高较大，使得剪力墙端部应力集中的问题，并提高剪力墙的承载能力和抗变形能力。

　　3 钢管混凝土组合柱的梁柱节点

　　在工程中往往仅在框架柱中采用钢管混凝土，而框架梁则采用普通钢筋混凝土，钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁的连接节点成为工程中难点之一。目前常用的连接节点有：钢牛腿法、双梁法、环梁法、钢管开大洞后补强法及纯钢筋混凝土节点法等，本工程采用在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点，为连接节点的设计提供多一种选择。

　　3.1 钢管开小孔的连接节点构造(见图示2)

　　钢管上开穿钢筋小孔的连接节点做法要点如下：

　　(1)钢管开小孔：小孔直径D=钢筋直径+10mm，小孔水平间距=3×D，小孔垂直间距=2×D。

　　(2)钢管水平加强环：梁顶面和梁底面各设置一道，环板宽度：钢管混凝土柱时，取0.10倍钢管直径、钢管混凝土叠合柱时，取65～100mm;环板厚度=0.5t且≥16mm(t为钢管壁厚)。

　　(3)钢管竖向短加劲肋：紧贴水平加强环，肋宽=环板宽-15mm，肋厚=环厚，长度为200mm，布置在梁开孔部位的两侧和中间。

　　(4)梁钢筋尽量采用直径较大的HRB400级钢筋，以减少钢管开孔数量。在钢管混凝土叠合柱时，部分梁钢筋可以在钢筋混凝土柱区域穿过。

　　3.2 钢管开小孔连接节点的优点

　　(1)钢管开小孔后对钢管截面削弱不大，梁钢筋穿过小孔后剩余的缝隙很小，钢管对管芯混凝土的约束力基本没减少，不影响钢管混凝土柱的承载能力和变形能力。

　　(2)梁钢筋直接穿过钢管后，梁可以可靠的传递内力，梁长范围内的刚度保持不变，结构受力分析与实际相同。(钢牛腿法和钢管开大洞后补强法，在梁端范围内有相当长度的型钢，使得梁刚度急剧变化)。

　　(3)在设置水平加强环和竖向短加劲肋补强后，钢管在节点区是连续的，节点的刚性不受影响，满足“强节点弱构件”的要求。

　　(4)现场施工较方便，即使圆弧形梁钢筋也可顺利穿过。

　　(5)节点补强所用材料比钢牛腿法和钢管开大洞法减少很多，造价较低。

　　为进行钢管开小孔后分析研究，1996年中国钢结构协会钢-混凝土组合结构协会做了1：5模型的四组共九个试件模型试验，并通过多个工程实践证实该方法的可靠性和可行性。

　　4 剪力墙平面外对梁端嵌固作用的分析

　　对于框架-核心筒结构，部分框架梁要支撑在剪力墙平面外方向，剪力墙平面外对梁端嵌固作用究竟如何，其研究文献较少，设计标准和规范也没有涉及。影响剪力墙平面外对梁端嵌固作用的主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。目前常用的计算分析软件虽然具有墙元平面外刚度分析功能，但未考虑墙平面外对梁端嵌固作用的有效长度，当遇到墙肢很长或筒体墙肢空间刚度很大情况时，计算分析软件会高估了墙平面外对梁端的嵌固作用，使得梁端负弯矩计算值要大于实际值，本工程应对措施如下：

　　(1)采用梁端增加水平腋方法，用以直接增加墙平面外对梁端嵌固作用有效长度。

　　(2)采用增加墙边框梁方法(见图示3)，用以增加墙平面外对梁端嵌固的局部刚度。墙边框梁截面宽度应不小于0.4倍梁纵筋锚固长度，墙边框梁截面高度应大于楼面梁截面高度，为保证梁端剪力通过墙边框梁均匀传递到墙上，墙边框梁宽出墙厚处用斜角过渡。

　　(3)为保证梁正截面设计更加符合实际受力情况，梁端计算弯矩可以采用“调幅再调幅”方法，即分析计算时设定梁端负弯矩调幅系数后，配筋时再局部手算调幅。“调幅再调幅”时，应考虑构件的刚度、内力重分布的充分性、裂缝的开展及变形满足使用要求。

　　5 核心筒外墙的连梁设计

　　核心筒外墙的连梁纵筋计算超筋是非常普遍的情况，《高规》对连梁超筋有专门的处理措施，而且研究文献也不少，但计算模型的选取也是重要因素之一。

　　《高规》规定，跨高比小于5时按连梁考虑，即连梁属于深弯梁和深梁的范畴，其正截面承载力计算时，已不能按杆系考虑，也就是已不符合平截面假定，但许多分析软件仍然把连梁按杆系计算，其计算偏差当然是很大了。

　　按“强墙弱梁”和“强剪弱弯”原则进行连梁设计时，虽然《高规》对连梁设计有具体要求，但这个“弱”要到什么程度，还是取决于设计者的理解和经验。

　　本工程核心筒外墙的连梁按《高规》要求进行设计，除连梁均配置了交叉暗撑外，对非底部加强部位剪力墙的边缘构件也进行了加强处理，以满足“多道抗震防线”和“强墙弱梁”的要求。

　　6 结束语

　　(1)钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱有卓越的承载能力和变形能力，还可弥补钢管混凝土柱的防腐和防火材料造价较高及时效性方面的缺陷。

　　(2)钢管按一定的构造要求开穿钢筋小孔，对钢管截面损伤不大，梁钢筋直接穿过钢管，使得梁内力可以可靠的传递。适当设置水平加强环和竖向短加劲肋，钢管混凝土柱的承载能力和变形能力不会降低，节点刚性得以保证。模型试验已经证实该方法的可靠性，工程实践已经证实该方法的可行性。大大节约梁柱节点所用钢材，施工方便。

　　(3)影响剪力墙平面外对梁端嵌固作用的主要因素：墙平面外对梁端嵌固作用有效长度、墙线刚度与梁线刚度之比和墙在该层的轴压力等等。为加强墙平面外对梁端嵌固作用，可采取梁端水平加腋方法、增加墙边框梁方法，梁端弯矩可采用“调幅再调幅”方法。

　　(4)连梁属于深弯梁和深梁的范畴，正截面承载力计算时，不能按杆系模型计算。

　　参考文献

　　[1] 蔡绍怀：《钢管混凝土结构的计算与应用》.中国建筑工业出版社1989.

　　[2] 钟善桐：《钢管混凝土结构》.黑龙江科学技术出版社1994.

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文章名称： 超高层建筑结构设计的分析

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