超高层建筑混凝土框架核心筒结构设计几点方案

唐琳恒

（黑龙江省光大建筑工程公司，黑龙江 哈尔滨150001）

1 工程概况

某广场地处繁华地带，是集商业、办公、酒店式公寓等多项功能的建筑复合体，地下5 层、地上42 层（以及出屋面水箱间、构架等），主楼地上1 层至6 层为商业、 餐饮；7 层至14 层、16 层至23 层用于办公；15 层、25 层为避难层；24 层为空中会所；26 层至42 层为项级酒店式公寓，房屋高度160m。 地下5 层主要用于机械式停车及设备机房，高度20.2m。屋面上有钢构架围护造型。裙房地上6 层（局部7 层），裙房屋顶标高为40.700m。 本工程采用框架-核心筒结构， 在地面以上主楼、裙房之间设置缝宽200mm 的抗震缝。

2 地基与基础设计

拟建的工程场地地形平坦，为人工开挖的基坑。 场区地貌形态类型单一，岩石种类单一，岩脉发育，岩体强度较高；场区赋存地下水，主要为基岩裂隙水，根据水质分析结果判定，在强透水层和干湿交替的条件下，按最不利因素考虑，拟建场区地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。

3 结构设计

3.1 设计的基本参数

结构分析基本参数为基本风压：0.7 kn／m （主楼，100 年一遇考虑）、0.6kn／m （裙房，50 年一遇考虑），地面粗糙度：b 类，特征周期：0.4s，地震荷载：6 度（0.05） ；场地类别：ii 类；地震分组：二组；抗震等级：框架2 级（裙房及主楼地下2 层～地下5 层为3 级），简体2 级（主楼地下2 层～地下5 层为3 级），主楼加强层及上下各1 层框架、核心筒取1 级；结构阻尼比：取0.04。

3.2 计算分析及特点

本工程主要采用 “高层建筑结构空间有限元分析与设计软件-satwe”进行结构整体分析。 计算表明为风荷载起控制作用，结构位移控制指标按222m 取用即为1／584。 本工程主楼标准层建筑宽27.5m、内筒宽9.5m、长31.5m，外柱至内筒最远距离12.8m、最近8.8m。 采用型钢混凝土框架，钢筋混凝土简体结构，即：主塔采用混凝土简体（考虑构造及延性在角部等内置h 型钢骨，不参与计算），十字形钢管混凝土芯柱，型钢混凝土梁（办公部分次梁采用混凝土梁）。 工程高宽比h=6.6＜7，内筒宽为总高的1／19。 内筒高宽比远远小于规范建议1／12，是本工程的最大特点。 为此综合分析了不设加强层、设加强层（伸臂桁架方案）、设加强层（刚性墙方案）等几种方案，分析计算表明需设置加强层以提高整体刚度。 计算过程中调整了墙肢及梁柱截面，为便于设备管线通过（工程两个6m 层高的加强层同时也是设备层、避难层，设置了大体积混凝土水箱、电力机房），确定了伸臂桁架的结构加强方案。

3.3 设计中应注意的事项

1）由于下部以商业、办公为主，上部以公寓为主，综合考虑周期折减系数取0.8，以±0.00m 作为嵌固端（经楼层剪切刚度比较现有建筑条件可以满足此结论）。

2）核心筒（26 层以下）短向两端（⑩轴、⑩轴）壁厚800、其余壁厚500mm（除部分小隔墙200mm 厚），长向（④轴、⑥轴）壁厚800mm，柱采用钢管混凝土芯柱1500mm， 内置十字形型钢 （两方向高均700mm，壁厚30mm），混凝土均为c60；核心筒（26 层及以上）短向两端壁厚600mm、其余壁厚400mm（除部分小隔墙200mm 厚外），长向壁厚800mm，柱采用钢管混凝土芯柱фl300mm，内置型钢（两方向高均为600mm，壁厚25mm），混凝土均为c50；钢骨梁采用450mm×750mm及400mm×750mm， 内置型钢h450×250× 16×25 及h450×200× 16×20，钢构采用q345b；外框架钢骨梁与钢管混凝土芯柱刚接，连接外框柱与核心筒墙肢的钢骨梁两端刚接（为此对墙内未设有钢柱处采用内置槽钢与型钢梁内钢梁连接，并考虑塑性铰外移），次梁均为铰接；伸臂桁架竖杆及斜腹杆采用钢骨混凝土截面，内置600×400×35 的钢骨（计算时便于计算按纯钢构，混凝土起耐久作用）。

3）核心筒外楼面采用钢筋混凝土楼板，协调外围钢框架与核心筒在水平荷载作用下的变形。

4）主楼地下室长约114m、宽约73.6m，±0.00 楼层考虑单向梁（间隔3m）方案、b2-b4 考虑了无梁楼盖方案，b5 则考虑人防荷载。

5）由于风荷载起控制作用，连梁刚度折减系数取0.8。

主要计算结果如下： t1=5.5s、t2=4.7s、t3=3.5s；风荷载作用下的楼层层间位移角接近限值，同时考虑到抗震规范指出的多遇地震标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移计算时，对弯曲变形为主的高层建筑可以扣除结构整体弯曲变形，故计算结有一定的刚度余量保证。 伸臂桁架斜腹杆的强屈比自下而上约为：0.7、0.5、0.4， 竖杆的强屈比白下而上约为：0.39、0.36、0.2。

3.4 型钢混凝土框架的应用

本工程主要节点设计需考虑型钢梁和混凝土墙内置钢骨连接时钢筋的布置， 为此与钢构加工单位沟通， 采用十字柱和钢骨梁节点，加快施工进度。 此外， 由于采用型钢混凝土框架而非钢框架，施工时不能使得混凝土简体施工和外围框架施工进度差别较大。

由于采用的混凝土等级较高， 设计提出建议采用含碱量＜0.6%的低碱水泥。 钢结构焊接分为两类，其中手工电弧焊要求采用e5015 或e5016 低氢型焊条，焊条应符合《低合金钢焊条》（gb／t 5118）的规定。埋弧焊：="" 焊丝和焊剂采用f5014-h08mna 或f5014-h10mn2，应符合《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》（gb／t12470-2003）的规定。 采用其它牌号时，熔敷金属强度、延伸率、冲击功等均应与q345b 相匹配，并经设计确认。 当采用CO2="" 气体保护焊时，CO2应符合《焊接用二氧化碳》（hg／t2537）的规定：CO2含量应不低于99.9%，水蒸汽与乙醇总含量不得高于0.005%="" ， 并不得检出液态水， 当瓶内气压低于1mpa时，应停止使用。 CO2焊接用焊丝采用er50—3，应符合《气体保护电弧焊用碳钢，低合金钢焊丝》（gb／t="" 8110）的规定。 对厚度≥10mm 钢板的拼接（全熔透焊缝），钢柱与钢梁上、下翼缘的全熔透焊缝，十字形柱、工字形柱在钢梁及其上、下各600mm 范围内的组合焊缝（全熔透焊缝），桁架与钢柱连接的全熔透焊缝，十字形柱、工字形柱横向加劲板与翼缘的全熔透焊缝，十字形柱、工字形柱翼缘安装焊缝（全熔透焊缝）要求焊缝质量达到一级；工字形柱腹板的安装焊缝（v 形坡口加垫板），十字柱腹板安装焊缝（k 形坡口，反面清根焊），十字形柱腹板与翼缘的组合焊缝，十字形柱腹板与腹板的组合焊缝（一级焊缝除外，k形坡口，反面清根焊）要求焊缝质量达n 二级；贴角焊缝均为三级焊缝。钢骨柱的分段基本以3 层1 段考虑。钢骨梁根据计算弯剪结果，采用手工复核（包括地震组合和非地震组合）。

4 结语

综上所述，对高度较高或高宽比较大的高层建筑可采用一个或多个加强层以提高结构整体刚度。 混合结构设计应考虑施工因素，注意节点设计与内置钢骨的施工质量。