广东新长安建筑设计院有限公司 515043
摘要：本文主要通过计算对比分析对某超高层方案做了比较详细的介绍。首先通过对结构形式的比较，确定采用不加伸臂桁架的框架-核心筒体系，其次通过对构件类型的比较，确定采用型钢混凝土柱加钢梁混凝土楼盖体系；最后通过对钢梁与核心筒连接方式的比较，确定采用刚接方式。
关键词：超高层建筑；结构方案；设计
1工程概括
某超高层建筑塔楼地上共54层，结构总高度243.4m，地下三层地下室。地上1~4层为酒店大堂和办公大堂，1层层高6m，其余三层层高均为5.7m；6~32层为办公，其中6~18层层高为4.2m，20~32层层高4.5m；34~53层为五星级酒店，其中34~37层为酒店功能性用房，层高4.6m，其余均为3.8m；5层、19层、33层、54层为设备转换和避难层，层高均为7m。塔楼标准层结构布置图见图1。
图1 结构平面布置图
2结构设计条件
本工程抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组第二组；建筑场地类别Ⅲ类；场地特征周期为0.64；多遇地震水平地震影响系数最大值0.04；罕遇地震水平地震影响系数最大值0.28。建筑抗震设防类别为乙类，结构构件抗震等级均匀一级。本阶段设计反应谱来用规范反应谱曲线。考虑隔墙对结构刚度的影响，周期折减系数取0.9。计算基本风压按50年一遇取0.45KN/㎡，地面粗糙度C类，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。
3结构体系及布置
3.1结构形式
本工程结构高度243.4m，超过《高规》B级高度要求，结构主体平面尺寸45x45m，高宽比5.4<7，满足《高规》高宽比要求，核心筒平面尺寸23x23m，高宽比10.6<12，满足《高规》核心筒高宽比要求，结构外框16根框架柱，柱跨9m，外框与核心筒间跨距11m，平面无凸凹。总体上本工程平面布置规则，筒体刚度较好，较容易满足整体位移要求。结构竖向构件无转换，各层质量无明显突变，立面无较大收缩，但局部的设备转换层和避难层有层高突变，所以竖向布置基本规则，但在层高突变层需要采取措施满足规范要求。
图2 伸臂桁架布置图
目前国内200m以上超高层建筑较多采用框架-核心筒加伸臂桁架加强层的结构形式。对于抗风控制的结构而言，加强层可以提供很大的刚度，是一种有效的抗风体系。但对于抗震而言，加强层会造成很大的刚度和承载力的突变，容易形成薄弱层。本工程处于6度区，初步判断结构应该为风荷载控制，基于此种条件对于结构是否需要加伸臂桁架做了进一步比较。方案一，结合设备层位置在38层处布置八道伸臂桁架构成结构加强层。加起层布置如图2；方案二，不布置加强层，框架梁采用钢梁。两方案结果对比如表一：
结论：方案二，不加伸臂桁架的结构刚度已满足规范要求，所以本工程并未体现出伸臂的作用。结构选用框架-核心筒的结构形式。
3.2构件类型
结合建筑要求，外框架选用型钢混凝土柱。由于在混凝土中增加了型钢钢骨架，使得其承载能力高于同样尺寸的钢筋混凝土柱。同时型钢混凝土柱与裙房、地下室的混凝土结构连接较为方便，防火性能较好，施工质量容易保证。因此对于超高层建筑，型钢混凝土柱既可以减小框架柱截面，增加建筑使用面积，提高结构的经济效益，又可避免钢框架柱耐火性差，与混凝土构件连接质量不易保证等的劣势。
楼盖体系，核心筒区域采用钢筋混凝土梁板，非核心筒区域楼盖体系可以采用钢筋混凝土梁板或钢梁加钢筋混凝土楼板。钢筋混凝土梁耐久性和耐火性较好，但其自重大，施工复杂，施工周期长，工序较多。钢梁塑性韧性好，结构延性好，重量轻，制作简单，施工周期短，并且污染小，绿色环保，但其耐火性差，造价高，耐腐蚀性差。对此两种楼盖体系的构件截面和经济性做了进一步的比较，如表二、表三：
结论：钢梁加钢筋混凝土楼板方案自重轻，竖向构件截面小，结构材料比钢筋混凝土梁板方案仅高1508万元，但其人工费、基础费用低，施工速度快，两者总造价差异不大，使用面积却增加810m2，按2.5万元一平米计算，对应的价值达到2025万元。综上采用钢梁加钢筋混凝土楼板方案。
3.3水平构件连接方式
框架-混凝土核心筒体系在水平荷载作用下，混凝土内筒是主要抗侧力结构，经楼板变形协调后，外框架承担少量的水平剪力，混凝土内筒即承担大部分倾覆力矩，又承担大部分水平剪力。由于混凝土内筒的变形曲线是弯曲型的，而框架呈剪切型，因此经楼板变形协调后，框架在顶部水平剪力将大于下部。这类结构体系在地震力的持续作用下，混凝土内筒进入弹塑性阶段后，墙体产生裂缝，侧向刚度急剧下降，致使框架要承担比弹性阶段大的多的倾覆力矩和水平剪力。由于钢梁与混凝土核心筒的连接方式不同，在剪力墙底部出现塑性铰之后结构体系是完全不同的。外框架的钢梁与混凝土核心筒连接有两种方式：铰接、刚接。采用铰接连接时，施工比较简便，只需在混凝土核心筒外侧设置预埋件，施工时与高强螺栓连接；采用刚接连接时，需在混凝土核心筒内埋置钢芯柱，预留钢牛腿与钢梁连接。当钢梁与核心筒采用铰接时，由于核心筒底部出现裂缝形成塑性铰，侧向刚度急剧降低，此时整个结构体系的水平刚度将快速降低，难以继续抵抗较大的地震力作用，整个结构体系会发生脆性破坏。在弹性阶段设计时，按照新《高规》中9.1.11等条款规定对框架部分承担的地震剪力进行调整，增大结构安全性，但该安全储备在弹塑性阶段，混凝土核心筒大部分退出工作后仍显不够；当钢梁与核心筒采用刚接时，加强了架与核心筒的连接，增加了结构冗余度，提高结构弹性阶段水平承载能力，延续了塑性铰的产生。即使进入弹塑性阶段，混凝土核心筒底部出现塑性铰，该体系也能形成具有一定抗侧力的体系，能继续抵抗一定的水平作用。在重大地震力作用下，结构体系会发生塑性破坏。
计算发现两种连接方式对钢梁的应力比影响比较大。当钢梁与核心筒铰接时，钢梁最大应力比变化幅度为0.62~0.85，出现在钢柱一侧；当钢梁与核心筒刚接时，钢梁最大应力比变化幅度为0.65~0.9，出现在核心筒一侧。可见由于刚接作用，框架与混凝土核心筒的相互作用增强，对于两种材质，两种结构形式组合而成的混合结构，这是有利于结构安全的。此外分析两种连接方式的其他计算信息，由于采用刚接做法，结构的刚度增加，周期变小，结构的最大层间位移角变小，但用钢量有所增加，此外由于采用刚接做法，楼面的竖向荷载能够更有效的传递至剪力墙一侧，使得钢柱的轴压比减小。综合考虑，采用钢梁与核心筒刚接方案。
4结论和建议
（1）对于超高层建筑，在建筑方案阶段进行结构选型和结构布置的论证非常重要，结构体系及结构布置从根本上决定了建筑整体受力性能、抗震性能以及主体结构经济性指标。
（2）从建筑平面立面的需求、抗震性能、经济性、施工工艺的成熟性等方面进行分析，采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系较为合适，外围框架采用型钢混凝土柱和钢梁加混凝土楼板的组合楼盖体系，钢梁与混凝土核心筒采用刚接连接方式。
（3）对于超高层结构，外框架作为第二道防线非常重要，需考虑提出更高的安全标准。在小震下可将框架柱承担剪力按照《高规》定义的0.2VO和1.5Vmax按两者较大值进行调整；在中震设计时，亦可参考规范对框架柱进行适当调整。同时全面考虑剪重比、强柱弱梁、外框架剪力比、时程分析、初始偏心等因素对内力的调整，确保多道设防思想在结构抗震设计中的体现。
参考文献：
[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程北京：中国建筑工业出版社，2010
[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范北京：中国建筑工业出版社，2010
论文作者:刘嘉
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/29
标签：结构论文; 钢梁论文; 混凝土论文; 核心论文; 框架论文; 体系论文; 刚度论文; 《基层建设》2016年9期论文;