钢—混凝土组合柱在超高层结构中的应用★

2021-08-07宋维举王肖巍陈占锋

山西建筑 2021年16期

游杰宋维举王肖巍陈占锋

(1.重庆大学城市科技学院，重庆 402167； 2.河北工程大学土木工程学院，河北邯郸 056038)

1 概述

随着建筑物高度的不断增加，超高层建筑的纵向受力构件所承受的荷载也随之增大，传统的钢筋混凝土柱难以满足承载要求，而钢—混凝土组合柱具有承载力高、抗震性能好、施工方便等诸多优点，在超高层建筑结构中的应用较为广泛[1-3]。

在组合结构体系中的钢—混凝土组合柱应用较多的应该是型钢混凝土和钢管混凝土，两种组合柱的受力性能均优于单纯的钢筋混凝土柱，但二者在组合形式基本原理、计算方法以及构造要求等多方面均存在很大差异，这也使得二者在实际应用中存在许多不同点，需要结构工程师在设计中加以注意[4-7]。现以叠合钢管混凝土柱和型钢混凝土柱为例，基于某超高层建筑结构，探讨其不同组合的抗震性能优劣，对超高层结构设计提供参考。

2 工程概况

该工程位于重庆市渝中区，塔楼总建筑面积为133 225.48 m2。其中地下部分共5层，高度24 m，地上塔楼层数93层，至屋顶高度468.00 m，至外构架高度468.00 m。1层～63层标准层层高为4.5 m，64层～93层标准层层高为4.0 m。结构体系为混凝土框架—核心筒，外框架柱采用型钢混凝土柱，核心筒位于塔楼的中心，为边长27.8 m×27.8 m的矩形钢筋混凝土筒，核心筒从地下5层至地上84层沿高度无变化，从85层至93层由于建筑的收进筒体变化为剪力墙结构。核心筒外墙厚度在1 700 mm～1 000 mm范围内，内墙厚度在1 100 mm～300 mm范围之间，随着高度增加墙厚逐渐减小，钢筋混凝土连梁连接相邻墙肢，形成闭合的核心筒外墙，从而为塔楼提供主要的抗侧刚度和抗扭刚度。在地下5层～地上12层，结构外围周边均匀布置20根框架柱；在12层～85层，结构外围周边均匀布置36根框架柱。在地下5层～地上70层采用钢骨混凝土柱，框架柱和型钢截面尺寸均逐渐减小。在柱与柱之间，以及柱与核心筒之间布置足够刚度的框架梁。柱混凝土强度等级为C30～C70。由于建筑造型要求，在8层～13层采用了斜柱转换进行设计。

3 结构设计方案

3.1 结构方案

为研究不同柱截面形式对于结构整体抗震性能以及经济性的影响，设置四个结构方案进行对比分析，各方案在整楼用钢量保持一致(各方案用钢量偏差保证在5%以内)、结构承受荷载相等的条件下进行抗震性能对比，假设本工程的建筑功能、结构基本尺寸，梁、板及核心筒剪力墙截面形式、材料强度及尺寸均不变。方案描述如表1所示。

表1 设计方案

各方案框架柱的主要截面尺寸及位置如表2所示。

表2 框架柱的主要截面尺寸

3.2 分段框架柱的应用对结构性能影响

3.2.1 周期

周期在一定程度上反映了结构的刚度，通过弹性反应谱分析得到四种方案的基本周期，方案1为8.319 6 s，方案2为8.313 4 s，方案3周期为8.321 6 s，方案4周期为8.292 2 s，4种结构第一自振周期随方案的变化曲线如图1所示。

由各个方案的分析结果可知，4种设计方案的振型质量参与系数均满足大于90%的规定要求；第一扭转周期和第一平动周期的比值均小于规范0.85的限值[10]。框架柱截面方案不同时，对本结构的振动周期略有影响，从方案2和方案3结果来看，部分配置型钢混凝土柱的结构与全部配置型钢混凝土柱的结构周期相差很小，方案2前3个振型的周期均小于方案4，最大相差0.008 8 s，为方案2周期的0.106%。

3.2.2 侧向刚度比

依据JGJ 3—2017高层建筑混凝土结构技术规程第3.5.2条要求，对于框架—核心筒结构楼层与相邻上层的侧向刚度比γ2不宜小于0.9；当本层层高大于相邻上层层高的1.5倍时，该比值不宜小于1.1；对结构底部嵌固层，该比值不宜小于1.5[10]。

由图2可知4种结构方案计算结果均满足规范要求。通过抗侧刚度比的比较可以看出，方案4的抗侧刚度稍大于其他三种方案，但相差很小。

3.2.3 顶点位移与层间位移角

图3～图6对4种设计方案在小震及风荷载作用下的顶点位移及层间位移角进行比较。

1)顶点位移。

计算结果表明，4种方案的顶点位移数值相差不大，在地震或风载作用下，方案4位移值均为最小，与方案2相比，地震作用下X向减少了1.08 mm，Y向减少2.67 mm，风载作用下X向位移减少4.37 mm，Y向位移减少6.15 mm，相对于R6结构的绝对顶点位移变化甚微。

地震作用与风荷载下四种方案的顶点位移变化曲线见图3,图4。

2)层间位移角。

地震作用与风荷载下结构最大层间位移角变化曲线见图5,图6。

计算结果表明：小震作用下，4种结构方案最大层间位移角均小于1/500，其中，风载作用下，各方案的层间位移角均大于相应地震作用下结构的层间位移角，其中，Y方向的风荷载起控制作用。

3)剪力与倾覆力矩。

由于不同方案的区别在于柱的截面形式，结构平面尺寸没有改变，因此4种不同结构方案在风荷载作用下的基底剪力并无区别，图7,图8给出了4种结构方案在地震作用下的基底剪力和弯矩对比。

从图中可知，各竖向结构体系布置方案中地震作用下X向、Y向楼层剪力和楼层倾覆力矩分布基本一致，风荷载引起底层剪力、倾覆力矩在X向和Y向都大于小震作用工况，可以看成风荷载在两个方向都起控制作用。方案1～方案4结构基底剪力和底层倾覆力矩逐渐增大，说明结构体系按此变化，结构的总抗侧刚度是增大的，其中采用全楼型钢布置方案总侧向刚度相对最大。

4)框架承担的倾覆力矩比例及框架剪力对比。

通过分析结果可知，各竖向结构体系布置方案中地震作用下框架柱所承担的倾覆力矩和剪力的比例基本相同，通过数据对比可知，地震下结构各层框架柱倾覆力矩分担比例的大小顺序为：方案4>方案3>方案2>方案1，结构各层框架柱剪力分担比例的大小顺序为：方案4>方案3>方案2>方案1，方案4各层框架柱X向、Y向倾覆力矩和剪力分担比例相比其他三个方案最大，表明方案4结构外围框架柱的刚度相比最大。