吳 炅，楊蔚彪，常為華，宮貞超，劉 琳

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

0 引言

由于鋼材具有高強度、高延性，與混凝土協(xié)同作用良好等特點，鋼結(jié)構(gòu)在房屋建筑中得到了廣泛應(yīng)用，特別是大跨度建筑和超高層建筑。隨著冶煉技術(shù)的進(jìn)步，鋼材的性能也在逐漸提升。建筑常用的Q235級鋼材和HPB235級鋼筋，逐步被替換為Q345，Q390級鋼材和HPB300，HRB400級鋼筋。如今超高強度鋼筋(HRB500，HRB600)以及超高強度鋼材(Q420,Q460,Q690)已初步形成市場規(guī)模，具備在結(jié)構(gòu)中使用的條件。在部分國內(nèi)外項目中，超高強鋼材制作的鋼構(gòu)件和超高強鋼筋也已有所應(yīng)用，并取得了較好的效果。

但是，由于國內(nèi)規(guī)范中關(guān)于超高強鋼的內(nèi)容不夠完備，以及使用超高強鋼和超高強鋼筋的項目相對較少，從而導(dǎo)致的高強鋼材市場較小等多方面的原因，國內(nèi)實際工程主要采用Q390高強鋼材和HRB500強度鋼筋。更高強度的鋼材和鋼筋在實際工程中大規(guī)模應(yīng)用的案例較少。本文對北京中信大廈超高層項目采用超高強鋼筋和超高強鋼的方案進(jìn)行分析，并與現(xiàn)有實施方案對比，研究超高強鋼在高烈度區(qū)超高層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)體系

中信大廈[1]塔樓地上108層，結(jié)構(gòu)高度528m；地下7層，基底標(biāo)高-37.8m。塔樓高度遠(yuǎn)超過中國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)限值170m，為超B級高度的建筑。建筑功能由下至上分別為大堂、辦公和觀景平臺。每個區(qū)域之間設(shè)有設(shè)備層和避難層。地下7層主要為功能用房及車庫，無人防要求。

中信大廈塔樓結(jié)構(gòu)平面布置對稱，平面長寬比為1∶1。塔樓底部平面尺寸約為78m×78m，中上部逐漸沿立面縮進(jìn)，在約80層附近達(dá)到最窄，此處平面尺寸約為54m×54m，然后沿塔樓向上平面尺寸逐漸擴大，頂層最寬處約為69m×69m。鋼筋混凝土核心筒位于結(jié)構(gòu)正中央，整體結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、對稱。中信大廈結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系示意見圖1。

圖1 中信大廈結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系示意圖

地上塔樓部分結(jié)構(gòu)體系由外框筒、內(nèi)部核心筒組成。外框筒為由巨柱、巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架以及次框架組成的巨型框架筒體結(jié)構(gòu)。其中巨柱位于角部并貫通至結(jié)構(gòu)頂部，在各區(qū)段分別與轉(zhuǎn)換桁架、巨型斜撐連接。巨柱底部平面輪廓為多邊形，中部及上部為矩形，沿建筑高度向上尺寸逐漸縮小，采用多腔鋼管混凝土柱。巨型斜撐設(shè)置在各區(qū)外圍，沿外立面傾斜設(shè)置，為焊接箱形截面。轉(zhuǎn)換桁架沿塔樓豎向在設(shè)備層及避難層處設(shè)置，共8道，轉(zhuǎn)換桁架的桿件截面主要用箱形截面。外框筒傳力路徑為經(jīng)巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架、邊梁柱，再通過巨柱最終傳至基礎(chǔ)。次框架梁柱為鉸接，不參與抗側(cè)，外框筒結(jié)構(gòu)體系組成見圖2。

圖2 外框筒結(jié)構(gòu)體系示意圖

正方形核心筒從承臺面向上延伸至大廈頂層，貫穿建筑物全高，底部尺寸約為39m×39m。核心筒周邊墻體厚度從下至上由1 200mm逐步均勻收進(jìn)至頂部400mm；核心筒內(nèi)主要墻體厚度則由500mm逐漸內(nèi)收至400mm。核心筒采用內(nèi)含鋼骨(鋼板)的型鋼混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)地上1～46層范圍墻肢內(nèi)設(shè)置了鋼板，形成鋼板混凝土剪力墻。在鋼板混凝土剪力墻以上區(qū)域(47～103層)外圍墻肢內(nèi)均增設(shè)型鋼暗撐，形成鋼暗撐混凝土剪力墻。

1.2 設(shè)計條件

中信大廈位于北京市朝陽區(qū)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]，本工程抗震設(shè)計主要參數(shù)如下：工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，耐久性為100年；抗震設(shè)防分類為重點設(shè)防類(乙類)，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.2g；場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期Tg小震、中震時為0.4s，大震時為0.45s；阻尼比ξ小震、中震時為0.035，大震時為0.05。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；建筑耐火等級為一級。主要構(gòu)件抗震等級見表1，主要構(gòu)件采用的鋼材材質(zhì)見表2。

主要構(gòu)件抗震等級 表1

主要構(gòu)件材質(zhì) 表2

2 地下部分超高強鋼筋替換分析

2.1 基礎(chǔ)方案

中信大廈主塔樓下共設(shè)7層地下室，塔樓采用C50強度混凝土樁筏基礎(chǔ)，塔樓下筏板厚6 500mm，純地下室部分筏板厚2 500mm，兩部分之間由厚4 500mm的筏板過渡。所有主要豎向構(gòu)件從上部伸延至地下室，并支承于筏板。由于上部結(jié)構(gòu)重力大，不能僅僅依靠主塔樓范圍內(nèi)的樁基承擔(dān)所有豎向荷載，故筏板將會向四邊擴大，以容納更多樁基共同承擔(dān)荷載。地下室巨柱和核心筒外側(cè)設(shè)置翼墻，既能使得荷載分布更平均，又可增強筏板抗沖切承載力。

根據(jù)區(qū)域不同，主樓筏板分為核心筒下布樁區(qū)域、矩形巨柱下布樁區(qū)域、其他地區(qū)布樁區(qū)域及過渡地區(qū)布樁區(qū)域，4個區(qū)域分別設(shè)有不同樁數(shù)、樁徑、樁長的樁基礎(chǔ)。筏板形狀和樁基布置示意見圖3。

圖3 筏板和樁基結(jié)構(gòu)布置示意圖

采用ETABS軟件計算的原方案筏板底內(nèi)力如圖4所示。由圖4可知，在超高層塔樓巨柱和核心筒范圍內(nèi)，由于上部傳來的荷載很大，筏板應(yīng)力很大，計算配筋率未超出規(guī)范限值，但整體偏大。原設(shè)計方案中，除構(gòu)造鋼筋采用HRB400外，筏板底部兩方向主要受力縱筋采用HRB500，達(dá)到在滿足承載力要求的前提下，減小鋼筋網(wǎng)層數(shù)，增大鋼筋間距，有利于大體積混凝土的澆筑。原設(shè)計筏板基礎(chǔ)中配置直徑40mm間距200mm雙向10層HRB500鋼筋網(wǎng)時，承載力滿足計算要求。筏板鋼筋網(wǎng)布置剖面示意圖如圖5所示。同時，由于荷載較大，原設(shè)計方案中所有樁基礎(chǔ)均采用HRB500鋼筋作為受力縱筋，使原方案中樁基礎(chǔ)滿足受力和構(gòu)造要求。典型樁配筋示意圖見圖6。

圖4 包絡(luò)工況下筏板內(nèi)力/(×103kN·m/m)

圖5 筏板鋼筋網(wǎng)布置剖面示意圖

圖6 典型樁配筋示意圖

2.2 筏板基礎(chǔ)鋼筋等強替換計算

筏板和樁基進(jìn)行配筋計算時，主要考慮承受地上結(jié)構(gòu)傳來的荷載以及基礎(chǔ)的構(gòu)造要求。在考慮對原方案中HRB500鋼筋采用更高強度的鋼筋HRB600代替時，高強和超高強鋼筋的設(shè)計值取值見表3。

高強和超高強鋼筋的設(shè)計值 表3

采用以下公式作為替換原則：

f1A1≤f2A2

式中：f1為原設(shè)計方案鋼筋強度設(shè)計值；f2為替代方案鋼筋強度設(shè)計值；A1為原設(shè)計方案構(gòu)件配筋面積；A2為替代方案構(gòu)件配筋面積。

該替換方案可最大程度地利用原設(shè)計方案中對筏板厚度、樁基根數(shù)及平面布置的統(tǒng)計，保證替換材料后，整體結(jié)構(gòu)方案的可實施性。同時應(yīng)注意，在采取等強度替換原則時，替換后的基礎(chǔ)構(gòu)件配筋面積，不應(yīng)超出規(guī)范對應(yīng)的最小、最大配筋率等構(gòu)造要求。

作為參照對比，將相對強度更低的HRB400強度鋼筋作為替換方案進(jìn)行計算和統(tǒng)計，更直觀地反映出工程中采用典型材料與超高強鋼筋時對結(jié)構(gòu)整體的影響。各工況對應(yīng)荷載組合見表4，3種方案計算后與構(gòu)件最小配筋率比較如表5所示。

各工況荷載組合 表4

筏板采用不同強度配筋 表5

同時還應(yīng)考慮到，采用超高強鋼筋后可適當(dāng)減小鋼筋排數(shù)。結(jié)合原圖紙，每層鋼筋網(wǎng)片凈間距為50mm，雙向鋼筋直徑為40×2=80mm，筏板厚度最大處按等面積折減，筏板原厚度h0=5 800mm，折減后厚度為5 866mm。采用HRB600鋼筋，工況1下的不同厚度筏板用鋼量優(yōu)化率如表6所示。

由表6可知，采用HRB600鋼筋方案，在筏板范圍中可節(jié)省約17%的鋼筋用量，為2 550t。但同時應(yīng)注意到，采用HRB600鋼筋后，筏板配筋率減小，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[3]第7.1.2條，配筋率的下降會導(dǎo)致鋼筋應(yīng)力水平σs上升，進(jìn)而增大裂縫寬度。采用HRB600鋼筋后，彎矩最大處裂縫寬度為0.398mm，比原HRB500鋼筋方案的設(shè)計裂縫寬度0.329mm有所增加，但仍小于本項目筏板計算時采用的0.4mm控制值。

采用HRB600鋼筋不同厚度筏板用鋼量優(yōu)化率 表6

同樣采用等強原則，對樁基礎(chǔ)中的縱筋進(jìn)行替換，考慮到若采用更高強度的HRB600鋼筋，由于大部分樁為軸心受壓構(gòu)件，混凝土在協(xié)同變形作用下提前壓碎，HRB600鋼筋的抗壓承載力不能充分發(fā)揮，相比HRB500鋼筋優(yōu)勢不明顯，故引入比原方案強度更低的HRB400鋼筋作為參考對比。統(tǒng)計替換結(jié)果見表7。由表7可知，采用HRB500鋼筋方案，相比采用HRB400鋼筋方案，在樁基礎(chǔ)范圍中可節(jié)省約21%的鋼筋用量，為1 115.95t。

HRB400鋼筋樁基礎(chǔ)配筋 表7

2.3 地下室巨柱、核心筒鋼板等強替換計算

中信大廈地下室主要采用混凝土結(jié)構(gòu)，但地上的4根鋼管混凝土巨柱及其翼墻、核心筒中采用的鋼板剪力墻均延伸至地下結(jié)構(gòu)并在基礎(chǔ)錨固。對巨柱、翼墻、核心筒中的鋼板剪力墻中使用的鋼板，按公式的原則進(jìn)行等強代換。同時巨柱壁板應(yīng)遵循《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JGJ 138—2016)[4]第7.1.2條寬厚比限值，計算原則參考規(guī)范[5-6]。地下室巨柱和剪力墻鋼板布置示意如圖7所示。

圖7 地下室巨柱、剪力墻鋼板布置示意圖

地下室各部分采用不同強度鋼筋對應(yīng)替換后，用鋼量有較大節(jié)約。為充分考慮不同鋼材強度下用鋼量的變化，在原方案中采用Q390鋼材的位置，復(fù)核了采用Q345GJ鋼對用鋼量的影響。各型號鋼材取用設(shè)計值強度見表8，按構(gòu)件統(tǒng)計各部分用鋼量變化見表9，地下室巨柱、翼墻、核心筒構(gòu)件用鋼量變化見表10。由表10可得，地下室采用超高強鋼替換原方案中鋼材時，用鋼量優(yōu)化率較大，且由于地下室的抗震等級較低，構(gòu)造條件約束相對寬松的特點，可以最大化地體現(xiàn)高強鋼等強替代的優(yōu)勢。

主要鋼材設(shè)計強度 表8

按構(gòu)件統(tǒng)計各部分用鋼量變化 表9

地上部分超高強鋼替換分析地上結(jié)構(gòu)中的鋼管混凝土巨柱、轉(zhuǎn)換桁架、斜撐、鋼板混凝土剪力墻構(gòu)件用鋼量較大，且板件厚度變化對于結(jié)構(gòu)整體計算有較為顯著的影響，故將其作為本次研究的對象。由于結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)與地震作用關(guān)系密切，在進(jìn)行地上構(gòu)件等強度替換后，除應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體地震作用計算外，還應(yīng)滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]中對不同構(gòu)件構(gòu)造要求。因此在對地上構(gòu)件采用超高強鋼替換研究時，除等強替代原則外，還需要注意滿足規(guī)范構(gòu)造要求。

地下室巨柱、翼墻、核心筒構(gòu)件用鋼量總變化 表10

巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架、剪力墻采用超高強鋼替換后的材料用量對比 表11

地上構(gòu)件遵循以下超高強鋼替代原則：1)鋼材的承載力等強，即f1A1=f2A2；2)滿足最小含鋼率≥ρmin；3)滿足構(gòu)件寬厚比≤(b/t)max。巨柱外圍鋼板、豎向分腔鋼板材質(zhì)替換為低區(qū)(地下室至62層)Q390GJD,高區(qū)(63層至頂層)Q345GJC；對外圍鋼板和分腔板進(jìn)行超高強鋼材替換；水平隔板、加勁肋等鋼板材采用Q345GJC鋼材，占比較小且只需滿足構(gòu)造需求，不納入替換范圍。巨柱替換鋼板位置示意見圖8。

圖8 巨柱替換鋼板位置示意圖

巨型斜撐、轉(zhuǎn)換桁架采用焊接方鋼制作，鋼材采用Q390C和Q390GJC。核心筒鋼板采用60～12mm厚。經(jīng)統(tǒng)計，采用超高強鋼替換后的材料用量對比見表11。

由表11可知，采用超高強鋼替換Q345(GJ)/Q390(GJ)鋼材后，上部結(jié)構(gòu)用鋼量優(yōu)化程度較為可觀。但同時應(yīng)注意到，由于鋼材用量的優(yōu)化，整體結(jié)構(gòu)的剛度、自重、自振特性都會發(fā)生改變，需要重新進(jìn)行計算，驗證超高強鋼替代方案在結(jié)構(gòu)上的安全性與合理性。

針對不同強度高強鋼和超高強鋼，采用不同模型重新計算。不同材料強度結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)果對比見表12。由表12可見，在滿足寬厚比構(gòu)造要求的前提下，結(jié)構(gòu)采用超高強鋼材，其含鋼率有所降低，但對結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度的影響較小。

不同材料強度結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)果對比 表12

3 突破寬厚比限值規(guī)定下的高強鋼替換分析

3.1 結(jié)構(gòu)體系分析

通過分析可以看出，在考慮規(guī)范中構(gòu)件寬厚比限值時，替換后的結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)性能與原結(jié)構(gòu)相比變化不大，抗側(cè)剛度指標(biāo)較規(guī)范尚有一定富裕，但鋼構(gòu)件強度有較大富裕。如果能夠突破規(guī)范中板件寬厚比的限值，則高強鋼的強度能得到更充分的利用。在滿足構(gòu)件承載力前提下，突破規(guī)范對于構(gòu)件板件寬厚比限值統(tǒng)計構(gòu)件的用鋼量，并對比用鋼量和抗側(cè)剛度，結(jié)果見表13。

根據(jù)表13可得，鋼材用量在突破寬厚比限值條件時，可進(jìn)一步降低。未考慮寬厚比限值情況的結(jié)構(gòu)整體樓層質(zhì)量和剪力分布曲線與考慮寬厚情況相比變化較小，但層位移與層位移角的變化較大，應(yīng)結(jié)合項目實際情況考慮對結(jié)構(gòu)整體變形的影響。表13中Q690不考慮寬厚比限值時，整體位移角超過規(guī)范限值1/500，故在等強替代的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加鋼板厚度，保證結(jié)構(gòu)變形符合規(guī)范要求。樓層位移、層間位移角對比分別見圖9，10，圖中BT代表突破規(guī)范中寬厚比限值的計算結(jié)果。

圖9 樓層位移對比圖

綜上所述，突破寬厚比限值可有效進(jìn)一步減少用鋼量，但對結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)性能有明顯影響，應(yīng)進(jìn)一步研究，明確突破寬厚比適用范圍。

圖10 層間位移角對比圖

突破板件寬厚比限值后結(jié)構(gòu)計算指標(biāo) 表13

各規(guī)范對構(gòu)件寬厚比限值對比 表14

3.2 各規(guī)范寬厚比限值分析

參考文獻(xiàn)[7-9]的研究方法，搜集歸納總結(jié)了歐洲規(guī)范Eurocode3[10]、歐洲規(guī)范Eurocode4[11]、美國規(guī)范AISC 341-10[12]中關(guān)于構(gòu)件寬厚比限值的要求，并與中國規(guī)范對比，嘗試根據(jù)不同規(guī)范之間對寬厚比限值的不同要求，整理出更優(yōu)化的限值。各規(guī)范對寬厚比的限值具體結(jié)果見表14。由表14可知，針對本次進(jìn)行材料替換的構(gòu)件，美國規(guī)范、歐洲規(guī)范中部分寬厚比限值條件相對寬松，整體來說處于相同量級。美國規(guī)范中根據(jù)延性等級要求，鋼構(gòu)件的寬厚比要求存在差異，為高強鋼替換材料采用更為寬松的寬厚比限值提供了參考和借鑒依據(jù)。

4 結(jié)語

通過遵循中國規(guī)范構(gòu)造要求，對原設(shè)計方案的等強代換，可保證項目在抗震、抗風(fēng)條件下結(jié)構(gòu)的承載力、變形滿足規(guī)范要求，較大程度節(jié)省用鋼量。通過分析國外規(guī)范對于寬厚比限值的要求，對比國內(nèi)外規(guī)范對寬厚比限值的取值思路，考慮根據(jù)不同的延性要求設(shè)置不同寬厚比限值，可使超高強鋼在工程設(shè)計中通過合理的構(gòu)造得到充分發(fā)揮。通過本項目的分析，證明高強鋼及高強鋼筋在超高層中的應(yīng)用具有現(xiàn)實意義，對于關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)件等進(jìn)行設(shè)計能起到保證結(jié)構(gòu)安全性能、降低工程用鋼量的作用。高強鋼是未來鋼結(jié)構(gòu)和大體積鋼筋混凝土建筑發(fā)展的趨勢。