钢斜撑在超限高层结构设计中的应用

龚　兵

(福建省建筑设计研究院　福建福州　350001)



钢斜撑在超限高层结构设计中的应用

龚兵

(福建省建筑设计研究院福建福州350001)

某超限高层结构因受制于建筑体型、平面布局、使用功能等因素，框架柱、梁截面尺寸受限，且无法增设剪力墙，采用一般的框架—核心筒结构体系难以满足规范关于层间位移角及位移比限值的要求。文章阐述了钢斜撑在超限高层结构设计中提高抗侧刚度及抗扭刚度的作用，介绍了跨层钢斜撑的合理设置、节点构造以及增设钢斜撑前后的分析计算对比，并简要摘录了结构抗震性能化设计的计算结果。

超限高层结构；高宽比；抗侧移刚度；抗扭刚度；钢斜撑

0　引言

高层建筑的发展日新月异，对建筑布局及使用功能的要求也越来越高，使得结构体系的布置受到了诸多限制，这就对结构工程师提出了更高的要求。如何在满足建筑使用功能及舒适度的前提下，通过适当的结构构件布置，完成优质的结构设计，达到安全、经济、美观的目的，是每个结构工程师所追求的目标。

某超限高层建筑因受到建筑体型、平面布局及使用功能的限制，采用一般的框架—核心筒结构体系难以满足规范关于层间位移角和位移比限值的要求；通过在主楼两端设置跨层钢斜撑，在不影响建筑使用功能的前提下，有效地提高了结构的抗侧刚度和抗扭刚度，减小了结构的变形，改善了结构的抗扭性能。本文介绍了该工程跨层钢斜撑的合理设置、节点构造以及增设钢斜撑前后的分析计算对比，并简要摘录了结构抗震性能化设计的计算结果。

1　工程概况

1.1项目简介

本项目为两栋独立的高层办公楼和一栋高层住宅，由4层裙房相连，地面以下设3层连体地下室，总建筑面积约为15.3hm2。

结合建筑的使用功能，在地面以上设置两道抗震缝，将结构分成3个独立的抗震单元，以提高结构的抗震性能。图1为其中的办公1#楼及其部分裙房，图2为1#楼5～19层结构平面示意图，图3为20～26层屋面结构平面示意图；20层以上至屋面建筑东侧收进两跨。建筑物高度为118.80m。

1.2基本设计参数

本工程结构重要性系数1.0，结构设计使用年限50年，建筑抗震设防类别为标准设防类[1]，抗震设防烈度为7度(0.10g)，地震分组第二组，抗震构造措施按7度，场地土类别为Ⅱ类。

本工程建筑物高度超过100m，按照有关规定应进行工程场地地震安全性评价，抗震计算的相关参数应根据安评报告最后确定。本项目的《工程场地地震安全性评价报告》给出了场地地震动参数，结构设计中采用《建筑抗震设计规范》[2]中规定的地震动参数与场地地震动参数双控的设计原则：特征周期取0.60s，水平地震影响系数最大值取0.083，峰值加速度为37cm/s2。

场地基本风压为0.70 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度为B类，承载力设计时按基本风压的1.1倍采用。

本工程采用冲钻孔灌注桩基础，桩端持力层为强风化(2)。地基基础设计等级甲级。

2　结构设计要点

2.1结构布置

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]规定，本工程属于A级高度的高层建筑结构，可采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。根据相关规范[2,3]，本工程结构抗震等级如下：上部框架和剪力墙抗震等级除第18～21层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级为一级外，其它均为二级；地下一层为二级，地下二、三层为三级。钢斜撑抗震等级为三级。

经计算表明，上部主楼与下部裙房的质心偏心距大于裙房相应边长的20%，形成塔楼偏置，详见图1；裙房以上多个楼层考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2，形成扭转不规则；此外，第20层以上东侧建筑平面收进，收进尺寸大于原建筑宽度的25%，形成尺寸突变，详见图2、图3；根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[4]，本工程属于同时具有3项以上不规则的超限高层建筑。

本工程上部标准层层高4.5m，甲方要求考虑实际使用时设置夹层，夹层荷载均落于楼层梁上，因此楼层的恒、活荷载与正常相比增加较多。本地区类似高度的高层建筑，一般位移均为风荷载控制，而通过试算发现本工程为地震作用起主要控制作用。

由图2、图3可以看出，本工程上部宽度29.4m，相对于建筑物高度118.8m而言，高宽比已大于4，且核心筒宽度6.4m，仅为建筑高度的1/18.5，偏小；此外，柱距较大，核心筒与外侧框架柱的间距为11.5m，而由于考虑到建筑平面布置及夹层采光等要求，所有框架柱的截面尺寸及框架梁的梁高均受到诸多限制；调整后主要截面尺寸：框架柱1 300～1 000×1 300型钢混凝土柱，框架梁400×900钢筋混凝土梁，核心筒剪力墙厚度600、500收至400mm。

尽管反复调整结构布置及构件尺寸，初步计算结果，在Y向地震作用下结构层间位移角还是大于1/600，远远大于“高规”[3]所规定的1/800限值，位移比也超过了1.5；即使大幅度增加核心筒剪力墙墙厚(例如增加到800mm)，对层间位移角的改善也不起太大作用，仍仅略小于1/600，位移比则未见变化。另一方面，本工程因为建筑使用功能的要求，除核心筒外其他较为适合的位置均无法设置剪力墙，无法通过增设剪力墙的方法来增大抗侧刚度和抗扭刚度。因此，如何有效地提高结构的抗侧、抗扭刚度，减小结构的变形，改善结构的扭转性能，使结构的层间位移角和位移比满足规范限值的要求，就成为本工程结构设计中亟需解决的问题。

2.2斜撑设置

一般情况下，在结构楼层之间设置柱间斜向支撑，与框架梁、柱形成空间桁架，可以有效地提高结构的抗侧刚度。因此，在与甲方及建筑专业反复沟通之后，决定在主楼东西两端地面以上部位设置四组钢斜撑，如图4所示。

考虑到柱距为11.5m，层高大多仅为4.5m，如在单层内布置，斜撑角度太小，受力不合理，无法充分发挥斜撑作用；而且地上一层为重要商业功能，主楼和裙房之间为商场的主要通道，希望尽可能减小斜撑布置造成的影响，因此将斜撑跨3层设置，如图5所示，既满足了建筑功能及美观的要求，又实现了较为合适的斜撑角度，使得斜撑受力较为合理，充分发挥作用。

斜撑采用350×350方钢管，壁厚40mm。钢斜撑主要承受拉、压力，因而斜撑两端的水平楼层框架梁将受到拉、压作用。为了保证斜撑轴力的有效传递，斜撑两端与楼层相交处的框架柱、框架梁(一层梁除外，因为此处斜撑轴力直接传到地下室剪力墙)均设置为型钢混凝土柱、梁，如图5所示。

第20层以上平面收进后，按原建筑平面布置，7轴以东的剪力墙均需要取消。如果不设斜撑，20层以上结构位移角无法满足规范要求；如果仍然在建筑东西两端设置斜撑，则将出现斜撑不连续，上部斜撑的内力无法传到下部斜撑或直接传到基础。因此通过与甲方、建筑专业协商，调整建筑平面布置，将7～10轴之间的剪力墙延伸到屋面，如图3所示，而两端钢斜撑仅设置到20层，避免了上部收进部位斜撑设置不连续。此外，受地下停车库汽车通道限制，斜撑不允许延伸到地下室，无法直接落到基础，因此在斜撑底部地下室处设置两片800mm厚落地剪力墙，将斜撑推力可靠地传递到基础，如图5所示。

表1所示为剪力墙厚度不同时以及设置斜撑前后结构的最大层间位移角及位移比。

表1　不同布置下结构最大层间位移角及位移比

计算结果表明，主楼两端设置钢管斜撑后，有效地增强了结构的侧向刚度及抗扭刚度，减小了结构变形，改善了结构的抗扭性能，使结构的层间位移角得以满足规范的要求，同时也减小了结构的最大位移比。

2.3节点构造

各段跨层斜撑两端与型钢混凝土柱、型钢混凝土梁连接节点如图6所示，斜撑在各中间楼层处与相应位置的钢筋混凝土框架梁无连接，仅穿过混凝土楼板上预留的洞口，如图7所示。因中间有两层混凝土楼板的水平约束，跨层斜撑的无支长度大幅减小，有效地提高了斜撑的稳定性。

钢管斜撑拟在主体结构封顶后安装，以尽量减少结构自重荷载作用产生的斜撑变形和内力，使斜撑主要在结构承受地震及风荷载作用时发挥作用。考虑到施工便利，可以在楼层施工时将钢管先行就位，中段钢管与两端节点暂时由安装螺栓连接，待主体结构封顶、填充墙体大部分砌筑完成后，再将钢管斜撑焊牢。

3　结构分析计算

本工程为超限高层结构，结构设计采用了性能化设计的方法，将结构的预期抗震性能目标定位在D级且结构关键构件的抗震性能在中震下略高于性能水准3[3]。结构设计计算采用了多工况、多程序分析，按最不利工况控制。限于篇幅，性能化设计的具体内容就不在本文详细介绍，在此仅简要摘录本工程结构抗震性能分析的主要结果。

(1)小震(多遇地震)下弹性静力分析主要结果如表2。计算表明：主体结构位移、刚度等指标均满足规范要求；结构平动、扭转振型清晰，满足规范要求；层刚度比、偏心率、楼层抗剪承载力比、剪重比、刚重比、轴压比等其它各项指标均满足规范要求。钢斜撑承担的规定水平力下地震倾覆力矩百分比为30.4%。

表2　小震弹性静力分析主要结果

(2)小震下弹性动力时程分析结果如下：地震作用下最大层间位移角分别为1/1 031(X向)、1/880(Y向)；结构位移及楼层剪力曲线较均匀、无突变；除上部个别楼层外，结构反应均小于CQC法。设计配筋按最不利控制。

(3)中震(设防地震)下计算结果表明：底部加强部位竖向构件满足抗剪弹性、抗弯不屈服的设计要求。

(4)根据计算结果，(1-1)轴的两组斜撑(A-B轴、C-D轴)轴力明显较(1-13)轴的两组为大，表3列出了在中震作用下(1-1)轴各层钢斜撑的内力。

表3　中震作用下(1-1)轴各层钢斜撑内力(kN)

根据《钢结构设计规范》[5]，计算出了各层四根钢斜撑在组合内力下的最大稳定应力，如表4所示。其中应力A为最大组合受压轴力下的最大稳定应力，应力B为在“1.3Ey+0.2x1.4Wy”组合下的最大稳定应力。由于钢管斜撑拟在主体结构封顶后安装，且高层建筑活荷载所占比例较小，因此斜撑的实际受力状态应该较为接近应力B情况。

表4　中震作用下各层钢斜撑最大稳定应力(kN/mm2)

斜撑采用Q345钢管，壁厚40mm，钢材的抗拉、压的强度设计值为265kPa。钢斜撑在中震作用下实际受力状态的最大稳定应力为228kN/mm2，应力比0.86，满足中震弹性的要求。

(5)大震(罕遇地震)下结构静力弹塑性分析表明：结构在罕遇水平地震作用下的最大弹塑性层间位移角分别为 1/188(X向)、1/299(Y向)，小于《高规》[3]第3.7.5条规定的弹塑性位移角限值，结构能够承受罕遇地震的作用，满足“大震不倒”的抗震设防目标。

通过分析计算表明：本工程结构抗震设计满足了小震弹性；中震底部加强部位竖向构件抗剪弹性、抗弯不屈服，钢斜撑中震弹性；满足大震下的截面控制条件及弹塑性层间位移角限值的要求，使得结构的关键构件的抗震性能在中震下略高于性能水准3的要求，故而整体结构的抗震性能高于D级标准。

4　结语

本工程属于超限高层建筑，因受到建筑体型、平面布局及使用功能的限制，采用一般的框架-核心筒结构体系难以满足规范关于层间位移角及位移比限值的要求，也无法在其他较为适合的位置增设剪力墙；通过在主楼两端设置跨层钢斜撑，在不影响建筑使用功能的前提下，有效地提高了结构的抗侧刚度和抗扭刚度，减小了结构的变形，改善了结构的扭转性能，使结构的位移指标满足了规范的要求。

本工程结构采用了抗震性能化设计的方法，并对钢斜撑这一关键构件要求在中震作用下保持弹性，计算结果表明整体结构的抗震性能高于D级标准。

[1]GB 50223-2008 建筑工程抗震设防分类标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]JGJ 3-2010 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.

[4]建质[2010]109号 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S]，2010.

[5]GB 20017-2003 钢结构设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2003.

龚兵(1967.07-)，女，硕士，高级工程师，一级注册结构工程师。

The application of steel diagonal bracing in design of exceed-code high-rise structure

GONGBing

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute, Fuzhou 350001)

Restricted by the building size, architecture layout and using function, the section size of frame columns and beams are limited and the shearwall could not be increased also in an exceed-code highrise structure. So the interlayer displacement angle and displacement ratio can not meat the standard limit by adopting the normal frame-corewall structure system. In this paper the function of steel diagonal bracing in enhancing the lateral stiffness and torsional stiffness of the exceed-code high-rise structure is expounded. The diagonal bracing setting, the joint construction, the analysis and calculation comparison before and after adding diagonal bracing are introduced. The results of performance-based seismic design of structure are given briefly.

Exceed-code high-rise structure; Height-width ratio; Lateral stiffness; Torsional stiffness; Steel diagonal bracing

龚兵(1967.07-)，女，高级工程师，一级注册结构工程师。

E-mail:623427964@qq.com

2010-01-28

TU973

A

1004-6135(2016)02-0038-05