某钢筋混凝土核心筒+钢桁架转换结构设计分析

杨 万

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司 广州 510641）

1 工程概况

某项目位于广州市白云区，主要功能为展览馆，建筑总面积为2.9 万m2，其中地上建筑面积1.4 万m2，地下建筑面积为1.5万m2。地下设2层地下室，负一层层高7.0 m，负二层层高3.8 m，为人防区域。地上平面尺寸约为68 m×48 m，共6 层，首层层高5.5 m，2～4 层层高6.0 m，5 层层高5.0 m，6 层层高5.5 m，结构总高度34.0 m。项目整体效果如图1 所示。由图1 可以看出，除角部的4个筒体外［1］，地上呈现出“悬空”的空间建筑效果。结合建筑功能和造型，“筒体”位置设置通高钢筋混凝土核心筒，并在核心筒顶部设置转换桁架下吊下部结构。转换桁架中心高度约为5.0 m，核心筒间桁架最大跨度为30.0 m，核心筒外最大悬挑长度约15.0 m。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Renderings

结构设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为乙级。抗震设防类别为丙类，设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组为第一组。根据地勘报告，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期0.35 s。基本风压50年重现期取0.5 kN/m2，地面粗糙度B 类。根据《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［2］，基本温度Tmax=36 ℃，Tmin=6 ℃，按照结构合拢温度25±5 ℃考虑温度作用。

2 结构体系和传力机制

2.1 结构体系与布置

地上首层采用钢筋混凝土框架−核心筒结构，3层及3 层以上采用钢框架−混凝土核心筒结构。其中钢框架是由核心筒顶部的转换钢桁架下吊形成，并在各层楼面处与核心筒连接，模型如图2 所示。主要构件参数及材料如表1 所示。转换桁架层共有16道桁架，其中横向（X向）和纵向（Y向）各有4 道桁架直接支撑于核心筒顶部，并将桁架下弦内嵌入核心筒以保证传力。其余桁架以此8道桁架为支座进行受力。支撑于核心筒顶部的典型桁架立面如图3所示。核心筒内采用钢筋混凝土梁板，板厚150 mm，核心筒外采用钢梁及钢筋桁架组合楼板，板厚120 mm。通过分析，混凝土框架和钢框架部分承受的地震倾覆力矩均不超过结构总倾覆力矩的10%，应按剪力墙结构进行设计，并按核心筒承担100%水平剪力进行分析配筋。查《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［3］及《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［4］可知，混凝土核心筒抗震等级为三级，混凝土框架抗震等级为三级，钢框架抗震等级为四级，转换钢桁架考虑到其受力的重要性，抗震等级提高至三级。

图2 整体模型Fig.2 Whole Model Figures

表1 主要构件参数及材质Tab.1 Parameters and Materials of Main Components

图3 典型桁架立面Fig.3 Typical Truss Elevation （mm）

2.2 传力机制

在竖向荷载作用下，2 层～5 层吊层结构先通过钢吊柱将竖向力传至钢桁架，再传至混凝土核心筒，最终传至基础。

由于核心筒外钢框架侧向刚度与混凝土核心筒相比，小了一个数量级，故2 层～5 层吊层结构在水平荷载作用下，直接将力通过每层楼板传至混凝土核心筒，最终传至基础。

3 基础设计

根据地勘报告［5］，本场地范围内下伏基岩为二叠系灰岩，灰岩属可溶性岩石，受水的化学和物理作用下极易产生溶沟、溶槽、溶隙、溶洞等岩溶现象［6］。报告中钻孔揭露溶洞、土洞的见洞率为78.7%，属岩溶强发育场地。根据地勘报告及现场情况综合考虑，本项目采用灌注桩基础，故溶洞处理为本项目桩基础的关键问题。

本工程要求在进行桩基施工前，所有桩基均进行超前钻，根据超前钻揭示的溶洞高度分情况进行处理。若溶洞高度高度不大于3 m，则在桩基成桩过程中碎石抛填处理；否则应进行压力注浆预处理［7］。注浆液可先使用水泥浆，其配合比（水泥∶水=1∶0.7）应根据现场试验调整；若注浆量超过150 m3，说明溶洞出现串洞的可能性较大，宜改用双液浆加注。

4 抗震性能化分析

本工程属于广州市白云区重点建设项目，存在扭转偏大（最大扭转位移比为1.22）、竖向构件不连续共两项不规则项。鉴于项目的重要性及其复杂程度，确定结构整体性能目标为C 级，各构件性能目标如表2所示。针对扭转偏大不规则项，提高边框梁与边框柱的承载力安全度，边框梁与边框柱的应力比不超过0.85；针对竖向构架不连续不规则项，除将钢桁架抗震等级提高至三级外，核心筒承担100%水平剪力进行分析并适当增加配筋，具体如下：首层剪力墙水平分布筋增大至0.35%，竖向分布筋增大至0.60%；2 层剪力墙水平分布筋增大至0.70%，竖向分布筋增大至0.60%；其余层剪力墙的水平分布筋和竖向分布筋均增大至0.30%。

表2 抗震性能目标Tab.2 Seismic Performance Goals

4.1 小震弹性分析主要结果

采用YJK 作为主要计算分析软件，同时采用SAP2000 对YJK 结果进行校核（见表3），由于地震作用为控制荷载，仅列出地震作用下的结果对比。由分析可知，两个软件的计算结果均比较接近，没有出现原则性冲突或矛盾的结果，证明计算结果准确可靠。

表3 小震弹性分析主要结果Tab.3 Main Results of Elastic Analysis of Slight Earthquake

另外选择受力最大的桁架进行挠度分析，如图4所示，桁架在标准组合D+L 工况下的跨中最大竖向位移为25 mm，挠度为1/1200；悬挑端最大竖向位移为39 mm，挠度为1/743，满足《钢结构设计标准：GB 50017—2017》［8］附录B中桁架挠度容许值1/400的要求。

图4 桁架变形图Fig.4 Deformation Diagram of Truss

4.2 中震弹性分析结果

在设防地震作用下，X、Y向结构的最大层间位移角为1/1 751、1/1 441。钢梁、钢柱、转换桁架等均未有应力比超限情况出现，均处于弹性状态，满足中震性能目标。

本项目由于混凝土核心筒的侧向刚度远大于钢柱，地震的水平剪力和倾覆力矩主要由剪力墙承担，混凝土核心筒大约承担了总地震倾覆力矩和总地震剪力的95%。同时，地上结构的筒体高度不高，约为30 m，地上剪力墙的剪跨比主要在0.8～1.5 之间，其破坏形态以剪切破坏为主［9］。而在中震作用下，角部核心筒剪力墙会出现偏心受拉，偏心受拉引起的水平通缝会削弱墙体的抗剪能力。小中震作用下，地上首层墙肢的基本组合工况偏拉验算结果如图5 所示。可知，小震作用下各墙肢均未出现拉应力，中震作用下部分墙肢出现拉应力，最大拉应力为1.3ftk。拉应力超过ftk的墙肢，竖向分布筋的配筋率提高至0.85%可满足中震受力要求。

图5 墙肢偏拉验算结果（括号内为小震结果）Fig.5 Tensile Stress of Wall（Slight Earthquake Results in Brackets）

4.3 大震弹塑性时程分析

采用Perform−3D 软件进行大震弹塑性时程分析。选取了2 条天然波和1 条人工波进行计算。其中地震波峰值加速度取220g，按主方向∶次方向∶竖向=1∶0.85∶0.65 三向输入。地震波作用下的整体计算结果如表4所示。可见，3条地震波作用下结构的最大层间位移角为1/525，满足文献［3］限值1/120的要求。大震下结构基底剪力是小震的4.49～5.32倍，结构部分进入弹塑性。另外，3 条地震波下结构的塑性耗能约占输入总能量的10%～15%。在塑性耗能中，钢筋混凝土连梁、混凝土核心筒约占75%～80%，钢梁约占15%，混凝土梁约占5%～10%，混凝土柱、钢柱、转换钢桁架基本不耗能，保持弹性。混凝土核心筒的拉压损伤主要集中在首层（见图6），最大压应变约为0.001，最大拉应变约为0.001 2＜0.002，基本处于轻微～轻度损伤水平；混凝土核心筒剪应力最大为0.07fck，所有剪力墙的抗剪强度满足最小截面要求，且根据大震等效弹性的试算结果，水平分布筋配筋可满足大震抗剪不屈服要求。

图6 核心筒损伤云图Fig.6 Core Tube Damage Diagram

表4 大震弹塑性计算结果Tab.4 Elastoplastic Calculation Results of Severe Earthquake

综上，各构件均满足设定的性能目标。

5 关键节点设计及有限元分析

屋顶钢桁架与核心筒角部的连接节点是本项目的关键节点。结构分析的整体模型不能将节点的应力情况反映出来，因此需要对节点进行进一步的有限元分析，以保证节点在各荷载工况下传力的可靠性。

转换钢桁架与混凝土核心筒的连接节点大样如图7所示，混凝土剪力墙暗柱范围内嵌型钢柱，型钢柱向下延伸一层；桁架下弦杆水平内插入混凝土剪力墙内，并通过栓钉将力传给核心筒。同时考虑到箱型截面弦杆与剪力墙钢筋施工上的冲突，将内插的箱型截面改为俩腹板内插。

图7 屋顶钢桁架与混凝土核心筒节点连接大样Fig.7 Sample of Joint Connection between Steel Truss and Concrete Core Tube （mm）

选取受力最大的一处节点，采用有限元软件ABAQUS 进行节点应力分析。分析结果如图8 所示。可知，混凝土墙肢最大塑性应变为7.4×10−3，损伤部位为钢桁架与支座墙的局部受压损伤，损伤范围很小。钢节点的Misses 应力最大为345 MPa，最大塑性应变为4.7×10−3，且损伤范围很小；钢筋Misses 应力最大为382 MPa，不超过钢筋的屈服强度400 MPa，可见节点总体处于弹性状态，满足受力要求。

图8 节点分析结果Fig.8 Node Analysis Results

6 施工现场钢结构吊装方案

本项目3 层～顶层的钢结构施工是施工现场的一个难点。原图纸采用的施工方案为：施工完全部混凝土结构（含地上混凝土筒体）➝组装钢胎架，施工屋顶16榀钢桁架➝施工钢桁架下3～5层钢吊柱➝施工3层钢梁及混凝土楼板➝施工4层钢梁及混凝土楼板➝施工5层钢梁及混凝土楼板➝施工桁架层钢梁及混凝土楼板。此方案的优点是施工过程中钢结构的受力方式与结构整体分析时基本一致，无需进行施工阶段受力验算；缺点是在钢构件的吊装过程中，需注意避开钢桁架，将制约施工速度，进而可能影响工期。

施工单位经过评估，按上述方案施工，工期逾期的风险性较大，于是提出了3 层～顶层钢结构“一体化”施工的方案［10］，具体如下：4 个核心筒间的3～顶层钢结构（含钢桁架，未浇混凝土板）在2 层混凝土结构楼面拼装➝通过液压同步提升设备（提升总重约1 300 t）整体提升3层～顶层钢结构➝高空对位后焊接施工➝由下而上浇筑混凝土板；核心筒外的悬挑桁架考虑分段吊装+临时胎架支撑的方法进行安装，再安装其下部结构。此方案优点是工期基本不受影响，缺点是：①需对主体结构（含基础）进行施工阶段验算，对于不满足承载力要求的构件，需采取加强措施；②施工精确性要求高，难度大，危险性大，需要充分考虑钢结构下挠及焊接形变以及台风等极端恶劣天气的影响。经多次讨论研究，施工单位对此方案编制了专项施工方案，并通过了施工方案评审会。现场亦按此方案正有条不紊的进行施工。

7 结论

⑴采用钢筋混凝土核心筒+钢桁架转换结构，以角部4 个落地核心筒作为主要竖向抗侧力构件，并在混凝土核心筒顶部设置转换钢桁架层，钢桁架下部连钢柱悬吊下部三层结构，呈现出地上“悬空”的空间建筑效果。

⑵综合本工程的基础的受力情况及本场地范围内岩溶强发育状况，基础采用钻孔灌注桩，并要求在桩基施工前对场地范围溶洞进行压力注浆处理。

⑶针对本工程的超限情况，采取了合理的结构体系、结构布置以及加强措施，并对结构进行小、中、大震下的性能分析，分析结果表明结构能满足既定的抗震性能目标，结构安全可靠。

⑷针对屋顶钢桁架与混凝土核心筒的连接节点进行设计，并对节点进行进一步的有限元分析，保证了节点在各荷载工况下传力的可靠性。

⑸综合考虑现场施工工期的影响，上部钢结构采用“一体化”施工方案，可作为类似工程提供参考。