高层建筑结构设计研究

□文/王跃辉

工程概况

天津市肿瘤科学研究中心坐落于宾水道与卫津南路交口，地下3层，地上25层，建筑物主体为住院楼，裙房为研究中心，地下建筑为人防、设备用房及汽车库。

地下各层高度为地下3层4.5 m，地下2层4.0 m，地下1层5.4 m；地上高度110 m，建筑面积91 000 m2。

工程为高层建筑，天津市属于高烈度地震区，设防烈度为7度，基本地震加速度为0.15g，场地Ⅲ～Ⅳ类，地震作用强烈。因此结合建筑使用功能及结构特点等采用框架―剪力墙结构体系，但对框架选择何种体系是关键问题，它必须具有较强的抗震性能，成本低，技术先进的结构体系。按材料划分可选择：纯钢结构、型钢混凝土结构或钢筋混凝土结构。

其中纯钢结构框架结构成本较高，未采用。针对选择型钢混凝土柱框架结构还是钢筋混凝土柱框架结构，需要从结构性能、技术和经济、建筑使用功能等方面进行深入比较研究。

2 种结构方案概况

钢管混凝土叠合柱框架柱结构

钢管混凝土叠合柱（以下简称“叠合柱”）结构是一种新型建筑结构，是由截面中部钢管混凝土和钢管外钢筋混凝土叠合而成的柱。叠合柱可为方形截面、矩形截面或圆形截面。叠合柱的内外组成部分可不同期施工，也可同期施工。不同期施工是指，先浇注管内混凝土形成钢管混凝土柱，承受部分施工期间的竖向荷载，后浇注管外混凝土。同期施工是指，同时浇注管内混凝土和管外混凝土。同期施工的叠合柱可称组合柱。

叠合柱的主要优点如下。

（1）钢管内浇注高强混凝土，钢管的约束作用使钢管内浇注混凝土的抗压强度大幅度提高且不会发生脆性破坏。钢管混凝土位于截面中部，可以充分发挥高强混凝土承压能力高的优势，从而减少柱的截面尺寸、增大建筑的使用空间。

（2）作用在叠合柱截面上的轴向压力，按轴向刚度分配给钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土。钢管混凝土的轴向刚度随其轴心受压承载力的提高而提高。对同期施工的叠合柱，由于钢管内高强混凝土的弹性模量提高、承载力大，承担的轴压力大于按截面面积比例分配的轴压力。对不同期施工的叠合柱，浇注钢管外混凝土时，钢管内混凝土已经承受了一部分轴压力，叠合后，剩余部分的轴压力按轴向刚度分配给钢管混凝土和钢管外的钢筋混凝土。管内外混凝土强度差别越大，钢管混凝土的套箍指标越大；钢管内混凝土分担的轴压力的比值越高，钢管外钢筋混凝土分担的比值越小。

（3）截面中部的钢管混凝土提高了柱的抗剪承载力。

（4）钢管混凝土提高了节点核芯区的抗剪承载力，可简化核芯区构造，方便施工。

（5）在轴压力和往复水平力作用下，由于钢管混凝土的存在，延长了叠合柱从屈服到破坏的过程，提高了柱端塑性铰的转动能力，使叠合柱具有良好的延性和耗能能力。

（6）钢管内和钢管外都有混凝土，钢管壁不会发生屈曲。

（7）钢管外的混凝土可起到防火作用。

钢筋混凝土柱结构

钢筋混凝土结构造价低且材料来源丰富，可浇注成各种复杂断面形状，钢材用量少，而承载力也不低，侧向刚度大，整体浇注的连接点可靠，抗震性能虽不如纯钢结构，但经过合理设计也可获得较好的抗震性能。但其缺点是构件断面大，占据室内空间多，因而减少使用面积，自重大，从而基础用材更多，导致基础造价增高。

2 种方案比较

构件尺寸

本工程拟采用主要构件尺寸见表1和表2。

表1 钢管混凝土叠合柱尺寸 mm

表2 钢筋混凝土柱尺寸 mm

地震反应谱

2种结构方案地震反应谱分析主要结果见表3。

表3 地震反应谱分析

结论

（1）采用钢管混凝土叠合柱较为经济，比采用钢混凝土柱可节约混凝土10%左右，节约成本，降低造价。

（2）钢管混凝土叠合柱截面较小，约为钢筋混凝土柱截面的50%左右，增加了建筑使用面积。

（3）2种结构体系分别与钢筋混凝土剪力墙共同工作，在地震荷载作用下，最大层间位移相近，都能满足规范的要求。

（4）钢管混凝土叠合柱轴向受力性能好，承载力高，抗震延性性能具有明显的优势，因此在高烈度地震区应用较为适宜。

（5）钢管混凝土叠合柱截面尺寸小可以避免形成短柱。

因此，经研究，天津市肿瘤科学研究中心最后采用钢管混凝土叠合柱框架―剪力墙结构体系。

[1]CECS188：2005，钢管混凝土叠合柱结构设计规程[S].