某超高层型钢混凝土组合结构设计.pdf

第2 期 2 0 0 7 年2 月 广东土 木与建 筑 GU ANG DONG ARC HI T EC T URE C I VI L EN GI NE ERI NG N o ． 2 F E B 2 O 0 7 某超高层型钢混凝土组合结构设计 张俊辉 1 陈 莉 2 ( 1 、 广 州市城 市规划 勘测 设计研 究院 广 州 5 1 0 0 6 0 ；2 、 合 生创展 集 团 5 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 介 绍某超 高层建筑采用型钢混凝土组合 结构体 系的设计思路 。 以及粱柱节点的处理 方法， 采用该体 系既 可提 高结构的抗震 延性 ． 又可有效解决大跨度情况 下粱柱截面受限制 的问题。 关键词 ： 型钢混凝土组合结构 ；抗震性 能；综合经济效益 ；构件 连接 ；含钢率 1工程概 况 某超高层建筑位于广州市／ l , ~ g 路与东风中路交 汇处 ， 地上 3 8层 ， 地下 4层 ， 标准层层高 3 ． 7 m， 总高 1 6 0 m， 裙楼 6层为商场 ， 塔楼为办公楼。 裙楼平面尺 寸约 6 8 mx 4 8 m， 塔楼平面尺寸约 5 0 mx 4 8 m． 如图 1 ～ 2所示。 简体尺寸约 1 2 mx l 5 m， 墙厚 2 5 0 ～ 7 0 0 ra m， 筒 体关于 ． i) 轴对称 ， 在 轴方向偏 向一边 。 塔楼柱距 约 1 2 — 1 7 m。 本工程地震设防烈度为 7度 ． 抗震设防类别为 丙类 ， 框架及核心筒抗震等级均为一级。建筑场地 类别为 Ⅱ类 ． 属 B级高度高层建筑 。 2结构选 型 中遇到 的 问题 2 ． 1 由于筒体偏于一边， 建筑物的质量和刚度在⑨ 轴上明显不对称和不均匀， 且核 fl , 筒墙体与④轴呈 4 5 。 相交 ， 根据《 高规》 规定 ， 应计算 4 5 。 水平地震力 的影响。设计初期采用纯钢筋混凝土结构体系进行 ．士 ： ． 4 ’ ， I I T 一 - ．一 - t 了 、 I q I I l ： l ： I ● I ● 一J — -■一 一 j - ● 睾 『 一 _ I I I I r— 一一 I I l I I ； @ 廿 { ． ’ 一 十 蚤 m 、 — 可一l _ l _⋯： ⋯一 ： 一 l 1fl130 一 蛳 } 删～ { { 裟 _7350 ．{ ， 眦 ； _ 一 图 1裙 楼 结构 平面 图 计算。 结果显示当水平地震力与④轴成 4 5 o 角( 即平 行于 轴 ) 并考虑偶然偏心时 ， 楼层竖向构件 的最 大水平位移与层间平均位移之 比为 1 ． 5 2 ( 1 - 6层) ， 超过了《 高规》 第 4 - 3 ． 5条对该数值 “ 不应大于 1 ． 4 ” 的 要求 ． 故本工程属于平面特别不规则的高层建筑 。 2 ． 2 建筑方案出于使用功能上 的考虑 ． 要求柱距为 1 2 ～ 1 7 m且梁高控制在 7 5 0 m m以内．同时要求柱截 面尽量较小 。 由于跨度大且受荷面积大 ． 如采用钢筋 混凝土结构 ． 会带来一些新的问题 ， 一方面柱截 面尺 寸会较大。 如裙楼采用C 5 0 混凝土时， ◎轴 ⑩轴的 中柱截面需用 1 6 0 0 x 1 6 0 0 ， ⑩轴 ⑦轴的角柱截面需 用 8 0 0 x 2 8 0 0． 不仅 占用 了实际使用 面积 ， 还有碍美 观 ． 不能为投资方所接受 。另一方面， 框架梁刚度难 以保证 ， 如 ． 轴上 的框架梁跨度为 1 3 m， 受荷 面积 约 1 4 0 m ~ ， 若采用钢筋混凝土梁 。 梁高须 9 5 0 mm， 再 扣除 中央空调风管高度 4 0 0 mm及 吊顶 l O O mm． 建 筑净空只剩 2 ． 2 5 m． 显然不足 因此 ．本工程若采用普通钢筋混凝土结构体系 则难 以满足设计要求 经计算 ． 决定采用型钢混凝土 框架与钢筋混凝土简体组合结构体系 计算结果显 ⑦ ⑧ ⑩ ．⑩ ．．⑩ ⑩ ⑩ ⑩ 图 2 标 准层结构平面图 3 5 维普资讯 2 0 0 7 年2 月 第2 期 张 俊辉 等： 某超高 层型 钢混凝土 组合 结构设 计 F E B 2 o 昕 N o 2 示 ． 当采用型钢混凝土柱时， ⑥轴 ⑩轴的中柱截面 仅需 1 0 5 0 x 1 0 5 0 ． 面积减少 了 5 7 ％． 而⑩ 轴 ⑦轴 的 角柱截面仅需用 7 0 0 x 2 0 0 0 ． 面积减少了 3 8 ％ 框架 梁梁高也能控制在 7 5 0 m m以内． 从而保证了使用净 空 ． 主要梁 柱截 面如 图 3所 示 。同时 ， 结 构抗震 性 能 得到了明显改善 ． 以下将对计算结果进行分析 图 3主要框 架梁 、 柱截面 3 计算结果分析 本工程采用 S A T WE软件进行整体计算 ． 主要参 数如下 ： 地震烈度 7度 ， 水平地震影响系数 0 ． 0 8 ， 周 期折减 系数 0 ． 9 ． 结构阻尼 比 4 ％， 考虑扭转耦联及 偶然偏心影响 根据《 高规》 第 5 ． 5 ． 2条， 按建筑场地类别和设计 地震分 组选 用 2组 实 际强震记 录和 l 组人 工模 拟 的 加速度时程曲线进行弹性动力时程分析 本工程场 地类型 Ⅱ类 ． 设计地震分组第一组 ． 地震加速度最大 值 3 5 c m／ ／ s 2 ． 因此选用 T H1 T G 0 3 5波和 T H 4 T G 0 3 5波 ( 主方向峰值加速度分别为2 0 7 ．8 ． 1 9 6 ．3 c m ／ s 2 ) ， 再加 上地震局提供的人工波( U S E R) ， 结构阻尼 比取 5 ％ 计算结果如表 l 所示 由此可见 ． ①在 0 o 及 4 5 o 地震力作用下 ． 结构 以 扭转 为主的第 l 周期 与以平动为主的第 l 周期 的比值均为 0 ． 7 1 < 0 ． 9 0 ， 满足《 高规》 的有关要求 ； ②振型曲线连续光滑， 符合规律： ③底部总剪力合 理， 剪重比满足抗震规范要求； ④最大层间位移角小 于 1 ／ ／ 8 0 0 ， 满足规 范要求 ， 位移 曲线光滑 ， 说 明结构 布置合理， 未出现总刚度的突变； ⑤时程分析结果表 明 ． 每条波计算所得结构底部剪力均大 于振型分解 表 1 结构计算结果 反应谱法计算结果 的 6 5 ％． 多条时程曲线计算所得 结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法计算 结果的 8 0 ％， 满足规范要求 。 4 综合经济效益分析 概算专业的资料显示． 本工程上部结构采用钢筋 混凝土体系时含钢量约为 7 5 k g ／ m 2 ．而采用型钢混 凝土体系时则约为 1 0 0 k g ． 后者增加约 以目, ／ m 2 3 3 ％ 前钢材4 2 0 0 元／ t 计， 则每 l m 2 钢材造价增加 1 0 5 元， m 此外型钢的加工费用也较高。 高层建筑上部结构的造价约占整个结构造价的 6 0 ％， 而结构造价则仅 占包括装修 、 设备在内的工程 造价的 3 0 ％； 在工程总投资 中( 含土地 、 动迁 ) 中， 工 程造价又仅占 5 0 ％ 据此推算． 上部结构造价约占工 程总投资 的 9 ％．型钢混凝土体系与钢筋混凝土体 系的差价则仅占 3 ％ 与钢筋混凝土结构相比．型钢混凝土在经济效 益方面具有如下优势： ( 1 )结构面积小。由于型钢混凝土柱强度高 ， 故 柱截面比钢筋混凝土柱大幅减小 ．本工程采用型钢 混凝土柱可增加有效使用面积 5 0 0 m 2 ． 以该地点办公 楼 8 0 0 0元／ m： 计 ， 则可增加 4 0 0万元的投资收益。 ( 2 )工期短。 型钢混凝土结构钢骨架施工可一次 安装 2 ～ 3层 ． 混凝土浇灌前可用作其上层楼板平行 施工的模板支架和操作平台．先施工部分钢筋工程 对缩短工期较为有利 以本工程为例 ， 采用型钢混凝 土结构 ． 工期可缩短约 1 个月时间． 以高档办公楼一 般 3年可收 回投资计 ． 则可节省 2 ． 5 ％的贷款利息 ( 3 )降低层高。 型钢混凝土结构可增大截面刚度 ． 故层高可有所降低 本工程主梁跨度多为 1 2 ～ 1 5 m． 钢筋混凝土和型钢混凝土结构的主梁最小梁高分别 为 9 0 0． 7 5 0 m m． 按每层减小 1 5 0 mm计 ， 3 8层即可减 小 5 ． 7 m 也就是说 ， 当容积率允许而总高度受到限 制时． 同样的楼高可多出至少 l 层 的使用面积 ． 经济 效 益显 著 综 上所 述 ． 虽然含 钢量 及加 工 费用 的增 加 ． 导致 地震力 周期( S ) 水平地震 层问位移角 扭转位移 比 r 剪力系数( ％) ( 5层) ， J_ ( 平)T 2 ( 平 ) ( 扭) 向 y向 向 y向 向 y向 0 。 4 ．0 8 3 ． 8 8 2 ． 9 0 1 ． 4 4 1 ． 6 0 1 ／ ／ 9 5 1 1 ／ 9 4 6 1 ．5 2 1 ． 5 3 4 5 。4 ． 1 6 4 ．0 6 2 ．9 6 1 -4 2 1 ． 4 5 1 ／ ／ 9 8 9 1 ／ 9 4 6 1 ． 5 7 1 ． 6 0 3 6 型钢混凝土结构的土建造价高于普通 钢筋混凝土结构． 但考虑综合经济效益． 则前者在经济性方面未显劣势 ． 反而在 结构性能方面具有明显的优势 。 维普资讯 2 0 0 7 年2 月 第2 期 广东 土木与 建筑 F E B 2 0 o 7 N o ．2 5 结构 性 能分析 大量震害结果显示 ， 由于构件内型钢的作用 ． 使 得型钢混凝土结构的延性远高于钢筋混凝土结构 在 1 9 9 5年 日本阪神地震中． 高层建筑采用钢筋混凝 土结构的破坏率高切程度严重 ． 而采用型钢混凝土 结构的破坏程度较轻微 笔者运用 S A T WE对某超高层建筑分别采用钢 筋混凝土体系和型钢混凝土体系进行有限元分析和 弹性动力时程分析 ． 其结果表 明： ①两种体系的层间 位移角均可满足规范要求 ． 但 型钢混凝土体系 的位 移角约为钢筋混凝土体系的 1 ．4 倍； ②钢筋混凝土体 系仅在裙楼部分扭转系数大于 1 ． 5 ． 而型钢体系则几 乎每层的扭转系数均超过该值 分析其原因． 应是竖向构件的尺寸变化所致 ． 除 核心筒外 ． 钢筋混凝土体系除了在人 口处有两幅巨 大的 T型墙 以外 ， 角柱尺寸达 8 0 0 x 2 8 0 0 ． 其 刚度 已 不可忽视 ， 而型钢混凝土体系的柱尺寸较小 ． 其刚度 与核心筒相 比过小 虽然在常遇地震作用下 ． 型钢混凝土体 系抗扭 系数超出规范要求 ， 但其它参数 ( 如层间位移角 、 最 大位移等) 则仍满足规范要求 ． 不能据此认为结构是 不安全的 ．因此有必要了解结构在大震作用下的力 学特征 笔者采用 E P D A程序对两种结构体系的弹 塑性进行动力时程分析 ． 选用 T A F T波 ． 最大加速度 2 2 0 c m ／ s 2 ， 其结果见表2 ， 可以看出： 表 2弹塑性动力时程分析结果 ( 1 )两种体系的层间位移角均可满足规范要求 ． 且两者相差不大 ． 型钢混凝土体系 的位移角约为钢 筋混 凝 土的 1 ． 2倍 ： ( 2 )从最大层间位移角曲线看 ． 两种体系均无明 显突变 ． 也就是说不存在明显 的抗侧力薄弱层 ： ( 3 ) 从塑性铰图分析 ． 在同样的地震波作用下 ， 型 钢混凝土体系的塑性铰远比钢筋混凝土体系要少 以 l 5层为例 ． 采用型钢混凝土体系仅在边梁出现 2处 塑性铰 ， 而采用钢筋混凝土则在连梁、 中粱 、 边梁共 出现 了 1 1 处塑性铰 ． 说明型钢混凝土体系在抵抗水 平力方面的能力远高于钢筋混凝土体系 D B J ／ T 1 5 — 4 6 — 2 0 0 5 《 广东省实施< 高层建筑混 凝 土结构技术规程) ( J G J 3 — 2 0 0 2 ) 补充规定》 对型钢 混凝土框架～钢筋混凝土简体的最大适用高度作出 了明确规定 ． 比钢筋混凝土框筒结构提高约 5 0 ％． 可 以看作是对型钢混凝 土体系优越抗震性能 的认 可 6 梁柱 节点 梁柱节点宜采用柱钢骨贯通型． 且应采用刚性连 接 ． 其连接构造应符合钢结构节点连接的构造要求 当柱型钢腹板有梁纵筋需要穿过时．其开孑 L 截 面损失率不宜大于 2 5 ％． 柱型钢翼缘不应有粱纵筋穿 过 ，若无法避免则必须控制其截面缺损率小于 1 0 ％． 并予以补强且按柱端最不利组 合的 M、 N验算有孑 L 截面的承载力 柱 的型 钢芯 柱应 在对 应 于梁钢 骨 的上 下翼缘位置设置水平 加劲肋 ．其厚度应与 梁端型钢翼缘相等且 大于 1 2 m m． 水平加劲 肋 角 部 应设 置排 气 孑 L ．以免混凝土浇灌 时出现空洞 最常用 图4 梁柱型钢节点 的形式如图4． 应力传递平顺合理 ． 但会妨碍混凝土 浇灌施工。 为确保梁纵筋的握裹力和混凝土的灌实 ．梁纵 筋与平行方向型钢翼缘 的净距不应小于 3 0 m m． 且不 小于粗骨料最大粒径的 1 ． 5倍。 当钢梁腹板采用 高强 螺 栓与 型钢芯 柱 连接时 ．应注意钢梁 腹板 上 的螺栓 孑 L 不 应 靠近柱箍筋孑 L ．以免 产生 钢 梁腹板 撕裂 现 象( 如图5 ) 。 ( 下转第 4 0页 柱内型钢 梁内 劲肋 } 。 -且 、壁 蕉 0 。 高强螺栓孔， — = E = = == ： L一 柱 孔 钢 图 5 梁内型钢腹板预留孔之间裂缝 3 7 维普资讯 2 0 0 7 年2 月 第2 期 广东土 木与建 筑 F E B 2 0 o 7 N o ． 2 接的内侧 ． 环向拉力起到控制作用 ： 『 组合工况 4 ] 最大拉应力 3 ． 4 8 9 MP a 和最大主应 变 0 ． 5 1 x 1 0 - 4 均位于水池池壁与底板交接的内侧 ． 以 及底板与池壁交接的下部， 竖 向弯矩起到控制作用 ： 『 组合工况 5 ] 最大拉应力 2 ． 2 4 M P a位于水池池 壁 内侧中下部位 ． 而最大主应变 9 ． 9 4 x 1 0 - 4 则位于池 壁与底板交接的外侧 ． 环向拉力起到控制作用 。 由以上分析可知 ． 组合工况 3 5均已出现裂缝 但其长度并不大 ． 裂缝区域集中在水池池壁与底板 的交接部分 裂缝区域相对集中的主要原因除了底 板和顶板对混凝土预压应力的削弱外 ． 模拟过程中 设置底板和池壁之间为固接 ． 因此它们相互之间均 不发生相对位移． 导致其连接刚度过大而无法 自由 变形 ． 且未考虑地基土的侧移 ， 因而容易产生裂缝 ， 实际工程中底板和池壁之间的连接可看成是弹性连 接 ． 故其抗裂性能有所增大。本文的模拟考虑 了顶 板和底板对水池池壁的约束作用 ． 因此对实 际工程 具有一定的参考价值 4结论 本文利用 A N S Y S有限元分析软件． 采用命令流 方式 ， 考虑荷载组合和顶板与底板对池壁的影 响， 对 有预应力的圆形水池进行 了数值模拟分析 ．得到有 益于工程实践的设计依据 ， 其主要结论如下： ( 1 )单工况分析( 分别考虑 3种单个工况) ： 分析 单个工况下应力分布状态及其控制因素 ．得出水池 底板和顶板对预应力筋产生的混凝土预压应力有削 弱作用的结论 ： ( 2 )组合工况分析( 考虑 5种组合工况 ) ： 环向应 力和竖向弯矩起到控制作用 ，池壁与底板的交接处 最易产生裂缝 ， 设计施工时应加强该处的抗裂措施。 参考文献 『 1 ]G B 5 0 0 6 9 — 2 0 0 2 给水排水工程构筑物结构设计规范[ S ] 『 2 ]C E C S 1 3 8 ： 2 0 0 2 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设 计规程『 S ] 『 3 ]忻鼎康 ． 腾裕珠 ， 施荣华．上海科技馆地下室预应力外墙 仿真计算 分析 [ J ] ． 建筑结构 ， 2 0 0 3 ( 2 ) 『 4 ]何德湛．无粘结预应力技术在 圆形水池中的推广和应用 『 J ] ．土木工程学报 ， 2 0 0 2 ( 4 ) 『 5 ]李风茹 ，何建．无粘结预应力 圆形贮水池结构设计与工 程测试『 M] ． 应用科技 ， 2 0 0 2 ( 2 ) 『 6 ]陈平 ， 史志利 ， 高家增．大型混凝土蓄水构筑物裂缝的防 治 [ M] ．中国给水排水 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ( 上接第 3 7页) 7结 语 某超高层结构设计采用型钢混凝土组合结构体 系， 不仅解决 了大跨度梁高度受限的问题 。 还减小了 柱截面， 增大了柱刚度 ， 提高了结构的抗震性能 。虽 然土建成本稍高于普通混凝土结构 ． 但考虑到由此 增加了使用面积和降低层高、 缩短工期等因素 ． 其综 合经济效益一般可为业主接受 该工程于 2 0 0 4年 8月通过超限审查 ． 正因为采 用了型钢混凝 土组合结构体系 ． 审查专家才同意适 当放宽平面扭转 比． 这一点对今后的工程设计有着 重要 的参考意义 ． 如我院 目前正在设计 的保利集 团 大厦 f 3 5层． 1 5 0 m) 也存在着类似的筒体严重偏心的 状况 ， 可采用该工程 的设计思路予以解决 。 参考文 献 [ 1 ]J G J 1 3 8 — 2 0 0 1 型钢混凝土组合结构技术规范 [ S ] 4 0 [ 2 ]J G J 1 3 8 — 2 0 0 1 高层建筑混凝 土结构技术规程[ S ] 『 3 ]G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 建筑抗震设计规范[ S ] [ 4 ]G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 混凝土结构设计规范[ S ] [ 5 ]D B J ／ T 1 5 — 4 6 — 2 0 0 5 ( 广东省标准) 高层建筑混凝土结 构技术规程( J G J 3 — 2 0 0 2 ) } b 充规定[ S ] [ 6 ]刘维亚主编． 型钢混凝土组合 结构构造与计算手册 [ M] ． 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 4 『 7 ]李惠著．高强混凝土及其组合结构 [ M] ． 北 京 ： 科学出版 社 ． 2 0 0 4 [ 8 ]薛素铎 ， 赵均 ， 高向-T -- ~著．建筑抗震设计 [ M] ．北京 ： 科 学 出版社 ． 2 0 0 3 『 9 ]徐培福等．高层 型钢混凝土框筒混合结构抗震性能试验 研究 [ J ] ．建筑结构 ， 2 0 0 5 ( 5 ) 『 1 0 3 徐培福 ， 傅学怡等编著．复杂 高层建筑结构设计 [ M] ．北 京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 2 维普资讯