龔　兵

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院　福建福州　350001)

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鋼斜撐在超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

龔兵

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院福建福州350001)

某超限高層結(jié)構(gòu)因受制于建筑體型、平面布局、使用功能等因素，框架柱、梁截面尺寸受限，且無法增設(shè)剪力墻，采用一般的框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系難以滿足規(guī)范關(guān)于層間位移角及位移比限值的要求。文章闡述了鋼斜撐在超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提高抗側(cè)剛度及抗扭剛度的作用，介紹了跨層鋼斜撐的合理設(shè)置、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及增設(shè)鋼斜撐前后的分析計(jì)算對比，并簡要摘錄了結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果。

超限高層結(jié)構(gòu)；高寬比；抗側(cè)移剛度；抗扭剛度；鋼斜撐

0　引言

高層建筑的發(fā)展日新月異，對建筑布局及使用功能的要求也越來越高，使得結(jié)構(gòu)體系的布置受到了諸多限制，這就對結(jié)構(gòu)工程師提出了更高的要求。如何在滿足建筑使用功能及舒適度的前提下，通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件布置，完成優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的目的，是每個結(jié)構(gòu)工程師所追求的目標(biāo)。

某超限高層建筑因受到建筑體型、平面布局及使用功能的限制，采用一般的框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系難以滿足規(guī)范關(guān)于層間位移角和位移比限值的要求；通過在主樓兩端設(shè)置跨層鋼斜撐，在不影響建筑使用功能的前提下，有效地提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，減小了結(jié)構(gòu)的變形，改善了結(jié)構(gòu)的抗扭性能。本文介紹了該工程跨層鋼斜撐的合理設(shè)置、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及增設(shè)鋼斜撐前后的分析計(jì)算對比，并簡要摘錄了結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果。

1　工程概況

1.1項(xiàng)目簡介

本項(xiàng)目為兩棟獨(dú)立的高層辦公樓和一棟高層住宅，由4層裙房相連，地面以下設(shè)3層連體地下室，總建筑面積約為15.3hm2。

結(jié)合建筑的使用功能，在地面以上設(shè)置兩道抗震縫，將結(jié)構(gòu)分成3個獨(dú)立的抗震單元，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。圖1為其中的辦公1#樓及其部分裙房，圖2為1#樓5～19層結(jié)構(gòu)平面示意圖，圖3為20～26層屋面結(jié)構(gòu)平面示意圖；20層以上至屋面建筑東側(cè)收進(jìn)兩跨。建筑物高度為118.80m。

1.2基本設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類[1]，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，地震分組第二組，抗震構(gòu)造措施按7度，場地土類別為Ⅱ類。

本工程建筑物高度超過100m，按照有關(guān)規(guī)定應(yīng)進(jìn)行工程場地地震安全性評價，抗震計(jì)算的相關(guān)參數(shù)應(yīng)根據(jù)安評報告最后確定。本項(xiàng)目的《工程場地地震安全性評價報告》給出了場地地震動參數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中規(guī)定的地震動參數(shù)與場地地震動參數(shù)雙控的設(shè)計(jì)原則：特征周期取0.60s，水平地震影響系數(shù)最大值取0.083，峰值加速度為37cm/s2。

場地基本風(fēng)壓為0.70 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度為B類，承載力設(shè)計(jì)時按基本風(fēng)壓的1.1倍采用。

本工程采用沖鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化(2)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級甲級。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]規(guī)定，本工程屬于A級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)，可采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2,3]，本工程結(jié)構(gòu)抗震等級如下：上部框架和剪力墻抗震等級除第18～21層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級為一級外，其它均為二級；地下一層為二級，地下二、三層為三級。鋼斜撐抗震等級為三級。

經(jīng)計(jì)算表明，上部主樓與下部裙房的質(zhì)心偏心距大于裙房相應(yīng)邊長的20%，形成塔樓偏置，詳見圖1；裙房以上多個樓層考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2，形成扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；此外，第20層以上東側(cè)建筑平面收進(jìn)，收進(jìn)尺寸大于原建筑寬度的25%，形成尺寸突變，詳見圖2、圖3；根據(jù)《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》[4]，本工程屬于同時具有3項(xiàng)以上不規(guī)則的超限高層建筑。

本工程上部標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5m，甲方要求考慮實(shí)際使用時設(shè)置夾層，夾層荷載均落于樓層梁上，因此樓層的恒、活荷載與正常相比增加較多。本地區(qū)類似高度的高層建筑，一般位移均為風(fēng)荷載控制，而通過試算發(fā)現(xiàn)本工程為地震作用起主要控制作用。

由圖2、圖3可以看出，本工程上部寬度29.4m，相對于建筑物高度118.8m而言，高寬比已大于4，且核心筒寬度6.4m，僅為建筑高度的1/18.5，偏?。淮送?，柱距較大，核心筒與外側(cè)框架柱的間距為11.5m，而由于考慮到建筑平面布置及夾層采光等要求，所有框架柱的截面尺寸及框架梁的梁高均受到諸多限制；調(diào)整后主要截面尺寸：框架柱1 300～1 000×1 300型鋼混凝土柱，框架梁400×900鋼筋混凝土梁，核心筒剪力墻厚度600、500收至400mm。

盡管反復(fù)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置及構(gòu)件尺寸，初步計(jì)算結(jié)果，在Y向地震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角還是大于1/600，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“高規(guī)”[3]所規(guī)定的1/800限值，位移比也超過了1.5；即使大幅度增加核心筒剪力墻墻厚(例如增加到800mm)，對層間位移角的改善也不起太大作用，仍僅略小于1/600，位移比則未見變化。另一方面，本工程因?yàn)榻ㄖ褂霉δ艿囊?，除核心筒外其他較為適合的位置均無法設(shè)置剪力墻，無法通過增設(shè)剪力墻的方法來增大抗側(cè)剛度和抗扭剛度。因此，如何有效地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)、抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)的變形，改善結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性能，使結(jié)構(gòu)的層間位移角和位移比滿足規(guī)范限值的要求，就成為本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中亟需解決的問題。

2.2斜撐設(shè)置

一般情況下，在結(jié)構(gòu)樓層之間設(shè)置柱間斜向支撐，與框架梁、柱形成空間桁架，可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。因此，在與甲方及建筑專業(yè)反復(fù)溝通之后，決定在主樓東西兩端地面以上部位設(shè)置四組鋼斜撐，如圖4所示。

考慮到柱距為11.5m，層高大多僅為4.5m，如在單層內(nèi)布置，斜撐角度太小，受力不合理，無法充分發(fā)揮斜撐作用；而且地上一層為重要商業(yè)功能，主樓和裙房之間為商場的主要通道，希望盡可能減小斜撐布置造成的影響，因此將斜撐跨3層設(shè)置，如圖5所示，既滿足了建筑功能及美觀的要求，又實(shí)現(xiàn)了較為合適的斜撐角度，使得斜撐受力較為合理，充分發(fā)揮作用。

斜撐采用350×350方鋼管，壁厚40mm。鋼斜撐主要承受拉、壓力，因而斜撐兩端的水平樓層框架梁將受到拉、壓作用。為了保證斜撐軸力的有效傳遞，斜撐兩端與樓層相交處的框架柱、框架梁(一層梁除外，因?yàn)榇颂幮睋屋S力直接傳到地下室剪力墻)均設(shè)置為型鋼混凝土柱、梁，如圖5所示。

第20層以上平面收進(jìn)后，按原建筑平面布置，7軸以東的剪力墻均需要取消。如果不設(shè)斜撐，20層以上結(jié)構(gòu)位移角無法滿足規(guī)范要求；如果仍然在建筑東西兩端設(shè)置斜撐，則將出現(xiàn)斜撐不連續(xù)，上部斜撐的內(nèi)力無法傳到下部斜撐或直接傳到基礎(chǔ)。因此通過與甲方、建筑專業(yè)協(xié)商，調(diào)整建筑平面布置，將7～10軸之間的剪力墻延伸到屋面，如圖3所示，而兩端鋼斜撐僅設(shè)置到20層，避免了上部收進(jìn)部位斜撐設(shè)置不連續(xù)。此外，受地下停車庫汽車通道限制，斜撐不允許延伸到地下室，無法直接落到基礎(chǔ)，因此在斜撐底部地下室處設(shè)置兩片800mm厚落地剪力墻，將斜撐推力可靠地傳遞到基礎(chǔ)，如圖5所示。

表1所示為剪力墻厚度不同時以及設(shè)置斜撐前后結(jié)構(gòu)的最大層間位移角及位移比。

表1　不同布置下結(jié)構(gòu)最大層間位移角及位移比

計(jì)算結(jié)果表明，主樓兩端設(shè)置鋼管斜撐后，有效地增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度及抗扭剛度，減小了結(jié)構(gòu)變形，改善了結(jié)構(gòu)的抗扭性能，使結(jié)構(gòu)的層間位移角得以滿足規(guī)范的要求，同時也減小了結(jié)構(gòu)的最大位移比。

2.3節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

各段跨層斜撐兩端與型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)如圖6所示，斜撐在各中間樓層處與相應(yīng)位置的鋼筋混凝土框架梁無連接，僅穿過混凝土樓板上預(yù)留的洞口，如圖7所示。因中間有兩層混凝土樓板的水平約束，跨層斜撐的無支長度大幅減小，有效地提高了斜撐的穩(wěn)定性。

鋼管斜撐擬在主體結(jié)構(gòu)封頂后安裝，以盡量減少結(jié)構(gòu)自重荷載作用產(chǎn)生的斜撐變形和內(nèi)力，使斜撐主要在結(jié)構(gòu)承受地震及風(fēng)荷載作用時發(fā)揮作用。考慮到施工便利，可以在樓層施工時將鋼管先行就位，中段鋼管與兩端節(jié)點(diǎn)暫時由安裝螺栓連接，待主體結(jié)構(gòu)封頂、填充墻體大部分砌筑完成后，再將鋼管斜撐焊牢。

3　結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

本工程為超限高層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了性能化設(shè)計(jì)的方法，將結(jié)構(gòu)的預(yù)期抗震性能目標(biāo)定位在D級且結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能在中震下略高于性能水準(zhǔn)3[3]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算采用了多工況、多程序分析，按最不利工況控制。限于篇幅，性能化設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容就不在本文詳細(xì)介紹，在此僅簡要摘錄本工程結(jié)構(gòu)抗震性能分析的主要結(jié)果。

(1)小震(多遇地震)下彈性靜力分析主要結(jié)果如表2。計(jì)算表明：主體結(jié)構(gòu)位移、剛度等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)平動、扭轉(zhuǎn)振型清晰，滿足規(guī)范要求；層剛度比、偏心率、樓層抗剪承載力比、剪重比、剛重比、軸壓比等其它各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。鋼斜撐承擔(dān)的規(guī)定水平力下地震傾覆力矩百分比為30.4%。

表2　小震彈性靜力分析主要結(jié)果

(2)小震下彈性動力時程分析結(jié)果如下：地震作用下最大層間位移角分別為1/1 031(X向)、1/880(Y向)；結(jié)構(gòu)位移及樓層剪力曲線較均勻、無突變；除上部個別樓層外，結(jié)構(gòu)反應(yīng)均小于CQC法。設(shè)計(jì)配筋按最不利控制。

(3)中震(設(shè)防地震)下計(jì)算結(jié)果表明：底部加強(qiáng)部位豎向構(gòu)件滿足抗剪彈性、抗彎不屈服的設(shè)計(jì)要求。

(4)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，(1-1)軸的兩組斜撐(A-B軸、C-D軸)軸力明顯較(1-13)軸的兩組為大，表3列出了在中震作用下(1-1)軸各層鋼斜撐的內(nèi)力。

表3　中震作用下(1-1)軸各層鋼斜撐內(nèi)力(kN)

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，計(jì)算出了各層四根鋼斜撐在組合內(nèi)力下的最大穩(wěn)定應(yīng)力，如表4所示。其中應(yīng)力A為最大組合受壓軸力下的最大穩(wěn)定應(yīng)力，應(yīng)力B為在“1.3Ey+0.2x1.4Wy”組合下的最大穩(wěn)定應(yīng)力。由于鋼管斜撐擬在主體結(jié)構(gòu)封頂后安裝，且高層建筑活荷載所占比例較小，因此斜撐的實(shí)際受力狀態(tài)應(yīng)該較為接近應(yīng)力B情況。

表4　中震作用下各層鋼斜撐最大穩(wěn)定應(yīng)力(kN/mm2)

斜撐采用Q345鋼管，壁厚40mm，鋼材的抗拉、壓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為265kPa。鋼斜撐在中震作用下實(shí)際受力狀態(tài)的最大穩(wěn)定應(yīng)力為228kN/mm2，應(yīng)力比0.86，滿足中震彈性的要求。

(5)大震(罕遇地震)下結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析表明：結(jié)構(gòu)在罕遇水平地震作用下的最大彈塑性層間位移角分別為 1/188(X向)、1/299(Y向)，小于《高規(guī)》[3]第3.7.5條規(guī)定的彈塑性位移角限值，結(jié)構(gòu)能夠承受罕遇地震的作用，滿足“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

通過分析計(jì)算表明：本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)滿足了小震彈性；中震底部加強(qiáng)部位豎向構(gòu)件抗剪彈性、抗彎不屈服，鋼斜撐中震彈性；滿足大震下的截面控制條件及彈塑性層間位移角限值的要求，使得結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件的抗震性能在中震下略高于性能水準(zhǔn)3的要求，故而整體結(jié)構(gòu)的抗震性能高于D級標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)語

本工程屬于超限高層建筑，因受到建筑體型、平面布局及使用功能的限制，采用一般的框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系難以滿足規(guī)范關(guān)于層間位移角及位移比限值的要求，也無法在其他較為適合的位置增設(shè)剪力墻；通過在主樓兩端設(shè)置跨層鋼斜撐，在不影響建筑使用功能的前提下，有效地提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度，減小了結(jié)構(gòu)的變形，改善了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性能，使結(jié)構(gòu)的位移指標(biāo)滿足了規(guī)范的要求。

本工程結(jié)構(gòu)采用了抗震性能化設(shè)計(jì)的方法，并對鋼斜撐這一關(guān)鍵構(gòu)件要求在中震作用下保持彈性，計(jì)算結(jié)果表明整體結(jié)構(gòu)的抗震性能高于D級標(biāo)準(zhǔn)。

[1]GB 50223-2008 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[4]建質(zhì)[2010]109號 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)[S]，2010.

[5]GB 20017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

龔兵(1967.07-)，女，碩士，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。

The application of steel diagonal bracing in design of exceed-code high-rise structure

GONGBing

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute, Fuzhou 350001)

Restricted by the building size, architecture layout and using function, the section size of frame columns and beams are limited and the shearwall could not be increased also in an exceed-code highrise structure. So the interlayer displacement angle and displacement ratio can not meat the standard limit by adopting the normal frame-corewall structure system. In this paper the function of steel diagonal bracing in enhancing the lateral stiffness and torsional stiffness of the exceed-code high-rise structure is expounded. The diagonal bracing setting, the joint construction, the analysis and calculation comparison before and after adding diagonal bracing are introduced. The results of performance-based seismic design of structure are given briefly.

Exceed-code high-rise structure; Height-width ratio; Lateral stiffness; Torsional stiffness; Steel diagonal bracing

龔兵(1967.07-)，女，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。

E-mail:623427964@qq.com

2010-01-28

TU973

A

1004-6135(2016)02-0038-05