创业投资大厦主体结构体系的方案确定及优化

2013-10-09栗勇涛

中国建筑金属结构 2013年2期

栗勇涛

（深圳市华筑工程设计有限公司，广东深圳 518040）

1 工程概况

深圳创业投资（VC&PE）大厦位于深圳市南山区科园路，东侧紧邻科园路，南侧紧邻滨海大道，西侧、北侧现状为施工工地。主要功能包括：办公室、展示厅、会议中心、功能厅、公共洽谈室、餐厅及停车场等。主体结构地上45层，总高度186.3m，地下三层，地下室埋深（至底板底面）13.0m。

2 结构体系

创业投资大厦采用矩形方钢管交叉斜柱网格体系，第一次采用矩形方钢管混凝土外筒+钢筋混凝土结构体系，这是在建筑结构技术上的创新。创业投资大厦与广州西塔所采用的交叉网格体系相比，交叉斜柱为圆形钢管混凝土斜柱，其受力机理及性能有很大不同，该设计体现了深圳敢为天下先的大胆开拓创新的精神，同时也符合风险投资家的追求与品位。

主体结构有以下四种方案：1.钢结构外筒+钢筋混凝土内筒；2.钢筋混凝土外筒+钢筋混凝土内筒；3.钢管混凝土外筒+钢筋混凝土内筒；4.钢结构外筒+钢结构内筒（钢框架+内藏钢板支撑混凝土剪力墙结构）。对以上四种结构形式从顶点位移、层间最大位移、风荷载作用的顶点最大加速度、材料用量及主体结构自重等参数方面进行了分析对比，最终确定为钢管混凝土外筒+钢筋混凝土内筒方案。

2.1 主体结构的选择比较

2.1.1 钢结构外筒+钢筋混凝土内筒

按此方案进行可行性分析评估，其结果显示横风向风振的加速度比较大，基本接近规范限值，桁架筒底部受压翼缘个别杆件应力超限，过多杆件应力水平比较高，且楼层在转角处大开洞，杆件的平面外计算长度系数很大，杆件由稳定控制，难以保证结构的整体安全可靠，因此予以否定。

2.1.2 钢筋混凝土外筒+钢筋混凝土内筒

按此方案进行可行性分析评估，其结果表明交叉斜柱底部轴压比接近1.0，难以满足抗震要求，对于钢筋混凝土压弯构件，当轴压比超过0.5后，构件的延性迅速下降，因为在高轴压比条件下，杆件在轴力与弯矩作用下受压边缘纤维压应变很大，当超过极限压应变以后，混凝土会被压碎，导致构件的保护层脱落和纵筋失稳，构件迅速失去承重能力。若外筒采用钢筋混凝土交叉斜柱，在地震作用下结构的延性很差，且交叉节点处钢筋很密，混凝土难以浇灌和密实。又因为交叉节点承受单独杆件的双倍轴力，因此需要将节点区扩大，而进一步加大了施工难度。采用钢筋混凝土交叉网格外筒，结构的抗震性能较差，施工速度慢，施工质量及结构安全均难以保证，因此该方案予以否定。

2.1.3 钢结构外筒+钢结构内筒（钢框架+内藏钢板支撑混凝土剪力墙结构）

按此方案进行可行性分析评估，其结果表明结构指标参数均达到设计要求。但是，该设计方案为纯钢结构，其用钢量不仅巨大而且远高于其他结构体系性能。在目前国内钢材价格形式下，该设计方案成本高，经济性能很差，只能作为替补方案。

2.1.4 钢管混凝土外筒+钢筋混凝土内筒

按此方案进行可行性分析评估，其结果显示无论是结构周期和风荷载作用下的顶点位移及层间位移，还是地震下的位移角，其结构性能参数均优于其他三种方案。总体用钢量除比钢筋混凝土内筒+钢筋混凝土外筒体系多，远少于钢结构内筒+钢结构内筒体系，也少于钢结构外筒+钢筋混凝土内筒体系。此外，由于建筑场地的限制，结构外筒柱及内筒墙的尺寸不宜过大，否则难以保证建筑面积的要求，钢管混凝土交叉柱的承载能力要远大于纯钢管及钢筋混凝土交叉柱，这也使得这种方案体系的效果要优于其他三种方案。另外我们在初步设计阶段，对钢管混凝土交叉节点及关键部位进行了实体有限元分析，分析表明我们所采用的节点在大震情况下满足规范大震不屈服的抗震要求，若我们进一步对节点进行加强，这种结构体系不但可以抵抗大震的影响，既是遇到日本福岛这样的超强地震也可以达到大震不倒塌的要求。

2.2 钢管混凝土交叉桁架外筒-内筒结构的特点

（1）交叉桁架外筒-内筒形式的筒中筒结构具有良好的抗侧刚度，即使在198m高的超高层结构中，结构设计仍然是强度控制而非变形控制，因此交叉桁架外筒-内筒结构体系形式可在更高的建筑结构中应用。

（2）桁架筒体中杆件以受轴力为主，采用钢管混凝土作为桁架筒体的杆件，结构底部杆件的应力水平不高，可保证结构的延性。

（3）由于桁架筒体结构具有优越的抗压和抗扭刚度，结构的质量分布偏心对结构的影响可忽略。

（4）钢管混凝土具有承载力高、塑性和韧性好、不易倒塌、制作和施工方便、耐火性能好、经济效果好等特点，特别是在高层建筑结构中具有很大的优势。钢管混凝土柱既可以取代钢筋混凝土柱，解决高层建筑结构中普通钢筋混凝土结构底部的“胖柱”问题和高强钢筋混凝土结构中柱的脆性破坏问题；也可以取代钢结构体系中的钢柱，以减少钢材用量，提高结构的抗侧移刚度。

（5）钢管混凝土构件的自重较轻，可以减小基础的负担，降低基础的造价。

（6）全部采用钢管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”进行施工，从而加快施工进度；钢管混凝土柱的钢材厚度较小，取材容易、价格低，并且其耐腐蚀和防火性能也优于钢柱。

3 钢管混凝土柱交叉节点的设计

本节点参考其他相类似工程节点，做法如下：

混凝土斜柱节点用钢板凳进行加强，其特征在于，所述钢板凳由中间腹板、两侧翼缘板、上下盖板、水平肋板等组成，中间腹板中间窄上下两端宽，其形状为两个梯形短边相对组成的类似于X形，梯形斜边的斜度与斜柱斜度相近，翼缘板位于腹板两侧，盖板位于腹板上下两端，水平肋板位于腹板中间。所述钢板凳被置于混凝土斜柱节点内部，其外部尺寸应尽量大，即翼缘尽量靠近斜柱外边缘。

钢板凳加强方式可在不影响建筑效果的情况下，有效改善交叉斜柱阴角部位的应力集中，弥补因斜柱交叉造成的截面削弱，增强斜柱交叉节点的承载力，从而保证整座建筑的安全性。

此节点提供一种矩形方钢管混凝土斜交网格柱空间相贯节点及其制作方法，该节点的4根矩形方钢管在矩形连接板处相交，4根矩形方钢管之间以及矩形方钢管与矩形形连接板焊接连接；环向加强板由至少两块环形钢板组成，焊接在所述中心平面焊缝处的4根矩形方钢管上，与环向加强板平行的两环板分别焊接在环向加强板上下方的圆钢管上，加劲肋板分布均匀地焊接于环向加强板与环板之间。

此构造节点所增加的钢板及混凝土刚度为斜柱在交叉处所损失的刚度一倍以上，保证了节点处不低于上下交叉斜柱的总刚度。

该节点传力明确、承载力高、质量轻、性能好、施工方便，能有效地连接上下部斜交网格柱，实现钢管混凝土柱节点空间相贯，有很好的工程应用前景。

4 抗震性能分析

我们对该设计方案进行了抗震性能评估，主要采用静力弹塑性分析方法——Pushover分析方法，并由此得到以下结论：（1）用修正的位移系数法、FEMA440等效线性化方法和能力谱法求得结构大震性能点，该点对应的基底剪力相当于小震CQC结果的4.4倍，其顶点位移相当于小震CQC结果的5.6倍；（2）Pushover分析得到的x、y两方向(如图1、图2所示）的最大层间位移角分别为1/387（x向，在第30和31层）1/365（y向，在第33和34层）；均小于1/120，满足规范要求；（3）Pushover分析得到的结构屈服的顺序是：最先为连梁屈服，然后是底部剪力墙和框架梁柱，最后是钢梁和交叉斜柱；（4）Pushover计算的大震性能点的构件损伤程度都满足预先设定的性能要求，主要发生屈服的构件是连梁，此时剪力墙都没有混凝土或钢筋纤维压坏，底部框架柱也未出现塑性铰，钢梁和支撑斜柱的也未出现抗弯屈服，验算了钢梁的剪力结果表明，钢梁抗剪尚有较大富余。综合以上结论，该结构经pushover分析方法验证，可满足“大震不倒”的设计要求，各类构件满足预定的“性能水准”。