新型超高层装配整体钢网格盒式“筒中筒”混合结构的研究与应用

余德冕等

摘 要：文章介绍了一种新型的空间钢网格盒式“筒中筒”混合结构，適用于超高层建筑。新型组合结构体系由钢-混凝土协同式空腹夹层板楼盖和网格式墙架组成外筒，与混凝土核心筒协同受力，具有较强的空间三维受力特性。空腹楼盖易实现大跨度，内外筒之间具有广阔无柱空间，可以自由划分建筑平面。网格式墙架使结构整体抗侧刚度有了很大的提升。文章通过一拟建工程实例，从经济指标、结构整体受力等方面介绍了新结构体系的优越性。

关键词：超高层结构；盒式结构；装配整体式；钢网格

随着社会经济的不断发展，城市用地的日益紧张，高层和超高层建筑越来越多的出现在人们的生活中。钢框架混凝土核心筒组合结构是我国目前最常用的超高层结构形式之一，但这种结构形式有着以下几个不足：（1）外筒抗侧刚度差，80%的水平荷载由内筒承担；（2）用钢量较大，经济性欠佳；（3）剪力滞后效应较为明显，空间受力性能不佳；（4）施工难度较大，钢结构焊接时易发生火灾安全隐患。为了克服常规框筒结构的种种弊端，文章提出了一种新型的空间钢网格盒式“筒中筒”混合结构，并为这种新结构体系在实际工程中的应用提出相关建议。

1 新型超高层装配整体钢网格盒式“筒中筒”混合结构

1.1 钢-混凝土协同式空腹夹层板楼盖

钢-混凝土协同式空腹夹层板体系是一种新型楼盖体系[1]，由马克俭院士提出，钢空腹夹层板由T型钢上、下肋和钢管剪力键组成。与常规的正交型钢密肋井字形楼盖相比，钢-混凝土协同式空腹夹层板为考虑剪切变形的“拟夹芯板”。钢空腹夹层板在工厂制作成拼装单元后，施工现场采用高强螺栓在网格节间中点处连接。拼装结束后，在上弦肋焊接抗剪钢筋，并在上表面浇筑细石混凝土板，形成钢-混凝土协同式组合空腹夹层板楼盖结构[2]。图1是钢-混凝土协同式空腹夹层板的空间示意图。

这种新型楼盖的自重较轻，跨度大，可应用于多、高层大柱网及大跨度楼盖中。贵阳的凯宾斯基大酒店楼盖就采用了钢-混凝土协同式空腹夹层板楼盖，相比普通楼盖结构自重下降30%，空腹部分可以布置水平管线从而降低了结构层高。新型楼盖还克服了传统框架“有墙就有梁”，利用轻质隔墙就可以灵活划分建筑平面。

1.2 装配整体式钢网格墙架

1.3 新型钢网格盒式“筒中筒”混合结构体系

钢-混凝土协同式空腹夹层板楼盖和钢网格墙组成了盒式结构，从水平和竖向两个方向把整体结构划分为细小网格。盒式结构作为外筒，和内部的混凝土剪力墙内筒协同工作，构成了新型超高层装配整体钢网格盒式“筒中筒”混合结构。这种新的结构形式外筒具有较强抗侧刚度，无论是水平方向还是数值方向受力均匀，构件尺寸小，内外筒间无柱空间广阔。空腹夹层板楼板布置水平管线使结构层高降低。在超高层建筑中使用新结构形式十分具有实用价值和经济价值。

2 新型超高层装配整体钢网格盒式“筒中筒”混合结构工程概况和性能分析

2.1 拟建工程概况

文章以江苏镇江新苏国贸广场拟建新型超高层装配整体钢网格盒式“筒中筒”混合结构工程为例，从结构整体受力特性，经济指标等方面介绍新结构形式的特点。拟建工程为63层商用建筑，结构总高度241.8米，抗震设防类别为乙类，设防烈度为7度（0.15g），设计使用年限为50年，工程安全等级二级，场地类别Ⅱ类，钢材采用Q345[4]。2.2.1 层间位移角和位移比

用震型分解反应谱法对拟建工程模型进行分析，考虑偶然偏心作用，得到结构的层间位移角，x方向最大为1/720；y方向最大为1/810，均小于规范规定的1/536。X方向和Y方向的最大位移比均为1.12，均满足规范要求，抗扭能力优越。

2.2.2 自震周期及动力特性

结构以平动为主的第一自振周期为4.740s，以扭转为主的第三自振周期为2.635s。二者周期比为0.56，小于0.85，满足规范的要求[5]。表明结构的平面布置十分合理。

2.2.3 风振舒适度

在10年一遇风载作用下，结构X向，顺风向顶点最大加速度为0.060m/s2，横风向顶点最大加速度为0.111m/s2；对于结构Y向，顺风向顶点最大加速度为0.059m/s2，横风向顶点最大加速度为0.108m/s2。均满足规范规定。

2.2.4 经济指标分析

表2为主要材料的经济指标表，本拟建工程的结构总用钢量为114kg/m2，混凝土折算厚度为318.9mm/m2。低于常规结构体系，新结构体系的优势还有施工的周期较短，混凝土构件施工可以与钢结构装配同时进行，进一步降低施工费用。

3 结束语

3.1 新型超高层装配整体钢网格盒式“筒中筒”混合结构的构件小，受力均匀，空间性强，抗震性能佳。

3.2 新结构形式可以实现室内无梁无柱，易于建筑设计自由划分空间。协同式空腹夹层板楼盖中空部分可以布置管线，楼层结构高度小，对超高层建筑十分有意义。

3.3 新结构形式大部分构件采用装配整体式工艺，工厂制作，现场装配，构件单元尺寸较小利于运输装吊，施工现场采用高强度螺栓连接，避免了火灾隐患，提高了施工文明程度。

3.4 新结构形式的经济性能佳，用钢量少于常规框筒结构，施工方便，速度快，也减少了施工费用和台班费用。

参考文献

[1]马克俭，张华刚，郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]张华刚，黄勇，马克俭.钢空腹夹层板在建筑楼盖改造中的应用[J].贵州工业大学学报（自然科学版），2003，32（4）：83～87.

[3]Kejian Ma，Deng Peng，Shijie Qin，Super High-rise Building （H =266m）of New Concrete Core Tube and Assembly Integral Spatial Steel Grid Cassette Tube in Tube Hybrid Structure Research and Design，Applied Mechanics and Materials，Vols.204-208，2012，p 1179-1188.

[4]GB50017-2003.钢结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[5]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

作者简介：余德冕（1989-），男，浙江温州人，硕士研究生，主要从事高层与超高层盒式结构的研究。