某超限高层建筑结构设计问题探讨

沈国强，李 俊

(1.苏州科建建设工程质量检测有限公司,江苏 苏州 215200; 2.浙江大学平衡建筑研究中心,浙江 杭州 310063)

0 引言

本文建筑高度278 m,抗震设防烈度为6度,采用现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构,在超限高层建筑规定中,该类型建筑高度150 m以上的建筑物属超限高层,故本文中建筑为超限高层建筑。

对于超限高层建筑,不同楼面梁的布置、大跨度屋面结构形式对其的受力性能和稳定性有着很大的影响,设计过程中对这两部分进行了计算分析并根据结果对方案进行了优化设计。其型钢混凝土柱的钢骨形式、核心筒剪力墙的稳定性也在本文中进行了分析研究,本文采用YJK,MADIS,PKPM-GESC等多个计算软件进行了计算分析,最后选择合适的截面形式并优化设计。

1 工程概况

某超高层建筑地上部分由一栋278 m塔楼和3层商业裙房构成。塔楼地上共计56层,主要层高为4.2 m及3.9 m,设5个避难层,避难层层高为6.0 m。地上总建筑面积约12万m2,地下建筑面积4.75万m2,建筑效果见图1。

建筑结构设计使用年限50 a,结构安全等级二级。抗震设防类别为标准设防类(丙类),抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅳ类,特征周期为0.65 s[1]。

2 主楼结构平面布置

经过与钢框架-混凝土核心筒结构体系等其他结构体系进行计算比较,塔楼结构采用框架-核心筒结构体系,核心筒抗震等级为二级(底部加强区一级),框架抗震等级为二级(局部斜柱、穿层柱一级);裙房采用框架结构,框架抗震等级为四级;嵌固端均为地下室顶板。

主楼剪力墙底部加强区高度为设计嵌固端至墙体总高度的1/10和底部两层二者的较大值,因此核心筒剪力墙底部加强区高度取1层板面—7层板面。地下1层板面—地上8层板面间设置剪力墙约束边缘构件。约束边缘构件与构造边缘构件层间设置两层过渡层,底部加强区以上核心筒角部剪力墙设置约束边缘构件。

本工程塔楼结构主要楼层平面尺寸为43.5 m×43.5 m,塔楼框架由核心筒周边均匀布置(柱距约9.6 m)的12个钢筋混凝土框架柱和钢筋混凝土框架梁组成,如图2所示。

框架柱上下连续贯通,低区框架柱为减小截面尺寸,增加延性,采用型钢混凝土柱,截面尺寸为1 600 mm×1 600 mm(钢骨十字型2×H1200 mm×500 mm×30 mm×30 mm);依次向上收至钢筋混凝土柱(800 mm×800 mm)。框架柱混凝土强度等级为C60—C35,自下而上逐渐减小。

外圈框架梁采用500 mm×800 mm截面;低区柱与筒体相连的框架梁采用500 mm×650 mm,高区核心筒南北收进后距离增大,柱与筒体相连的框架梁采用500 mm×800 mm;框架梁和楼板混凝土强度等级为C35。

结构设计时为了确定次梁布置对经济性的影响,设计时比选了一道次梁和二道次梁布置。采用一道次梁布置时楼板跨度4.8 m,楼板厚度125 mm。采用二道次梁布置时楼板跨度3.2 m,楼板厚度110 mm。比较结果如表1所示,最终采用了一道次梁的方案。

表1 不同次梁布置时计算结果

3 裙房大跨屋面选型

裙房中由于存在大开间需求,对于屋面形式进行了网架方案、桁架方案和混凝土肋梁方案等三种方案比选,如图3所示,比选结果如表2所示。

表2 裙房大跨屋面不同方案比选结果

4 型钢柱钢骨选型

框架柱为减小截面尺寸,增加延性,采用型钢混凝土柱,混凝土强度等级为C60—C35,自下而上逐渐减小。

由于与框架柱连接的梁角度不同,而且梁钢筋较多,如果采用十字型型钢混凝土柱时,与钢骨避让困难,施工难度较大,因此采用工字型钢骨更有优势。对十字型与工字型钢骨进行了对比计算,计算简图如图4所示,计算结果如图5所示。

由YJK模型中十字型与工字型型钢的计算结果可知,工字型型钢沿强轴方向的实配钢筋面积为57 cm2,沿弱轴方向的实配钢筋面积为211 cm2;十字型型钢沿两个对称轴方向的实配钢筋面积均为57 cm2。十字型与工字型截面弱轴方向钢筋配置量相差较大。

由计算结果可知,工字型钢骨性能略弱于十字型钢骨,特别是钢骨弱轴方向,但仍能满足实际需要,因此设计时采用工字型钢骨的型钢混凝土柱。

利用复杂截面设计软件(PKPM-GESC),按照截面1 600 mm×1 600 mm,含钢量5%,钢筋含量0.8%,建立了十字型与工字型的型钢混凝土柱截面模型,进行了设计承载力包络球设计,如图6,图7所示。

绘制0°(强轴方向)和90°(弱轴方向)的P-M弯矩曲线,提取YJK模型中首层柱设计荷载工况,输入复杂截面设计软件,如图8所示。该结果显示设计荷载各工况均处于包络线内[2]。

基于以上研究结果,YJK软件在工字型型钢截面设计时,采用《组合结构设计规范》,弱轴方向未考虑工字型型钢作用,导致过低估计截面承载能力,片面的加大截面配筋。在前处理选项中,选择YB 9082—2006钢骨混凝土结构技术规程,即可解决弱轴计算问题。但因为该技术规程为2006年颁布,后续未升版更新,建议仅查看弱轴配筋时采用。

针对本项目特点,柱截面主要为轴力控制,钢骨配置主要为提高截面轴压比限制,因此改为工字型截面设计上可行,十字型与工字型型钢截面均有一定的安全度冗余;造价上两种截面形式基本相等;施工上工字型截面穿钢筋更为便利。

5 墙肢稳定性分析

本工程核心筒布置如图9所示,由图9可知,部分墙肢两侧均开设洞口,端部不能设翼墙,对此情况下是否满足安全使用要求进行了专项计算分析。

利用SAP2000建立三个对比模型。其中模型1假定墙肢在楼层沿墙长均存在面外支撑(即与YJK计算假定相同),模型2假定墙肢在楼层处仅在端部存在面外支撑(与实际情况相符),模型3为一字墙(为极端条件)。三个模型约束边角条件如表3所示。计算模型及结果如图10,表4所示。

表3 三个模型约束边角条件

表4 三个模型计算结果

经验算可知:

1)模型1与模型2一阶屈曲模态仅相差6%,模型2最大稳定承载力(线荷载)11 875 kN/m。

2)该墙肢在端部与现浇楼板相连可为墙肢提供较好支撑。

3)根据SAP2000屈曲分析结果,模型1/2墙肢稳定承载力均满足要求[3-4]。

4)比起T型墙腹板,更需要关注的是一字墙的稳定性问题。

6 结语

1)对于280 m超B级高层建筑,采用钢筋混凝土框架-核心筒结构可行。

2)对于大跨度屋面结构,选用混凝土肋梁方案在满足建筑的条件下有一定的优势。

3)根据计算分析可知,型钢混凝土柱中钢骨设置为工字型可以满足要求。

4)根据计算分析可知,核心筒内部墙肢不设翼墙可以满足要求。