型钢混凝土组合结构在超高层建筑中的应用研究

钟瑜晨，孙正博

（兰州兰石建筑设计有限公司，甘肃 兰州 730050）

型钢混凝土组合结构在超高层建筑中的应用研究

钟瑜晨，孙正博

（兰州兰石建筑设计有限公司，甘肃 兰州 730050）

文章以兰州希尔顿酒店塔楼为例，通过PKPM结构计算软件，分别用两种方案对希尔酒店塔楼进行多遇地震下的弹性分析：一种采用的是希尔顿酒店原设计的型钢混凝土结构，另一种采用同样条件下普通钢筋混凝土结构，通过对顶部位移、层间位移角、基底剪力、周期比、剪重比等一系列参数对比分析。在同时符合规范要求的情况下，发现酒店塔楼采用的型钢混凝土结构有着：自重较轻，具有更加良好的抗震性能，且柱截面相对较小，建筑空间能得到充分的利用的特点。

型钢混凝土；组合结构；弹性分析；抗震性能

1　型钢-混凝土组合结构研究现状

型钢混凝土组合结构，又叫劲性钢筋混凝土或者钢骨混凝土结构，实际上就是钢结构外部被钢筋混凝土包裹而成的一种结构。因此，该结构同时具备钢结构和混凝土结构的优点，又克服了自身的缺点：①外部钢筋混凝土可以有效限值内部的钢骨，增强钢骨的抗屈曲能力，同时起到防火耐高温的作用；②内部的钢骨改变了混凝土易发生脆性破坏的缺点，提高了结构的延性和抗震性能；③钢骨采用的钢材强度比混凝土强度大得多，在满足承载力的前提下，减小了梁柱等构件的截面面积，同时有效地避免了混凝土徐变对结构整体稳定性的影响。国内外试验表明，型钢混凝土组合结构在低周反复荷载作用下具有良好的滞回特性和耗能能力。在80年代后期，随着我国经济发展，国家综合实力的增强，当然建筑业也进入了黄金时期，型钢混凝土结构得到了更好的发展，从1980年开始国家计划委员会开始将该结构确立为重点科研项目。随后，我国与2001年发布了《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ138-2001）之后型钢混凝土结构研究越来越多，1995～2006年国内各杂志发表论文238篇理论和试验类的越位189篇，设计和施工类的49篇。可以看出型钢混凝土结构在我国已经得到了很大重视［1］。

2　型钢-混凝土组合结构计算方法

（1）对于型钢混凝土组合结构的计算，根据目前研究，世界各地对型钢混凝土构件的计算大致可以分三种：①在试验和数值计算的基础上，基于钢结构计算理论，考虑混凝土对型钢刚度的提高，按钢结构稳定理论计算，这种算法适用于含钢率较大的情况；②基于钢筋混凝土的计算理论，方法假定型钢和混凝土是整体，然后采用钢筋混凝土相关理论计算。该方法没有考虑型钢和混凝土直接的粘结，不符合型钢混凝土构件的实际受力情况；③承载力叠加法是，日本研究者田中尚和平野道胜在1950年左右提出的，将组合截面分成钢筋混凝土和型钢两部分，在型钢局部不发生屈曲的假定下，分别计算二者的承载力和刚度然后叠加，得到型钢混凝土组合结构的刚度和承载力。承载力叠加法不需要型钢和混凝土达到正真的同步工作，只是对型钢的抗弯能力与钢筋混凝土的抗弯能力做和作为型钢混凝土组合构件的抗弯能力。另外，该方法对构件的刚度计算时以弹性理论为基础，及取二者的弹性刚度为研究作为构件刚度。我国对型钢混凝土结构计算方法主要有两种：①以概率论为基础的极限状态设计，当构件达到极限状态时，基于平截面假定，假定型钢和钢筋混凝土有着统一的中性面，利用力矩，和力的平衡建立方程；②承载力叠加法，将二者分开计算，最后叠加［2］。

（2）在进行结构计算时，型钢混凝土结构受力构件的截面的抗弯刚度EI轴向刚度EA和抗剪刚度EG可按下列公式计算［3］。

3　工程概况

兰州希尔顿酒店大楼坐落于甘肃省兰州市七里河区兰州中心商业区，地铁、高铁、航空等交通枢纽在此交会。酒店建设共32层，总建筑面积57359.47m2，不计容积率的配套建筑面积12640.53m2，地上1栋单塔，塔体平面呈规则的方形，单塔西侧有5层辅助裙房，南侧有7层辅助裙房，单塔主楼地上32层，结构高度140.6m。

4　兰州希尔顿酒店多遇震作用下的弹性分析

兰州希尔顿酒店采用结构形式为框架—核心筒结构，所在场地地震设防烈度8度，基本加速度0.20g，Ⅱ类场地，地震分组为第三组，设计年限50年。结构自基础底到十一层采用型钢混凝土组合柱，尺寸为1600×1200，内含1000×350×30×40×700×400×30×40交叉工字型钢。本工程结构模型的整体分析采用了PKPM系列的SATWE软件，对结构在多遇震作用下的结果和相关数据进行分析［4］。图1是SATWE有限元软件的模型。

图1　希尔顿酒店塔楼结构模型

通过SATWE程序对酒店进行小震弹性分析，计算结果分析如下：①第一振型结构的第一平动周期3.0056，第一扭转周期1.6280，比值0.5416小于混合结构扭转周期比0.85限值；X、Y方向的有效质量系数分别为99.57%、99.50%均符合规范要求的90%，其前三振型符合常理，模型有效；②结构的层间位移角，结构在弹性阶段X、Y方向最大层间位移角分别为1/879、1/836均满足高规要求框架-核心筒楼层层间最大位移与层高之比限制为1/800；③轴压比，在抗震结构设计中，构件轴压比是保证结构延性的重要因素，本工程轴压比符合规范要求未有大于0.75；④剪重比，本工程结构X、Y方向最小剪重比分别为3.25% 、3.68%均大于规范要求的3.2%。

5　普通现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构与之对比分析

在兰州希尔顿酒店模型的基础上建立对比模型，为了不影响对比结果，设计参数仍采用原酒店大楼结构的，只是把型钢混凝土柱、梁换成普通混凝土的框架柱和梁，其中柱截面按比例放大25%。然后，将所得结果与上述型钢混凝土框架-核心筒结构对比分析，从而判断对于超高层建筑，采用哪种结构体系具有更加显著的优越性。

（1）在不改变截面尺寸的情况下，型钢混凝土柱的同一层轴压比是0.38，而改变构件形式后钢筋混凝土柱的轴压比是0.49，轴压比主要控制的是结构的延性。对比可以看出，型钢混凝土柱比钢筋混凝土柱延性更好。

（2）通过计算所得，普通混凝土框架核心筒结果与上节酒店塔楼计算结果，对比如表1所示。

表1　普通混凝土结构与希尔顿酒店型钢混凝土结构结果对比表

通过上述两组模型计算结果对比得知：①周期比方面，普通钢筋混凝土结构和希尔顿酒店型钢混凝土结构模型周期比分别为0.553、0.5416都小于规范限值0.85。相应的型钢混凝土结构的周期比稍小一点，结构整体抗扭能力相对更好一点；②普通钢筋混凝土结构模型低层框架柱截面尺寸整体放大25%变为2000×1600，形成矮胖柱，对建筑使用面积造成相对较大影响，且又失美观性，且结构自重方面酒店型钢混凝土结构为143378t，比普通钢筋混凝土轻3%；③顶层位移和层间位移角方面，型钢混凝土结构在地震作用下的X方向最大层间位移角是1/879，Y方向最大层间位移角是1/836，而普通钢筋混凝土结构在地震作用下的X方向最大层间位移角是1/883，Y方向最大层间位移角是1/840。型钢混凝土结构在地震作用下的X方向最大楼层位移为137.4mm，Y方向最大楼层位移为145.9mm，普通钢筋混凝土结构在地震作用下的X方向最大楼层位移为135.9mm，Y方向最大楼层位移为144.9mm，两种结构在位移比上虽没有发生太大变化，但是可以看出型钢混凝土结构整体抗侧刚度和普通钢筋混凝土结构相差不大。在同时满足规范限制的情况下，型钢混凝土结构具有竖向构件截面尺寸小、延性好等优点。

6　结论

通过希尔顿酒店塔楼的工程概况、设计标准的系统介绍，依据我国现行规范对酒店塔楼的结构进行了超限审查，并对酒店进行了常规上的小震弹性分析。随后通过对比模型对酒店塔楼结构特点进行了系统的论述，现得出结论如下：①结构高度140.6m在当地属于超B级高度的超高层结构；②小震弹性计算分析结果表明，结构的平面布置较规则，竖向刚度较均匀，层间位移角满足规范要求，结构在小震下处于弹性变形状态，框架、筒体的承载能力满足二道抗震防线要求；③通过普通钢筋混凝土结构与之对比，综合对比结果得出：酒店塔楼采用的型钢混凝土结构在自振周期、最大层间位移角，顶层位移、刚重比，基底剪力等各方面小震弹性下的参数，与普通钢筋混凝土结构的计算结果差异不大。从两者模型上的差异上可以看出，型钢混凝土框架柱截面面积小，重量比普通钢筋混凝土结构轻3%，建筑面积使用率高，故希尔顿酒店采用的型钢混凝土结构，比普通钢筋混凝土结构更加具有优越性。

［1］钢与混凝土组合结构理论与实践［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］钢与混凝土组合结构设计原理［M］.北京：科学出版社，2005.

［3］型钢混凝土组合结构技术规程［S］.JGJ138-2001.

［4］李云贵，邵弘.一个新的高层建筑结构空间有限元分析软件SATWE［J］.建筑科学，1995，（2）：67-70.

TU375

A

1671-3818（2016）09-0106-02