高烈度且强风下装配式高层钢结构设计

李树杰，张卫东

（珠海铁木辛柯钢结构设计有限公司 珠海519115）

钢结构高层在国外如欧美等国家应用比较广，在我国近些年经济高速发展中，也有不少钢结构高层住宅和酒店，比如深圳市龙珠八路西保障性住房［1］、高层钢管束混凝土组合结构住宅［2］、萧政储出18号地块钢结构住宅等。

钢结构建筑是天然的装配式建筑，具有装配率高、易改造、可回收、环保等特点，符合国家倡导的装配式建筑和环保理念。钢结构高层相比传统的钢筋混凝土结构，具有增大有效的生活空间、便于管道埋设和布局、施工周期短、抗震性能好、低碳环保等优势，在不久的将来应用会更加广泛。

1 工程概况

某工程位于海口市琼山区朱云路西侧，用地北侧是15 m 宽城市规划道路，南侧为15 m 宽城市道路（大路街），西侧为居民区。

本工程共有2 个单体，分别为高度67.6 m 的酒店塔楼和高度30.75 m 的裙房。塔楼总层数为15 层，带有3 层地下室，地上的建筑平面最大尺寸为36.3 m×88.1 m；最大的塔楼柱网为9.6 m×33.4 m。

本文主要介绍酒店塔楼结构，酒店塔楼结构设计基本信息如表1所示。

另外，考虑到结构高度超过60 m，受力对风荷载较敏感，构件承载力计算时按1.1 倍基本风压计算。酒店塔楼建筑效果图如图1所示。

表1 设计基本信息Tab.1 Design Basic Information

图1 酒店塔楼建筑效果图Fig.1 Hotel Tower Building Renderings

2 结构布置

本工程酒店塔楼为高层建筑，结构的体系采用钢框架-钢支撑结构，上部结构的嵌固端位于地下室顶板。塔楼建筑平面如图2所示。

图2 酒店标装层建筑平面Fig.2 The Building Layout of Hotel Standard Floor

酒店塔楼地上结构框架梁采用H 型钢梁；在B/5-6 轴、J/4-5 轴、2/C-D 轴、6/E-F 跨间设置了钢支撑，支撑采用矩形钢管；各楼面及屋面均采用钢筋桁架楼承板。酒店塔楼钢柱截面采用钢与混凝土组合的钢管混凝土柱，该类柱具有承载力高、用钢量省的特点，钢管柱最大截面采用B800×600×35，最小截面采用B490×490×10，根据楼层高度，钢管柱内的混凝土强度等级从C50（底部）变化到C40（顶部）。焊接H 型的钢梁最大截面采用H650×350×12×30；钢支撑的最大截面采用B400×400×35；钢构件的材质均采用Q355B。

根据《建筑抗震设计规范:GB 50011-2010》［3］表8.1.3 和《钢管混凝土结构技术规范:GB 50936-2014》［4］表4.3.5 的要求，框架支撑结构在8 度区，结构高度小于100 m时，钢柱抗震等级应按一级考虑，钢梁与支撑应按二级考虑。

图3 酒店标准层结构平面Fig.3 The Structure Layout of Hotel Standard Floor

酒店塔楼结构标准层如图3 所示。通过文献［5］和文献［6］可以发现采用钢支撑不仅比混凝土剪力墙结构延性好，而且钢支撑布置在建筑四周，能够更好地提高结构抗震性能、抗风能力，同时减小结构平面不规则带来的扭转。

3 结构整体分析

本工程结构计算采用大型结构设计软件PKPM进行建模，并利用SETWE 分析结构在风荷载工况及多遇地震工况下的构件内力与水平变形。

结构整体分析时，综合考虑了刚性楼板假定、双向地震、偶然偏心等；根据《高层民用建筑钢结构技术规程:JGJ 99-2015》［7］6.1.6，结构周期的折减系数按0.9。根据文献［4］表4.3.9，结构阻尼比取0.035。计算结果如表2所示，结构振型如图4 所示，结构位移角如图5所示。

分析结果可知，规定水平力作用下的结构位移比为1.14，符合文献［7］3.3.2 条关于高层钢结构位移比不宜大于1.2的要求，而且，结构第1、2阶振型为平动，第3 阶振型为扭转，扭转周期与第1 平动周期比值为1.591 0/2.486 8=0.640，符合《高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3-2010》［8］3.4.5条关于A 级高层结构周期比不应大于0.9的要求，说明结构平面布置规则，对结构抗震有利。

表2 SETWE计算结果Tab.2 SETWE Calculation Results

图4 1～3阶振型Fig.4 1～3 Floormode Shape

图5 位移角Fig.5 Displacement Angle

地震工况和风荷载工况作用下，结构水平变形最大位移角为1/358，满足文献［4］表4.3.6关于侧移不大于1/300的要求，说明本工程采用的钢框架-钢支撑体系有足够的侧移刚度。

4 装配式连接节点

本工程的技术难点是设计满足当地高烈度、强风不利条件的装配式结构，通过本文第3 节结构整体分析可知，钢框架-钢支撑体系适合本工程的要求，有足够的承载能力抵抗地震和强风；而且，钢结构本身是天然的装配式结构，钢结构构件都是在工厂里加工，现场通过连接节点安装来完成整个装配过程。因此，要实现装配化，连接节点是其中重要环节，需要采用适合高烈度、强风的连接节点。

根据孙风彬等人［9］的研究可知，装配式连接节点的种类很多，如悬臂短梁装配式梁柱节点、平齐式端板梁柱节点、外伸式端板梁柱节点等，此类节点注重现场安装，基本采用高强螺栓连接，避免现场施焊；本文认为，高烈度地区高层的钢构件截面偏大，现场仅靠高强螺栓的连接节点很难做到文献［3］公式8.2.8-1强节点弱构件的要求；规范公式如式⑴所示:

式中:Mu为连接节点的极限承载力；ηj为连接系数；Mp为梁的塑性受弯承载力。

由式⑴可知，连接系数按规范要求取1.30～1.45，这就要求连接做法的承载力要比构件强1.30～1.45倍，因此，勉强做到用高强螺栓做连接节点，设计出来的连接节点螺栓个数会很多，更不利于现场安装。

本文建议在高强度、强风下采用文献［7］8.3.2 条的栓焊节点，该节点的腹板螺栓方便现场安装定位，钢梁翼缘与钢柱采用现场焊接，能否保证连接的可靠性，而且通过加盖板或飞机板，可以满足规范强节点弱杆件的要求。

5 结论

⑴本文结构计算表明，本工程采用的装配式钢结构，满足结构设计要求，适用于高烈度地震和风荷载较大的地区。

⑵本工程钢结构单位面积用钢量为90 kg/m2（含节点），与相近的其他工程比较，其用钢量相对较低，说明本工程采用的结构体系能克服高烈度地震和风荷载较大的不利因素，既保证结构安全，又能节省造价。