钢-砼混合框筒结构超高层建筑结构设计关键技术

许进福

(厦门佰地建筑设计有限公司 福建厦门 361004)

1 工程概况

某项目位于厦门同安新城核心区，为甲级超高层写字楼，地上49层，地下3层，建筑总高度250m，占地面积0.2hm2，总建筑面积9.8万m2。标准层的层高为4.2m，并分别在12层、22层、34层及45层共设有4个建筑避难层，层高均为5.5m。建筑底部设有14m通高大堂，核心筒内每隔4.5m均有现浇砼板，核心筒外均无钢管柱与核心筒之间的拉结梁，仅在标高9m处沿外框架柱间设一道封闭的环梁；49层设有25m挑高的空中会所。建成后，将成为厦门同安区的地标性建筑。

该工程主楼结构采用现浇钢管混凝土柱、钢框架-钢筋混凝土筒体混合结构体系。内部核心筒壁厚为1400mm～700mm，自下而上逐渐变薄，混凝土标号C60～C50，核心筒内部对应框架梁位置布置有钢骨柱；内外筒之间除了钢结构梁外，在第34层、第45层利用避难层布置两道加强层，加强层内布置伸臂桁架。外筒平面接近方形，X、Y向落地尺寸约43.6m，外筒高宽比为5.7；内筒落地平面尺寸20.2(X向)×23.10(Y向)，内筒高宽比为12.0(X向)、10.5(Y向)。结构布置平面、建筑效果图及剖面如图1～图4所示。

图1 低(中高区)结构平面布置图

图2 34层、45层加强层伸臂桁架布置图

图3 建筑效果图 图4 建筑剖面图

拟建场地原始地貌单元属冲海积阶地，场地整体较平坦、开阔。中风化花岗岩埋深为现有地面往下28m～40m，厚度约5m～8m，下为微风化花岗岩，基岩埋深较浅。

建筑抗震设防类别为重点设防类，建筑结构安全等级为二级，设计使用年限50年。所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第三组；场地类别：Ⅱ类；特征周期根据规范为Tg=0.45s，建筑结构的阻尼比4%。 50年一遇的基本风压：0.7kN/m2，风荷载体型系数1.4，地面粗糙度类别：A类。结构抗震等级：框架为一级、核心筒为特一级。

2 伸臂加强层位置的选择

该工程高宽比基本能满足规范要求，但是由于地处厦门海边，风荷载大，风荷载作用下不做伸臂加强层，刚度比不能满足规范要求。伸臂钢桁架连续布置，穿过核心筒剪力墙，与外框架柱连接成整体，外框柱的拉压作用及钢臂的连接，进一步有效地提高整个结构的抗侧刚度及控制整体结构位移。参照《实用高层建筑结构设计》[1]第599页15.4.2-(1)，伸臂层的位置首选0.6H高度处及顶层，由于顶层建筑功能需要，设有25m挑高的空中会所，故顶层不宜设置。现根据建筑避难层位置，对伸臂层位置及数量分析比较，如表1～表2所示，结合规范要求及经济性，最佳方案即伸臂加强层设置在34层、45层。

表1 4种加强层方案周期对比

表2 4种加强层方案层间位移角对比

3 超限情况

根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》[2]附件1中的表2～表4，该工程存在的主要超限情况如下：

(1)地上高度242.850m，超过规范7度区框架核心筒混合结构最大高度190m的规定，存在高度超限的情况(图5)。

图5 加强层位置变化方案对比：(SATWE)

(2)存在的不规则项，如表3所示。

表3 该工程不规则情况表

4 基于性能的抗震设计

4.1 抗震性能目标

选用性能目标时，需综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等因素。该工程结构高度超过B级高度较多且存在不规则性，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[3](以下简称《高规》)3.11.1条及《建筑抗震设计规范》[4]附录M，最低性能目标选用C级，具体抗震性能目标如表4所示。

4.2 多遇地震下结构计算分析

依据表4，首先采用考虑扭转耦联的振型分解反应谱法进行多遇地震下结构计算分析(考虑偶然偏心和双向地震)。采用SATWE、ETABS和MIDAS 3种程序分别计算，两种程序计算出的主要指标比如层间位移角、周期比、剪重比等大致相同，同时均满足规范要求，位移比除首层、34层超过1.2外，其余均小于1.2。主要计算结果对比如表5所示。

表4 抗震性能目标

表5 主要计算结果对比(多遇地震)

图6 楼层侧向刚度比曲线图

根据《高规》第 3.5.2 条第2款，对框架核心筒结构考虑层高修正的楼层侧向刚度比γ2不宜小于0.9，由图6可知，除加强层上下层外，结构整体刚度均匀，无薄弱层，满足规范要求。加强层的设置带来了结构刚度、内力突变，并形成薄弱层，结构的损坏机理难以呈现“强柱弱梁”和“强剪弱弯”的延性屈服机制，故本项目针对伸臂层及其带来的问题，进行详细的抗震性能分析(详中、大震的计算分析)，确保结构安全。

图7 楼层承载力之比

根据《高规》3.5.3条规定，B级高度高层建筑的抗侧力结构的层间受剪承载力不应小于相邻上一层受剪承载力的75%。该工程采用SATWE软件计算，由图7可知，第2层抗剪承载力比第3层(X向0.62，Y向0.60)，首层抗剪承载力比第4层(X向0.64，Y向0.65)，不满足规范要求，其余均能满足规范要求。针对结构底部抗剪承载力超限,采取如下措施：

(1)在首层～4层楼层处、型钢柱间增设型钢梁拉结；

(2)钢管柱壁厚加大至50mm；

(3) 柱内力放大1.2倍；

(4)外框9.000标高设钢梁；

(5)底部三层剪力墙水平筋配筋加强。

其中，为了提高底部的抗剪承载力，该工程采用了3种方案对比：

方案一：外围在标高9m处设环梁，底部三层剪力墙的墙身水平筋配筋加强(底部三层剪力墙水平筋实配系数为3.0，第4 层1.15)；

方案二：外围在标高9m处设环梁，加大底部三层柱的截面；

方案三：不设环梁，加大底部三层柱截面。

设η为底部3层抗剪承载力最小值比第4层，各方案计算如表6所示，结合建筑功能使用等因素，由表6可知，选择方案一最佳。

表6 提高底部抗剪承载力的3个方案对比

按照现行规范要求，应对结构进行小震作用下的结构弹性时程分析，采用SATWE进行计算。根据《高规》第4.3.4～5条的要求采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的计算，地面加速度最大值取55cm/s2。设计选择了7组地震波(其中5组天然地震波，2组人工波)，其时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。各条地震波计算的底部剪力最小值和底部剪力平均值均满足《高规》第4.3.5.1条的要求。将地震波剪力平均值与反应谱进行比较，得到放大系数约1.1，按放大系数重新代入小震模型对反应谱分析结果进行调整。

4.3 中震下结构计算分析

中震计算地震影响系数取0.34，中震计算时，连梁刚度折减系数取0.5，中梁刚度放大系数取1.5，阻尼比取5%。中震弹性设计应采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，构件的承载力计算时材料强度采用设计值，不考虑构件抗震等级，对加强层及其上下层剪力墙、钢管柱以及底层14m高，顶层25m高钢管柱等关键构件内力放大1.2倍。中震不屈服设计不采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承载力调整系数，构件的承载力计算时材料强度采用标准值。 采用SATWE进行计算。

4.3.1结构构件中震弹性设计

结果表明：钢管混凝土柱、伸臂层及其上下层墙均处于弹性状态；剪力墙剪压比满足规范要求，抗剪截面处于弹性状态。首层的计算指标如图8所示。

图8 首层计算指标

4.3.2结构构件中震不屈服设计

由图9～图10可知，伸臂桁架满足中震不屈服要求；施工图设计时，剪力墙配筋应满足抗压弯/拉弯不屈服要求。

图9 34层伸臂桁架中震不屈服验算应力比

图10 45层伸臂桁架中震不屈服验算应力比

4.3.3中震下墙肢全截面受拉验算

墙轴力取标准值核心筒底部墙肢拉力的计算采用的荷载工况为：1.0恒载+0.5活载+1.0双向地震(中震),计算时不考虑内力放大系数。计算考虑墙肢中型钢的作用，墙肢中的型钢根据钢和混凝土的刚度比，折算为一定厚度的混凝土。最大拉应力出现在底部的核心筒角部墙肢，可以满足《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》要求。

4.4 罕遇地震下结构弹塑性分析

采用MIDAS GEN对结构进行静力弹塑性和动力弹塑性时程分析；计算模型中结构主体范围内采用刚性楼板假定，为考虑加强层楼板对桁架影响,对加强层上下层楼板采用了实际楼板刚度；考虑1.0恒载+0.5活载作为结构初始荷载，并考虑重力二阶效应；用模态加载方法进行静力弹塑性分析；动力弹塑性分析采用直接积分法；动力弹塑性分析地震波采用双向地震输入，主次方向地面加速度峰值比值为1∶0.85。

4.4.1静力弹塑性分析

根据结构的能力谱曲线与7度(0.15g)罕遇地震需求谱相交点，确定结构性能点。在性能点对应的地震作用下，结构X向层间位移角最大值为1/137(33F)，结构Y向层间位移角最大值为1/129(25F)。

4.4.2动力弹塑性分析

采用5条天然波和2条人工波进行弹塑性时程分析:大震弹塑性/小震作用下基底剪力之比为3.7～4.7；如表7，最大层间位移角均可满足规范要求。

表7 大震弹塑性作用下最大层间位移角

在7条波中，选取一条天然波T022，研究结构在天然波T022的作用下结构构件及整体的变形性能，计算其顶点位移时程曲线，具体如图11～图12所示。

图11 T022波X向顶点位移时程曲线

图12 T022波Y向顶点位移时程曲线

结构在地震波作用开始阶段，弹性及弹塑性顶点位移基本一致，时程曲线基本重合，一段时间后，结构出现损伤，耗能构件屈服，结构刚度退化，结构阻尼增大，周期变长，弹塑性位移时程曲线滞后于弹性时程曲线。

4.4.3结构构件抗震性能设计

大震下静力弹塑性推覆分析和动力弹塑性时程分析结构的破坏形态基本一致，动力弹塑性时程分析更能反映结构延性和耗能能力，更真实地模拟地震作用。在7条波中，选取一条对结构损伤较大(基底剪力及层间位移角均较大)的天然波T024，研究结构在天然波T024的作用下，结构构件及整体的变形性能，并找出结构的薄弱部位。

(1)框架钢梁抗震性能分析：在结构中高层区域框架钢梁的延性比(总变形/屈服变形)比较大，但框架钢梁绝大部分均处于弹性状态，45F伸臂层及其上下层外围边跨框架钢梁进入塑性状态，但未进入全截面屈服状态。

(2)钢管混凝土柱抗震性能分析：弯曲成分延性较大区域在两个伸臂层及其上下层，最大延性比为0.82；轴力成分延性较大区域在34层伸臂层及以下几层，最大延性比为0.72。底部14m高柱轴力成分最大延性比发生在角部为0.24，弯曲成分最大延性比为0.14。顶部25m高柱轴力成分最大延性比为0.04，弯曲成分最大延性比为0.16。均在弹性范围内。

(3)伸臂桁架抗震性能分析：两个方向最大延性比分别为1.76和1.55，均为斜腹杆，斜腹杆最大应力为390MPa已屈服；两个方向弦杆的最大延性比为0.43，处于弹性状态。

(4)核心筒混凝土连梁抗震性能分析：在5s时刻剪力墙突变处(23F)及其下几层连梁开始屈服出现塑性铰；在5s时刻大部分连梁均已开裂，10s时刻大部分连梁已经屈服出现塑性铰；15s时刻后出现塑性铰的位置趋于稳定。

(5)核心筒剪力墙抗震性能分析：在5s时刻结构底部及伸臂桁架上下几层外围剪力墙出现开裂，产生拉弯损伤；10s时刻结构大部分外围剪力墙开裂，结构底部及伸臂桁架上下几层剪力墙出现拉弯屈服和受拉屈服；15s后剪力墙损伤趋于稳定。

(6)查找出结构底层和34层加强层剪力墙的最大轴力和最大剪力，计算剪力墙的轴压比N/fcmbh和剪压比V/fcmbh0。从图13～图14可以看出：剪力墙最大轴压比均小于1，混凝土未出现压碎破坏，剪压比均小于0.15，满足截面限制条件。

图14 34层核心筒墙轴压比(剪压比V/fckbh0)简图

4.4.4弹塑性分析结论

综上弹塑性分析结果，结构在罕遇地震作用下，最大层间位移角小于规范要求，整体上可以实现“大震不倒”设防目标；大部分连梁出现不同程度塑性，形成了塑性铰，符合屈服耗能的抗震工程学概念；下部剪力墙及加强层处剪力墙出现不同程度损伤，结构薄弱部位在结构底层及加强层上下层；伸臂桁架构件斜腹杆出现屈服，弦杆处于弹性状态；钢管混凝土柱未出现屈服，大部分钢梁未屈服，剪力墙受剪截面满足截面限制条件，结构有一定的安全贮备。

5 其他设计关键技术-跃层柱的屈曲分析

5.1 恒+活荷载作用下的稳定验算

该结构首层存在14m通高柱、顶部观光会所存在25m通高柱，为保证在轴力作用下柱的稳定，采用MIDAS软件，对底层和顶层框架柱顶部施加单位力进行屈曲分析，将单位力设为变量，分析结果如下：

(1)底部柱：临界荷载Ncr=3461 462kN,恒+活N=44 034kN,安全系数λ=78.61。

(2)顶部柱：临界荷载Ncr=286 907kN,恒+活N=5709kN,安全系数λ=50.3。

由上可知：在恒荷载和活荷载作用下，底部及顶部跃层柱具有足够的整体稳定性。

5.2 恒+活+风荷载作用下的稳定验算

由于在结构顶部风荷载较大，49层25m通高柱可能在柱间侧向风荷载作用下会失稳，因此对25m通高柱进行几何非线性分析。结构整体施加的荷载工况为：恒+活+整体风+柱间线荷载风(50kN/m)+柱顶(50 000kN节点力),通高柱相关范围梁柱应力最大为330MPa，小于345MPa,接近于临界值，可认为此时为临界状态。此时柱Ncr=48 248kN,而D+L时N=5709kN，安全系数λ=8.45。故，25m通高柱在恒+活+风荷载作用下具有足够的安全储备，不致因失稳而屈曲破坏。

6 结论

某钢-砼混合框筒结构超高层建筑结构体系，论述了该工程存在的技术难点及超限情况，详细介绍了解决方案，并总结出该工程结构设计关键技术，可为结构设计人员借鉴参考。

(1)超B级高度超高层，建筑高度高，位于风荷载较大、地震作用较大地区，当需要结合建筑避难层的位置设置伸臂加强层才能满足刚度要求时，在方案前期应进行伸臂层的位置及数量比选分析，选择最佳方案；且应注意加强层设置带来的结构刚度及内力突变，应对加强层及其上下层做详细抗震性能分析，确保结构安全。应考虑在结构施工过程中竖向变形对伸臂桁架影响，对钢桁架安装及焊接顺序作相应规定。

(2)首层入口大堂14m挑高，顶层25m挑高空中会所是该工程设计关键点，除了刚度及内力突变问题，“鸡腿柱”也非常重要。通过对核心筒剪力墙设置钢框架、增大墙体配筋提高抗剪承载力；并控制层间位移角确保钢管桩稳定，对跃层钢管柱作屈曲分析，对这几个部位做了抗震性能分析，确保结构安全。

(3)框架-核心筒结构：提高结构自身刚度，控制结构最小剪重比；同时控制外框架刚度，提高外框架在地震荷载下承担的水平剪力，充分发挥外框架作为二道防线作用；对确保框筒结构的抗震性能，非常重要。

(4)通过对结构不规则程度和构件重要性分析，运用基于性能的抗震设计方法，从宏观上提出了结构抗震性能目标，并根据宏观目标分别对关键构件、普通竖向构件和耗能构件确定了性能水准，通过具体设计过程和方法实现了预期的性能目标和性能水准。

参考文献

[1] 傅学怡.《实用高层建筑结构设计》(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点(建质[2015]67号)[S].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，2010.

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