李樹(shù)杰，張衛(wèi)東

（珠海鐵木辛柯鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限公司 珠海519115）

鋼結(jié)構(gòu)高層在國(guó)外如歐美等國(guó)家應(yīng)用比較廣，在我國(guó)近些年經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中，也有不少鋼結(jié)構(gòu)高層住宅和酒店，比如深圳市龍珠八路西保障性住房［1］、高層鋼管束混凝土組合結(jié)構(gòu)住宅［2］、蕭政儲(chǔ)出18號(hào)地塊鋼結(jié)構(gòu)住宅等。

鋼結(jié)構(gòu)建筑是天然的裝配式建筑，具有裝配率高、易改造、可回收、環(huán)保等特點(diǎn)，符合國(guó)家倡導(dǎo)的裝配式建筑和環(huán)保理念。鋼結(jié)構(gòu)高層相比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具有增大有效的生活空間、便于管道埋設(shè)和布局、施工周期短、抗震性能好、低碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在不久的將來(lái)應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

1 工程概況

某工程位于海口市瓊山區(qū)朱云路西側(cè)，用地北側(cè)是15 m 寬城市規(guī)劃道路，南側(cè)為15 m 寬城市道路（大路街），西側(cè)為居民區(qū)。

本工程共有2 個(gè)單體，分別為高度67.6 m 的酒店塔樓和高度30.75 m 的裙房。塔樓總層數(shù)為15 層，帶有3 層地下室，地上的建筑平面最大尺寸為36.3 m×88.1 m；最大的塔樓柱網(wǎng)為9.6 m×33.4 m。

本文主要介紹酒店塔樓結(jié)構(gòu)，酒店塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本信息如表1所示。

另外，考慮到結(jié)構(gòu)高度超過(guò)60 m，受力對(duì)風(fēng)荷載較敏感，構(gòu)件承載力計(jì)算時(shí)按1.1 倍基本風(fēng)壓計(jì)算。酒店塔樓建筑效果圖如圖1所示。

表1 設(shè)計(jì)基本信息Tab.1 Design Basic Information

圖1 酒店塔樓建筑效果圖Fig.1 Hotel Tower Building Renderings

2 結(jié)構(gòu)布置

本工程酒店塔樓為高層建筑，結(jié)構(gòu)的體系采用鋼框架-鋼支撐結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的嵌固端位于地下室頂板。塔樓建筑平面如圖2所示。

圖2 酒店標(biāo)裝層建筑平面Fig.2 The Building Layout of Hotel Standard Floor

酒店塔樓地上結(jié)構(gòu)框架梁采用H 型鋼梁；在B/5-6 軸、J/4-5 軸、2/C-D 軸、6/E-F 跨間設(shè)置了鋼支撐，支撐采用矩形鋼管；各樓面及屋面均采用鋼筋桁架樓承板。酒店塔樓鋼柱截面采用鋼與混凝土組合的鋼管混凝土柱，該類(lèi)柱具有承載力高、用鋼量省的特點(diǎn)，鋼管柱最大截面采用B800×600×35，最小截面采用B490×490×10，根據(jù)樓層高度，鋼管柱內(nèi)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C50（底部）變化到C40（頂部）。焊接H 型的鋼梁最大截面采用H650×350×12×30；鋼支撐的最大截面采用B400×400×35；鋼構(gòu)件的材質(zhì)均采用Q355B。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50011-2010》［3］表8.1.3 和《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范:GB 50936-2014》［4］表4.3.5 的要求，框架支撐結(jié)構(gòu)在8 度區(qū)，結(jié)構(gòu)高度小于100 m時(shí)，鋼柱抗震等級(jí)應(yīng)按一級(jí)考慮，鋼梁與支撐應(yīng)按二級(jí)考慮。

圖3 酒店標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面Fig.3 The Structure Layout of Hotel Standard Floor

酒店塔樓結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層如圖3 所示。通過(guò)文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］可以發(fā)現(xiàn)采用鋼支撐不僅比混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)延性好，而且鋼支撐布置在建筑四周，能夠更好地提高結(jié)構(gòu)抗震性能、抗風(fēng)能力，同時(shí)減小結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)。

3 結(jié)構(gòu)整體分析

本工程結(jié)構(gòu)計(jì)算采用大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PKPM進(jìn)行建模，并利用SETWE 分析結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載工況及多遇地震工況下的構(gòu)件內(nèi)力與水平變形。

結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)，綜合考慮了剛性樓板假定、雙向地震、偶然偏心等；根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 99-2015》［7］6.1.6，結(jié)構(gòu)周期的折減系數(shù)按0.9。根據(jù)文獻(xiàn)［4］表4.3.9，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.035。計(jì)算結(jié)果如表2所示，結(jié)構(gòu)振型如圖4 所示，結(jié)構(gòu)位移角如圖5所示。

分析結(jié)果可知，規(guī)定水平力作用下的結(jié)構(gòu)位移比為1.14，符合文獻(xiàn)［7］3.3.2 條關(guān)于高層鋼結(jié)構(gòu)位移比不宜大于1.2的要求，而且，結(jié)構(gòu)第1、2階振型為平動(dòng)，第3 階振型為扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)周期與第1 平動(dòng)周期比值為1.591 0/2.486 8=0.640，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程:JGJ 3-2010》［8］3.4.5條關(guān)于A 級(jí)高層結(jié)構(gòu)周期比不應(yīng)大于0.9的要求，說(shuō)明結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利。

表2 SETWE計(jì)算結(jié)果Tab.2 SETWE Calculation Results

圖4 1～3階振型Fig.4 1～3 Floormode Shape

圖5 位移角Fig.5 Displacement Angle

地震工況和風(fēng)荷載工況作用下，結(jié)構(gòu)水平變形最大位移角為1/358，滿(mǎn)足文獻(xiàn)［4］表4.3.6關(guān)于側(cè)移不大于1/300的要求，說(shuō)明本工程采用的鋼框架-鋼支撐體系有足夠的側(cè)移剛度。

4 裝配式連接節(jié)點(diǎn)

本工程的技術(shù)難點(diǎn)是設(shè)計(jì)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)馗吡叶?、?qiáng)風(fēng)不利條件的裝配式結(jié)構(gòu)，通過(guò)本文第3 節(jié)結(jié)構(gòu)整體分析可知，鋼框架-鋼支撐體系適合本工程的要求，有足夠的承載能力抵抗地震和強(qiáng)風(fēng)；而且，鋼結(jié)構(gòu)本身是天然的裝配式結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都是在工廠(chǎng)里加工，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)安裝來(lái)完成整個(gè)裝配過(guò)程。因此，要實(shí)現(xiàn)裝配化，連接節(jié)點(diǎn)是其中重要環(huán)節(jié)，需要采用適合高烈度、強(qiáng)風(fēng)的連接節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)孫風(fēng)彬等人［9］的研究可知，裝配式連接節(jié)點(diǎn)的種類(lèi)很多，如懸臂短梁裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)、平齊式端板梁柱節(jié)點(diǎn)、外伸式端板梁柱節(jié)點(diǎn)等，此類(lèi)節(jié)點(diǎn)注重現(xiàn)場(chǎng)安裝，基本采用高強(qiáng)螺栓連接，避免現(xiàn)場(chǎng)施焊；本文認(rèn)為，高烈度地區(qū)高層的鋼構(gòu)件截面偏大，現(xiàn)場(chǎng)僅靠高強(qiáng)螺栓的連接節(jié)點(diǎn)很難做到文獻(xiàn)［3］公式8.2.8-1強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求；規(guī)范公式如式⑴所示:

式中:Mu為連接節(jié)點(diǎn)的極限承載力；ηj為連接系數(shù)；Mp為梁的塑性受彎承載力。

由式⑴可知，連接系數(shù)按規(guī)范要求取1.30～1.45，這就要求連接做法的承載力要比構(gòu)件強(qiáng)1.30～1.45倍，因此，勉強(qiáng)做到用高強(qiáng)螺栓做連接節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出來(lái)的連接節(jié)點(diǎn)螺栓個(gè)數(shù)會(huì)很多，更不利于現(xiàn)場(chǎng)安裝。

本文建議在高強(qiáng)度、強(qiáng)風(fēng)下采用文獻(xiàn)［7］8.3.2 條的栓焊節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)的腹板螺栓方便現(xiàn)場(chǎng)安裝定位，鋼梁翼緣與鋼柱采用現(xiàn)場(chǎng)焊接，能否保證連接的可靠性，而且通過(guò)加蓋板或飛機(jī)板，可以滿(mǎn)足規(guī)范強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的要求。

5 結(jié)論

⑴本文結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，本工程采用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，適用于高烈度地震和風(fēng)荷載較大的地區(qū)。

⑵本工程鋼結(jié)構(gòu)單位面積用鋼量為90 kg/m2（含節(jié)點(diǎn)），與相近的其他工程比較，其用鋼量相對(duì)較低，說(shuō)明本工程采用的結(jié)構(gòu)體系能克服高烈度地震和風(fēng)荷載較大的不利因素，既保證結(jié)構(gòu)安全，又能節(jié)省造價(jià)。