鐘瑜晨，孫正博

（蘭州蘭石建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在超高層建筑中的應(yīng)用研究

鐘瑜晨，孫正博

（蘭州蘭石建筑設(shè)計(jì)有限公司，甘肅 蘭州 730050）

文章以蘭州希爾頓酒店塔樓為例，通過PKPM結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，分別用兩種方案對希爾酒店塔樓進(jìn)行多遇地震下的彈性分析：一種采用的是希爾頓酒店原設(shè)計(jì)的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，另一種采用同樣條件下普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通過對頂部位移、層間位移角、基底剪力、周期比、剪重比等一系列參數(shù)對比分析。在同時(shí)符合規(guī)范要求的情況下，發(fā)現(xiàn)酒店塔樓采用的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有著：自重較輕，具有更加良好的抗震性能，且柱截面相對較小，建筑空間能得到充分的利用的特點(diǎn)。

型鋼混凝土；組合結(jié)構(gòu)；彈性分析；抗震性能

1　型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，又叫勁性鋼筋混凝土或者鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，實(shí)際上就是鋼結(jié)構(gòu)外部被鋼筋混凝土包裹而成的一種結(jié)構(gòu)。因此，該結(jié)構(gòu)同時(shí)具備鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了自身的缺點(diǎn)：①外部鋼筋混凝土可以有效限值內(nèi)部的鋼骨，增強(qiáng)鋼骨的抗屈曲能力，同時(shí)起到防火耐高溫的作用；②內(nèi)部的鋼骨改變了混凝土易發(fā)生脆性破壞的缺點(diǎn)，提高了結(jié)構(gòu)的延性和抗震性能；③鋼骨采用的鋼材強(qiáng)度比混凝土強(qiáng)度大得多，在滿足承載力的前提下，減小了梁柱等構(gòu)件的截面面積，同時(shí)有效地避免了混凝土徐變對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響。國內(nèi)外試驗(yàn)表明，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)在低周反復(fù)荷載作用下具有良好的滯回特性和耗能能力。在80年代后期，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家綜合實(shí)力的增強(qiáng)，當(dāng)然建筑業(yè)也進(jìn)入了黃金時(shí)期，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)得到了更好的發(fā)展，從1980年開始國家計(jì)劃委員會(huì)開始將該結(jié)構(gòu)確立為重點(diǎn)科研項(xiàng)目。隨后，我國與2001年發(fā)布了《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ138-2001）之后型鋼混凝土結(jié)構(gòu)研究越來越多，1995～2006年國內(nèi)各雜志發(fā)表論文238篇理論和試驗(yàn)類的越位189篇，設(shè)計(jì)和施工類的49篇?？梢钥闯鲂弯摶炷两Y(jié)構(gòu)在我國已經(jīng)得到了很大重視［1］。

2　型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

（1）對于型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算，根據(jù)目前研究，世界各地對型鋼混凝土構(gòu)件的計(jì)算大致可以分三種：①在試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，基于鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，考慮混凝土對型鋼剛度的提高，按鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論計(jì)算，這種算法適用于含鋼率較大的情況；②基于鋼筋混凝土的計(jì)算理論，方法假定型鋼和混凝土是整體，然后采用鋼筋混凝土相關(guān)理論計(jì)算。該方法沒有考慮型鋼和混凝土直接的粘結(jié)，不符合型鋼混凝土構(gòu)件的實(shí)際受力情況；③承載力疊加法是，日本研究者田中尚和平野道勝在1950年左右提出的，將組合截面分成鋼筋混凝土和型鋼兩部分，在型鋼局部不發(fā)生屈曲的假定下，分別計(jì)算二者的承載力和剛度然后疊加，得到型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的剛度和承載力。承載力疊加法不需要型鋼和混凝土達(dá)到正真的同步工作，只是對型鋼的抗彎能力與鋼筋混凝土的抗彎能力做和作為型鋼混凝土組合構(gòu)件的抗彎能力。另外，該方法對構(gòu)件的剛度計(jì)算時(shí)以彈性理論為基礎(chǔ)，及取二者的彈性剛度為研究作為構(gòu)件剛度。我國對型鋼混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算方法主要有兩種：①以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，基于平截面假定，假定型鋼和鋼筋混凝土有著統(tǒng)一的中性面，利用力矩，和力的平衡建立方程；②承載力疊加法，將二者分開計(jì)算，最后疊加［2］。

（2）在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的截面的抗彎剛度EI軸向剛度EA和抗剪剛度EG可按下列公式計(jì)算［3］。

3　工程概況

蘭州希爾頓酒店大樓坐落于甘肅省蘭州市七里河區(qū)蘭州中心商業(yè)區(qū)，地鐵、高鐵、航空等交通樞紐在此交會(huì)。酒店建設(shè)共32層，總建筑面積57359.47m2，不計(jì)容積率的配套建筑面積12640.53m2，地上1棟單塔，塔體平面呈規(guī)則的方形，單塔西側(cè)有5層輔助裙房，南側(cè)有7層輔助裙房，單塔主樓地上32層，結(jié)構(gòu)高度140.6m。

4　蘭州希爾頓酒店多遇震作用下的彈性分析

蘭州希爾頓酒店采用結(jié)構(gòu)形式為框架—核心筒結(jié)構(gòu)，所在場地地震設(shè)防烈度8度，基本加速度0.20g，Ⅱ類場地，地震分組為第三組，設(shè)計(jì)年限50年。結(jié)構(gòu)自基礎(chǔ)底到十一層采用型鋼混凝土組合柱，尺寸為1600×1200，內(nèi)含1000×350×30×40×700×400×30×40交叉工字型鋼。本工程結(jié)構(gòu)模型的整體分析采用了PKPM系列的SATWE軟件，對結(jié)構(gòu)在多遇震作用下的結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析［4］。圖1是SATWE有限元軟件的模型。

圖1　希爾頓酒店塔樓結(jié)構(gòu)模型

通過SATWE程序?qū)频赀M(jìn)行小震彈性分析，計(jì)算結(jié)果分析如下：①第一振型結(jié)構(gòu)的第一平動(dòng)周期3.0056，第一扭轉(zhuǎn)周期1.6280，比值0.5416小于混合結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期比0.85限值；X、Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為99.57%、99.50%均符合規(guī)范要求的90%，其前三振型符合常理，模型有效；②結(jié)構(gòu)的層間位移角，結(jié)構(gòu)在彈性階段X、Y方向最大層間位移角分別為1/879、1/836均滿足高規(guī)要求框架-核心筒樓層層間最大位移與層高之比限制為1/800；③軸壓比，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)件軸壓比是保證結(jié)構(gòu)延性的重要因素，本工程軸壓比符合規(guī)范要求未有大于0.75；④剪重比，本工程結(jié)構(gòu)X、Y方向最小剪重比分別為3.25% 、3.68%均大于規(guī)范要求的3.2%。

5　普通現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)與之對比分析

在蘭州希爾頓酒店模型的基礎(chǔ)上建立對比模型，為了不影響對比結(jié)果，設(shè)計(jì)參數(shù)仍采用原酒店大樓結(jié)構(gòu)的，只是把型鋼混凝土柱、梁換成普通混凝土的框架柱和梁，其中柱截面按比例放大25%。然后，將所得結(jié)果與上述型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)對比分析，從而判斷對于超高層建筑，采用哪種結(jié)構(gòu)體系具有更加顯著的優(yōu)越性。

（1）在不改變截面尺寸的情況下，型鋼混凝土柱的同一層軸壓比是0.38，而改變構(gòu)件形式后鋼筋混凝土柱的軸壓比是0.49，軸壓比主要控制的是結(jié)構(gòu)的延性。對比可以看出，型鋼混凝土柱比鋼筋混凝土柱延性更好。

（2）通過計(jì)算所得，普通混凝土框架核心筒結(jié)果與上節(jié)酒店塔樓計(jì)算結(jié)果，對比如表1所示。

表1　普通混凝土結(jié)構(gòu)與希爾頓酒店型鋼混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)果對比表

通過上述兩組模型計(jì)算結(jié)果對比得知：①周期比方面，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和希爾頓酒店型鋼混凝土結(jié)構(gòu)模型周期比分別為0.553、0.5416都小于規(guī)范限值0.85。相應(yīng)的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的周期比稍小一點(diǎn)，結(jié)構(gòu)整體抗扭能力相對更好一點(diǎn)；②普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型低層框架柱截面尺寸整體放大25%變?yōu)?000×1600，形成矮胖柱，對建筑使用面積造成相對較大影響，且又失美觀性，且結(jié)構(gòu)自重方面酒店型鋼混凝土結(jié)構(gòu)為143378t，比普通鋼筋混凝土輕3%；③頂層位移和層間位移角方面，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下的X方向最大層間位移角是1/879，Y方向最大層間位移角是1/836，而普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下的X方向最大層間位移角是1/883，Y方向最大層間位移角是1/840。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下的X方向最大樓層位移為137.4mm，Y方向最大樓層位移為145.9mm，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下的X方向最大樓層位移為135.9mm，Y方向最大樓層位移為144.9mm，兩種結(jié)構(gòu)在位移比上雖沒有發(fā)生太大變化，但是可以看出型鋼混凝土結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相差不大。在同時(shí)滿足規(guī)范限制的情況下，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有豎向構(gòu)件截面尺寸小、延性好等優(yōu)點(diǎn)。

6　結(jié)論

通過希爾頓酒店塔樓的工程概況、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)介紹，依據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范對酒店塔樓的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了超限審查，并對酒店進(jìn)行了常規(guī)上的小震彈性分析。隨后通過對比模型對酒店塔樓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，現(xiàn)得出結(jié)論如下：①結(jié)構(gòu)高度140.6m在當(dāng)?shù)貙儆诔珺級(jí)高度的超高層結(jié)構(gòu)；②小震彈性計(jì)算分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的平面布置較規(guī)則，豎向剛度較均勻，層間位移角滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)在小震下處于彈性變形狀態(tài)，框架、筒體的承載能力滿足二道抗震防線要求；③通過普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與之對比，綜合對比結(jié)果得出：酒店塔樓采用的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在自振周期、最大層間位移角，頂層位移、剛重比，基底剪力等各方面小震彈性下的參數(shù)，與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果差異不大。從兩者模型上的差異上可以看出，型鋼混凝土框架柱截面面積小，重量比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕3%，建筑面積使用率高，故希爾頓酒店采用的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更加具有優(yōu)越性。

［1］鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)理論與實(shí)踐［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［3］型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.JGJ138-2001.

［4］李云貴，邵弘.一個(gè)新的高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE［J］.建筑科學(xué)，1995，（2）：67-70.

TU375

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1671-3818（2016）09-0106-02