银川某钢管混凝土框架一钢支撑体系塔楼结构设计

2016-05-12 11:14:47 安装信息网

刘军，冯春雷

（1东南大学土木工程学院，南京210096；2紫杉建筑设计股份有限公司，昆明650051）

[摘要] 银川某超高层建筑塔楼的建筑高度为219.3m，采用钢管混凝土框架一钢支撑结构体系，并采用了屈曲约束支撑作为消能减震措施。主要介绍了本工程结构体系和抗侧力体系的确定、屋顶穹拱设计、斜柱分析及抗震加强措施，并采用YJK，MIDAS/Gen软件对塔楼进行了弹性反应谱分析，补充了弹性时程分析以及动力弹塑性分析。结果显示，结构各项指标均能满足规范要求，能够实现“大震不倒”的抗震设防目标。

[关键词] 超高层建筑；钢管混凝土；超限结构；消能减震；屈曲约束支撑

1 工程概况

本工程位于宁夏回族自治区银川市，总建筑面积为165 073.9m2，占地面积62 439m2。塔楼建筑为一集五星级酒店、办公、商业、旅游为一体的综合性超高层建筑，塔顶建筑高度为219. 30m，地上43层，其中1~4层为酒店附属及配套用房，层高5. 5m;5—9，11~20层为高档办公楼层，层高4.2m；10，21，32层为避难层，层高4. 5m；22~31，33~40层为客房，层高3. 9m；41，42层为观光层，层高分别为5.7，7.2m;43层为礼拜堂，层高22. Im。裙房为酒店附属用房，共4层，层高5. 5m，建筑高度为22. 90m。主楼及裙房下设两层地下室，地下2层层高为3. 8m，为停车场；地下1层层高为7.3m，为酒店附属用房及商业。塔楼在地下室顶板以上和裙房之间设置防震缝，塔楼连接部分裙房。建筑效果图及剖面图见图1，2，结构平面及防震缝布置见图3。本文重点介绍塔楼的结构设计。

该工程结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，场地类别为Ⅱ类。抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0. 20g，抗震设防类别为丙类。基本风压为0. 65kPa，场地粗糙度类别为C类。

2 结构选型

目前常用的结构形式是带钢骨的钢筋混凝土框架·核心筒结构体系，考虑到本工程的建筑核心筒为三角形，如采用钢筋混凝土核心筒，相比常见的矩形核心筒其抗侧效率较低。在方案选型阶段，为探讨钢管混凝土结构在本工程中的可行性，选取了一个标准层，通过对比钢筋混凝土结构和钢管混凝土结构的土建成本得出，钢管混凝土结构比钢筋混凝土结构的土建造价低约20 010，经济性较好。另外，采用钢管混凝土结构还可减小结构构件（梁、柱）的截面，从而增加建筑使用面积。故最终采用钢管混凝土框架．钢支撑结构体系。

3 结构体系

3.1抗侧力体系

本工程上部结构嵌固端设在地下室顶板，地下室周围土体无高差，对地下室具有很好的约束作用，满足嵌固端要求。上部结构需要有效的抗侧力体系以保证塔楼在风荷载和地震作用下的安全性，并且达到预期的性能水平。

塔楼抗侧力体系采用钢管混凝土框架，钢支撑结构体系，其中部分钢支撑为屈曲约束支撑（简称BRB，布置在地震力较大的区域），充分利用其优良的耗能能力，以提高整体结构的抗震性能；其他钢支撑为普通钢支撑，布置在核心筒处，人字形钢支撑与V字形钢支撑交替布置，在地下室部位以剪力墙的形式延伸至基础，解决了地震作用的传递问题。在该结构体系中，钢支撑及与其相连的框架柱作为主要的抗侧力体系，BRB为第一道防线，普通钢支撑为第二道防线，钢管混凝土框架柱作为第三道防线，形成多重抗侧力结构体系，多重抗侧力结构体系示意见图4，塔楼主要结构构件截面及材料强度等级如表1所示。

采用钢管混凝土柱与钢梁组成的框架体系，充分利用了钢管混凝土柱中混凝土在钢管约束下具有较高的抗压承载力以及钢管本身具有的较高延性的特点。楼板采用钢筋桁架楼板。结构平面示意及钢支撑布置见图5，其中虚线为钢支撑。

3.2屋顶穹拱构架

本工程塔楼顶部的穹顶是建筑设计的亮点，建筑功能为穆斯林空中礼拜堂。穹顶复杂的几何形状和受力状况是整个塔楼结构设计的重点和难点。礼拜堂位于结构43层，塔顶高度自该层计算共33. 2m，结构是由一个底部呈三角形的外框柱弯曲形成的穹拱（图6），主要构件截面为：柱口600×600×20×20，梁H 600×200×14×18，支撑H 300×300 x18×25；柱、梁钢材等级为Q390B，支撑钢材等级为Q235B。为保证塔顶的整体刚度，在与建筑和建设方充分沟通的情况下做了如下处理：1）穹拱外围设置与水平梁连接的V字形钢支撑，以增强穹拱的抗侧刚度；2）穹拱底部的角部三个框架柱继续向上延伸至穹拱顶；3）距离穹拱顶部18m高度内每3m设置水平梁及楼板，以增强结构的整体水平刚度；4）在42层外围框架布置钢支撑与穹拱底部钢支撑相连，并适当控制支撑截面，保证结构刚度从楼层到穹拱的顺利过渡。

4 框架节点

为提高本工程框架节点的抗震性能，满足“强节点、弱构件”，本工程框架节点采用《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)（简称抗规）中推荐的梁端扩大形连接（图7）。

5 超限判定及性能目标

计算结果显示，考虑偶然偏心的扭转位移比最大值X向为1. 38（4层），大于1.2，属于平面扭转不规则。塔楼底部带部分裙房，偏心率为16 010，大于15%，属于平面布置不规则；结构竖向刚度无突变。本工程采用钢管混凝土框架一钢支撑结构体系，抗规中只有钢框架一中心支撑体系，根据《超限高层建筑工程抗震设计专项审查技术要点》（建质[ 2010] 109号）规定，本工程属于抗规、《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规）和《高层民用建筑钢结构技术规范》( JGJ 99-98)暂未列入的其他高层建筑结构，需要进行超限高层建筑工程抗震设计专项审查。结构抗震性能目标见表2，满足抗规附录M中性能水准4的相关要求。

6 计算分析

6.1结构弹性计算

小震下采用YJK，MIDAS/Gen软件对结构进行计算，依照本工程安评报告提供的场地设计地震动参数（50年超越概率10%），抗震设防烈度为8度，工程场地地震水平峰值加速度为230gal；由于该建筑平面形状不规则，计算时附加了5个方向(15。，30。，45。，60。，75。)的地震作用分析，并进行了按不同角度输入风荷载的分析比较，在此仅列出结构X，Y，向的分析结果见表3。由表3可以看出，两种软件计算结果较为吻合，且均满足规范要求。

6.2顶层斜柱分析

顶层斜柱需满足在小震作用下抗规的各项要求，并根据高规第3. 11.3条中第3款验算中震下各斜柱的受力情况。计算中考虑自重引起的二阶效应，计算结果表明，各斜柱在中震作用下能够达到受剪承载力要求。

6.3弹性时程分析

选用中国建筑科学研究院提供的人工波( YRD1，YRD2)和天然波(YTD1～YTD5)，采用YJK软件对结构进行小震弹性时程分析，考虑双向地震，地震输入点在模型与基础承台面的节点处，结构底部剪力计算结果见表4。由表4可知，每条地震波计算所得的结构底部剪力大于振型分解反应谱法（CQC法）求得的65%，多条地震波计算所得的结构底部剪力的平均值大于CQC法求得的80%，另外通过对比地震波平均反应谱与规范反应谱得到地震波的平均反应谱与规范反应谱吻合较好，在对应结构主要振型周期点上相差不大于20%。综上所述，所选地震波满足抗规要求。7条地震波下结构底部剪力平均值小于CQC法计算结果，抗震验算时采用CQC法计算结果。

6.4动力弹塑性分析

采用MIDAS/Gen软件对结构进行了动力弹塑性时程分析。从结构在中国建筑科学研究院提供的2条天然波（YTH1，YTH2波）和1条人工波(YRH1波)（加速度峰值为416gal，双向地震）作用下的反应、构件屈服的顺序和位置可得，结构具有较好的抗震性能，具体表现如下：

(1)结构的总体变形：结构顶点的最大位移约为1569mm，整体层间位移角约为1/139，结构在3条地震波作用下X，Y，向的最大层间位移角分别约为1/106，1/88，均小于1/50。最大层间位移角出现在结构顶部和中部靠下，从结构的极限状态看，这些层的竖向构件并未出现塑性损伤，由此可以判断结构位移主要由结构整体弯曲引起。在考虑重力二阶效应及大变形的情况下，结构始终保持直立，满足“大震不倒”的抗震设防目标。

(2)构件的损伤情况：在罕遇地震作用下均有结构构件进入非线性状态，根据结构构件的极限变形进行分析，框架柱未出现明显损伤；框架梁的损伤主要集中在外框架柱与布置钢支撑的核心筒之间的部位，其次出现在周边框架部分，主要出现在设置BRB以上的楼层；部分钢支撑进入屈服耗能阶段，从时程分析过程来看，BRB作为第一道抗震防线先发生耗能，钢支撑作为第二道防线随后破坏，框架梁作为重要的防线最后出现塑性铰。

(3)结构的薄弱层及薄弱部位：从结构层间位移角曲线（图8）可以看出，在地震波作用下，裙房以上6~8层的X向层间位移角沿结构高度有急剧增大的趋势，说明该部分X向刚度偏小，在施工图阶段应适当调整构件断面，避免X向的抗侧刚度沿竖向突变；结构在36层有突变，此位置为斜柱起始部位，应重点加强；43层以上层间位移角沿结构高度有急剧减小的趋势，说明屋顶穹拱结构方案布置基本合理。布置钢支撑的核心筒角部圆钢管混凝土柱有局部损伤，在施工图阶段应调整断面，避免形成薄弱部位。

(4)结构体系评判：结构在3条地震波作用下，框架柱大部分处于弹性状态；BRB耗能明显，滞回耗能曲线饱满（图9），有效减小了楼层的侧向位移，作为第一道防线基本可靠；底部普通钢支撑出现塑性屈服，极大地延缓了框架柱塑性铰的发生时间；外框架柱与布置钢支撑的核心筒之间的框架梁塑性发展较为充分，耗散了部分地震能量，外框架柱与中间钢支撑框架形成的完整的框架体系提高了结构的安全储备。