唐 珉，劉永添，陳 晨，石文智，陳偉軍

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510060)

0 引言

鋼和混凝土混合結(jié)構(gòu)體系是近年來在我國迅速發(fā)展的一種新型結(jié)構(gòu)體系，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[1](簡(jiǎn)稱高規(guī))11.1.1條及條文說明中指出，由外圍鋼框架或型鋼混凝土、鋼管混凝土框架與鋼筋混凝土核心筒所組成的框架-核心筒結(jié)構(gòu)是混合結(jié)構(gòu)中的一種典型類型。當(dāng)前，該類型混合結(jié)構(gòu)體系已被廣泛用于100m以上的超高層建筑中，通常其主體結(jié)構(gòu)的核心筒采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外圍框架柱多為型鋼混凝土柱或是鋼管混凝土柱，但鮮有采用純鋼框架柱，其核心難點(diǎn)在于對(duì)混凝土筒體與外框鋼柱這兩種不同材料之間協(xié)同工作性能的深入研究和有效解決[2-3]。

基于此，本文以某鋼框架-混凝土核心筒超高層實(shí)際工程為例，從關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)著手進(jìn)行闡述，以期為同類型工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

工程位于廣州市白云區(qū)三元里地段,處于機(jī)場(chǎng)路立交西南角，總建筑面積77 982m2，其中地上建筑面積64 347m2，地下建筑面積13 635m2。結(jié)構(gòu)高度為149.95m，地下部分設(shè)3層地下室，地下3層～地下1層層高分別為3.5，3.9，6.6m；地面以上共35層，首層大堂層高6m，2～6層商業(yè)層層高5m，7～25層辦公層(標(biāo)準(zhǔn)層)層高3.9m，30～35層公寓層層高5m，是集商業(yè)、商務(wù)辦公、公寓式辦公于一體的超高層商務(wù)辦公樓。建筑實(shí)景照片見圖1，建筑剖面見圖2。

圖1 建筑實(shí)景照片

圖2 建筑剖面圖

東西塔樓結(jié)構(gòu)平面呈長(zhǎng)方形，南北長(zhǎng)約40.80m，東西寬約47.70m，采用鋼框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，其中核心筒為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(局部埋設(shè)型鋼構(gòu)件)，墻體厚度600～200mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60～C35；主樓外框架柱在地下室為鋼筋混凝土柱，地面以上為箱形純鋼框架柱，主要截面為□950×60，□800×50，□700×40，鋼柱與鋼筋混凝土柱之間在地下1層設(shè)計(jì)為鋼骨混凝土柱過渡層。樓面除核心筒外，均采用鋼筋桁架組合樓板，鋼框架梁主要截面為HM594×302×14×23，HM482×300×11×15等。標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0；建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35s。風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，整體位移驗(yàn)算采用的基本風(fēng)壓為0.50kN/m2，承載力計(jì)算采用的基本風(fēng)壓為0.60kN/m2?；A(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，采用巖石筏板與鉆孔灌注樁相結(jié)合的基礎(chǔ)形式。

2 結(jié)構(gòu)方案中的關(guān)鍵因素

縱觀國內(nèi)結(jié)構(gòu)高度100～200m的超高層辦公樓建筑，框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系因其筒體自身抗側(cè)剛度大、建筑空間大而便于功能靈活布置等特點(diǎn)被廣泛采用。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)高度149.95m，核心筒平面尺寸為19.8m×16.0m，高寬比為9.37，核心筒面積與標(biāo)準(zhǔn)層平面面積比值約為16.28%，同樣采用的是剛度較大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但方案的重點(diǎn)則在于框架體系中柱子類型的選擇。

筆者對(duì)高規(guī)中定義的四種框架-核心筒形式(鋼筋混凝土框架-核心筒、型鋼或鋼管混凝土框架-核心筒、鋼框架-核心筒)的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，分析結(jié)果均達(dá)到高規(guī)的限值要求。對(duì)以上四種類型的框架柱，從框架柱的截面參數(shù)、整體含鋼量?jī)煞矫孢M(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比；同時(shí)，從業(yè)主的角度出發(fā)，按當(dāng)前市場(chǎng)情況(廣州市白云區(qū)三元里地段寫字樓銷售價(jià)格約35 000元/m2、出租價(jià)格4元/m2/d)，比較其長(zhǎng)遠(yuǎn)的隱含經(jīng)濟(jì)效益，并以鋼筋混凝土框架-核心筒方案作為基準(zhǔn)，衡量后期運(yùn)營期間每層增加的收益，詳細(xì)對(duì)比結(jié)果見表1。

框架-核心筒結(jié)構(gòu)方案對(duì)比匯總 表1

由表1可以看出，框架柱面積占單層面積的比例均控制在比較合理的范圍內(nèi)[3]，鋼筋混凝土框架-核心筒方案含鋼量最小，鋼框架-核心筒含鋼量最大，總體來說，鋼框架-核心筒建造期間的土建造價(jià)偏高[4-5]。但因?yàn)橥饪蜾撝浅＠w細(xì)，對(duì)超高層而言其提高的使用面積是相當(dāng)可觀的，業(yè)主方表明，本項(xiàng)目建成后將考慮大部分用來出租，因此每日出租面積的增加將帶來長(zhǎng)期的隱含增值經(jīng)濟(jì)效益。

因此，采用外框鋼柱方案的鋼框架-核心筒結(jié)構(gòu)雖然建設(shè)期投入增加，但隨著時(shí)間的推移，運(yùn)營期的經(jīng)濟(jì)價(jià)值會(huì)日益顯現(xiàn)。同時(shí)，考慮到純鋼框架柱的工業(yè)化程度高，可以省去大量的現(xiàn)場(chǎng)澆筑與復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)處理，實(shí)現(xiàn)框架部分的全裝配施工，從而節(jié)省工期，減少施工揚(yáng)塵[6]。與業(yè)主方討論后，本工程最終選用鋼框架-核心筒的混合結(jié)構(gòu)體系。

3 主要分析結(jié)果

3.1 多遇地震彈性計(jì)算

選用SATWE程序?qū)こ踢M(jìn)行多遇地震作用下的彈性分析，建立上部結(jié)構(gòu)與地下室整體模型，按單塔剛性樓板假定進(jìn)行分析，考慮扭轉(zhuǎn)和模擬施工加載，考慮+5%偶然偏心和雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，主要計(jì)算結(jié)果匯總于表2。由表2可知，結(jié)構(gòu)主要計(jì)算指標(biāo)均可滿足高規(guī)的要求。

3.2 抗震性能目標(biāo)的驗(yàn)算結(jié)果

綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場(chǎng)地條件、建造費(fèi)用等，結(jié)合高規(guī)第3.11節(jié)相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)。主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)的驗(yàn)算結(jié)果見表3。

多遇地震彈性計(jì)算結(jié)果 表2

抗震性能目標(biāo)的驗(yàn)算結(jié)果 表3

3.3 靜力彈塑性Pushover分析

為解結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下由彈性到彈塑性分析的全過程行為，并評(píng)價(jià)工程在罕遇地震作用下的抗震性能，從而進(jìn)一步判斷結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下是否滿足不倒塌的抗震性能要求。計(jì)算采用罕遇地震靜力彈塑性Pushover分析方法，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下是否滿足預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)性能，主要分析結(jié)果見表4。

靜力彈塑性Pushover分析結(jié)果 表4

根據(jù)結(jié)構(gòu)X向和Y向能力曲線、需求曲線及抗倒塌驗(yàn)算結(jié)果，本工程X，Y向的需求層間位移角分別為1/269和1/272，均小于1/100，滿足罕遇地震作用下高規(guī)規(guī)定的變形要求。在性能點(diǎn)處，結(jié)構(gòu)剛度并未出現(xiàn)明顯突變。限于篇幅，塑性發(fā)展過程不作過多描述。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問題的處理

4.1 層間位移角的控制

根據(jù)本工程多遇地震彈性計(jì)算的最大層間位移角可知，X向的最大層間位移角偏大，位于19層，達(dá)到了1/908，分析其原因主要有兩方面：一是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)平面的特點(diǎn)，核心筒剪力墻X向剪力墻剛度偏弱，高寬比達(dá)到了9.375；二是外圍框架柱采用的是純鋼框架柱，因?yàn)殇撝旧淼膫?cè)向剛度與混凝土柱相比較弱，故鋼柱對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)也較小。通常提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的方法有以下三種：外圍設(shè)置網(wǎng)格斜撐；在結(jié)構(gòu)的高區(qū)設(shè)置伸臂桁架；提高核心筒剪力墻、外框架柱截面尺寸[7-8]。鑒于建筑使用功能及幕墻立面的因素首先不選擇網(wǎng)格斜撐方式；伸臂桁架的引入則會(huì)帶來結(jié)構(gòu)層間剛度不均勻，應(yīng)力集中等一系列問題，這種方式在結(jié)構(gòu)高度150m左右的框架-核心筒結(jié)構(gòu)中很少采用；而單純加大筒體剪力墻厚度與框架柱截面的做法，將會(huì)犧牲一部分使用空間，與業(yè)主的訴求偏離。因此，項(xiàng)目組考慮加強(qiáng)核心筒剪力墻與外圍框架的空間聯(lián)合抗側(cè)能力來達(dá)到控制層間位移角的目的。

為此先作了以下試算，在同樣尺寸的核心筒剪力墻以及基本一致的結(jié)構(gòu)布置前提下，僅改變外圍框架構(gòu)件組成方式和連接方式，建立鋼筋混凝土框架-核心筒(剛接)、型鋼混凝土框架-核心筒(剛接)、鋼管混凝土框架-核心筒(剛接)、鋼框架-核心筒(剛接)、鋼框架-核心筒(鉸接)共五種框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型，從中考量整體結(jié)構(gòu)的空間受力性能，層間位移角計(jì)算結(jié)果如表5所示。

層間位移角計(jì)算結(jié)果 表5

前四種框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型方案均為剛接，僅改變外框柱的類型，顯然鋼框架-核心筒(剛接)方案的層間位移角最大。僅改變鋼框架梁與核心筒的連接方式，同等條件下，鋼框架-核心筒(鉸接)方案中X向的最大層間位移角較難滿足高規(guī)的要求，可見，采用的連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)最大層間位移角的影響較大。剛接方式可以加強(qiáng)外框架與核心筒共同協(xié)調(diào)工作的能力，使整個(gè)框架與核心筒的空間協(xié)同作用更強(qiáng)，從而有效減小結(jié)構(gòu)的層間位移角，因此本工程鋼框架梁與核心筒最終采用剛接方案。

4.2 豎向變形差的控制

超高層建筑豎向構(gòu)件的變形差異有可能導(dǎo)致梁板構(gòu)件產(chǎn)生明顯的附加應(yīng)力和過大的變形，進(jìn)而造成一系列不良影響，外框鋼柱與混凝土筒體因?yàn)椴牧闲再|(zhì)上的差異，對(duì)豎向變形差更為敏感。常規(guī)的結(jié)構(gòu)分析方法未考慮施工階段荷載工況和加載順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，且忽略了混凝土在長(zhǎng)期荷載下的收縮和徐變效應(yīng)。因此，應(yīng)對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)中外框鋼柱與核心筒墻體之間的豎向變形差進(jìn)行專項(xiàng)分析，進(jìn)而在施工過程中采取相應(yīng)的控制措施。

應(yīng)用MIDAS Gen軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工加載建模，混凝土的收縮徐變采用CEB-FIP模型，取混凝土受荷與收縮開始齡期為3d，環(huán)境相對(duì)濕度為60%，施工階段恒荷載考慮結(jié)構(gòu)自重、建筑隔墻、幕墻等附加恒荷載，活荷載按照1kN/m2輸入模型。根據(jù)施工組織計(jì)劃，采用標(biāo)準(zhǔn)施工模擬的方法，核心筒爬模施工，超前外框架6層，每1層作為一個(gè)施工步驟，每一個(gè)施工步驟為6d來進(jìn)行施工模擬分析，分別得到外框鋼柱與核心筒剪力墻的徐變量、彈性壓縮量、收縮量及總變形量，見圖4。

圖4 施工模擬加載下各樓層構(gòu)件豎向變形

由圖4可見，筒體部分的豎向變形量呈以下規(guī)律：收縮量<徐變量<彈性壓縮量，外框鋼柱的收縮量及徐變量非常小，但彈性壓縮量卻最大，甚至超出了核心筒剪力墻的總變形量。因此，外框鋼柱總的豎向變形量大于核心筒剪力墻，相連接的鋼框架梁將承擔(dān)由豎向變形差帶來的附加內(nèi)力，根據(jù)施工模擬分析后的豎向變形差計(jì)算結(jié)果，附加內(nèi)力占比在5%～15%之間，工程設(shè)計(jì)中鋼框架梁在梁端應(yīng)保證等量的應(yīng)力比富裕度，同時(shí)，考慮對(duì)節(jié)點(diǎn)采取必要的加強(qiáng)措施。

4.3 梁墻剛接加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

一般情況下，混合高層結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)的連接方式為環(huán)向鋼框架梁與外框柱采用剛性連接，而樓面梁與鋼筋混凝土筒體及外框柱的連接可選擇剛接或者鉸接。

基于層間位移角控制、豎向變形差控制等因素，本工程選擇的梁墻節(jié)點(diǎn)均采用剛接的連接方式，每層樓面梁與鋼筋混凝土筒體之間的剛性連接，類似在各層形成一個(gè)剛度較弱的“伸臂桁架”，不但空間上加強(qiáng)了外框鋼柱與筒體之間的空間協(xié)同工作性能，發(fā)揮框架結(jié)構(gòu)在二道抗震防線中的作用，也提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度及抵抗水平荷載的能力。圖5即為本工程實(shí)施的梁墻節(jié)點(diǎn)大樣示意圖。

圖5 梁墻節(jié)點(diǎn)大樣示意圖

該梁墻節(jié)點(diǎn)通過在梁端設(shè)置加腋構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)了混凝土筒體的塑性鉸外延，使非彈性作用的塑性鉸能夠離開混凝土筒體轉(zhuǎn)移至鋼框架梁上，從而消耗地震能量，避免脆性破壞，且塑性鉸有足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，具有較好的延性性能，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的目標(biāo)[9]。加腋構(gòu)造解決了鋼框架梁梁端剛接引起的支座負(fù)彎矩較大的問題，相比鉸接節(jié)點(diǎn)而言，鋼框架梁的跨中正彎矩較小，因此除梁端以外的范圍，鋼框架梁的截面高度可以相對(duì)較小，以達(dá)到保證使用凈空的需求[10]。

構(gòu)造上，樓面鋼梁與核心筒鉸接的位置以及筒體四角均設(shè)置十字形型鋼暗柱，有效地實(shí)現(xiàn)了梁墻節(jié)點(diǎn)的剛接傳力性能，型鋼柱之間通過工字形型鋼梁拉接，在核心筒內(nèi)形成了鋼骨框架，增加了核心筒筒體延性和受力性能，使核心筒剪力墻在彎曲時(shí)能夠避免發(fā)生平面外的錯(cuò)斷及筒體角部混凝土的壓潰。同時(shí)，在核心筒內(nèi)設(shè)置型鋼鋼骨后，可以適當(dāng)減小墻體厚度，增加建筑有效使用面積，同樣符合業(yè)主的需求。

4.4 外框鋼柱的屈曲分析

外框鋼柱作為重要的豎向支撐與抗側(cè)力二道防線，屈曲穩(wěn)定性分析是十分必要的。本文基于歐拉公式的彈性屈曲法，首先在YJK計(jì)算軟件中建立整體屈曲分析模型，分別選取需要進(jìn)行屈曲分析的外框角柱和外框中柱施加10 000kN單位力，對(duì)底部1～6層的整體模型進(jìn)行該單位力對(duì)應(yīng)工況下的屈曲分析，查詢外框鋼柱的屈曲模態(tài)及其模態(tài)因子，見圖6和圖7，從而確定外框鋼柱發(fā)生屈曲失穩(wěn)的臨界荷載，由歐拉臨界荷載公式反推鋼框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，表6即為典型外框角柱、外框中柱的計(jì)算結(jié)果。

圖6 外框角柱屈曲模態(tài)

圖7 外框中柱屈曲模態(tài)

外框鋼柱彈性屈曲分析結(jié)果 表6

對(duì)外框鋼柱進(jìn)行整體屈曲分析的方法，充分考慮了結(jié)構(gòu)整體剛度，特別是混凝土核心筒、樓面梁對(duì)框架柱的抗側(cè)貢獻(xiàn)，其分析結(jié)果更接近實(shí)際情況。由于鋼框架梁與核心筒之間、鋼框架梁與外框柱之間均采用剛接的連接方式，通過具有較強(qiáng)側(cè)向支撐的核心筒約束，外框架在整體模型分析中屬于有支撐框架結(jié)構(gòu)，因而復(fù)核得到的最不利計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)均小于規(guī)范值1.0，說明外框鋼柱具備足夠的安全系數(shù)。

4.5 彈塑性時(shí)程補(bǔ)充分析

根據(jù)高規(guī)3.11.4條內(nèi)容，“不超過150m的高層建筑可采用靜力彈塑性分析方法”，雖然本工程結(jié)構(gòu)高度149.95m<150m，已進(jìn)行靜力彈塑性Pushover分析，但仍然建議補(bǔ)充動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，主要原因有兩點(diǎn)：1)外圍框架采用純鋼框架柱的框架-核心筒超高層結(jié)構(gòu)，應(yīng)通過時(shí)程分析方法進(jìn)一步考查混凝土與鋼這兩種不同的材質(zhì)在罕遇地震作用下的協(xié)同抗震性能；2)結(jié)構(gòu)基本自振周期大于4s，略超出靜力彈塑性方法的適用范圍。

采用MIDAS Gen軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，計(jì)算中外框鋼柱與鋼框架梁采用彎矩-曲率單元，滯回曲線為克拉夫模型，剪力墻采用彎矩-旋轉(zhuǎn)角單元，滯回曲線為修正武田三折線模型，通過屈服狀態(tài)和塑性變形來判定塑性鉸的損傷情況。圖8為本工程底部加強(qiáng)部位1～3層的非彈性鉸狀態(tài)，從圖8可以看出，罕遇地震下，大部分外框鋼柱腳以及剪力墻的底部處于彈性階段(Linear)與第一塑性鉸屈服狀態(tài)(1st Yield)，僅有5.5%進(jìn)入第二塑性鉸屈服狀態(tài)(2nd Yield，即屈服加強(qiáng)階段)，梁鉸進(jìn)入第二屈服狀態(tài)的相對(duì)較多，約占30%，說明鋼框架梁開始起到耗能作用，但梁、柱、墻鉸均未達(dá)到極限狀態(tài)(3nd Yield)，仍具有一定的變形和承載能力。

圖8 底部加強(qiáng)部位1～3層的非彈性鉸狀態(tài)

隨著地震波的輸入逐漸增大，剪力墻剛度降低，經(jīng)過內(nèi)力重分布，部分內(nèi)力轉(zhuǎn)移使得外框鋼柱應(yīng)力增加，圖9所示為地震波輸入時(shí)間歷程中外框鋼柱最大應(yīng)力云圖。由圖9可見，外框鋼柱最大應(yīng)力為145MPa，小于鋼材的屈服應(yīng)力，鋼材在罕遇地震下未出現(xiàn)塑性，仍保持彈性狀態(tài)，滿足抗震性能水準(zhǔn)4中關(guān)鍵構(gòu)件輕度損壞、部分普通構(gòu)件中度損壞的要求。

圖9 外框鋼柱最大應(yīng)力云圖/kPa

5 結(jié)語

為了探索鋼框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用，本文通過對(duì)比高規(guī)中定義的四種框架-核心筒結(jié)構(gòu)方案，簡(jiǎn)要介紹了該類型超高層結(jié)構(gòu)的常規(guī)分析結(jié)果，初步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的安全性和合理性。并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析，闡述了鋼框架-混凝土核心筒超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采取的一系列關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，可供同類型工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借鑒。