高層鋼骨混凝土核心筒結構設計分析

【摘 要】 本文借助高層鋼結構住宅的鋼框架-核心筒結構體系這個案例，敘述加強型梁柱節(jié)點、鋼骨混凝土剪力墻等優(yōu)化設計，從而增加結構抗震性能的優(yōu)勢。

【關鍵詞】 鋼結構住宅；抗震設計；高層建筑；鋼骨混凝土核心筒

本工程小區(qū)是依靠9幢8戶鋼結構住宅構成的，每幢建筑地上12層、地下1層、局部13層。地下層1是4.2m的停車場；層1是3.9m高的商鋪；層2、12是3.0m高的住宅層；層13是4.5m高的樓、電梯機房，建筑有37.35m高。單幢建筑有17m寬、54.6m長，其建筑面積為8769.2m2，小區(qū)總建筑面積為78930m2。

1 結構、節(jié)點及構件設計

1.1 結構體系的設計

我國大多數高層鋼結構住宅的結構體系均選取鋼框架-混凝土核心筒結構，相較于混凝土結構，其具備結構構件尺寸小、抗震性能佳、結構自重輕等優(yōu)越性，鋼框架-核心筒結構既可以比較好的實現(xiàn)住宅的所有功能要求，又能采用鋼框架-混凝土核心筒結構，而地下室與底部樓層可以是停車場或大空間的商場。

1.2 立面與結構平面布置

反復優(yōu)化立面設計與建筑平面方案，盡量在平面上縱向、橫向上向柱網盡可能對齊，柱距尺寸相似，結構傳力渠道簡潔，核心筒對稱居中；在立面上鋼柱、剪力墻、支撐應連續(xù)安設；核心筒的高寬比與建筑結構的高寬比應適量的比規(guī)范限值小，從而使得核心筒鋼筋配置與構造配置較為接近。

此工程平面布置規(guī)則、對稱，其核心成對中布局，立面剛度變化均勻，剛度中心與結構質量基本上吻合。為了確保建筑的扭轉效應能有效地被控制，在結構設計時應在○1～軸○11、層2～12各搭設一列單斜桿支撐；為了舒緩層1核心筒抗剪承載力不足的難題，層1對應上部斜桿支撐位置應搭設一道250mm厚剪力墻。核心筒的高寬比是4.85，建筑結構的高寬比是2.19。下圖1為標準層結構平面圖。

1.3 基礎設計與地下室

對高層鋼結構建筑而言，安設地下室是較為經濟實惠的。本工程建設場地的地質條件比較好。為此本工程工程設一層地下室，而基礎則采用靜壓預制管樁。

1.4 主要構件設計

1.4.1 鋼管混凝土框架柱

鋼框架-混凝土核心筒結構的框架柱應當優(yōu)先選擇鋼管混凝土柱，而鋼管混凝土柱為混凝土與鋼材的完美結合體，外圍鋼管的約束讓混凝土處在三向受壓態(tài)勢，混凝土抗壓強度既能得以提升，又能讓混凝土的破壞性顯現(xiàn)出顯著塑性特點，核心混凝土會給外圍鋼管的局部屈曲，使得鋼材的強度得以充分發(fā)揮出來；鋼管還能與框架柱箍筋、鋼筋、混凝土模板等。鋼管混凝土柱既避免了構件斷面尺寸大、鋼骨混凝土柱施工繁雜等劣勢，又防止了局部穩(wěn)定性差勁、純鋼柱總體剛度較低以及材料強度無法大力發(fā)揮出來等缺陷。

1.4.2 樓面體系

高層鋼結構住宅樓板可選取普通鋼筋混凝土樓蓋或者壓型鋼板組合樓蓋，其中，壓型鋼板組合樓蓋由于天棚需吊頂以及造價比較高等因素通常用在施工缺少條件安設滿堂腳手架或者建設工期緊張等特殊狀況。而普通的高層鋼結構住宅則應選取普通鋼筋混凝土樓蓋。

本屋面與工程樓選取的是厚度為100mm、120mm的鋼筋混凝土樓板，其依靠抗剪栓釘和鋼梁相連組合成樓蓋。而地下室頂板則選取的是厚度為180mm的鋼筋混凝土樓板。而屋面與樓選取軋制H型鋼或者焊接的手段，地下室頂板框架梁則采取鋼骨混凝土梁，次梁則選用鋼筋混凝土梁。

1.4.3 鋼骨混凝土剪力墻

本工程各幢層1～4縱橫墻交接地帶、核心筒和露面鋼梁交接地帶、鋼筋混凝土核心筒四角均依據結構總體計算安設鋼骨混凝土柱。層5～13核心筒和鋼梁交接地帶或者核心筒四角依據構造安設鋼骨混凝土柱，構造安設的鋼骨柱不加入到結構整體計算。

1.5 節(jié)點設計

1.5.1 柱節(jié)點、框架梁

為了防止柱節(jié)點、框架梁核心區(qū)過多的現(xiàn)場焊縫給節(jié)點領域當中的抗震性能造成影響。與此同時，還應當思量鋼構件的運輸與制作狀況，本工程受力比較大的框架梁和框架柱節(jié)點選取帶懸臂梁段的節(jié)點手段，且懸臂梁段長度為梁的兩倍多。框架柱的外伸式隔板和未支承次梁的框架梁的翼緣實施現(xiàn)場熔透焊縫連接，柱節(jié)點核心區(qū)、框架梁與梁翼緣上下500mm區(qū)域當中的全部焊縫都選取全熔透對接焊縫手段。

1.5.2 主梁與次梁的節(jié)點設計

通常，主、次梁節(jié)點都是依靠鉸接銜接起來的，而連續(xù)次梁和主梁的連接節(jié)點則采用的是剛接的手段，主梁翼緣用和次梁翼緣對接焊縫連接，且于次梁上翼緣加蓋板傳輸其拉應力。

1.5.3 柱腳節(jié)點

選取外包式柱腳作為鋼管混凝土柱的柱腳，而外包鋼筋混凝土的高度應與地下室層高度相同。

鋼管柱軸壓力部分依靠抗剪栓釘傳至外包鋼筋混凝土處，而局部則經柱腳底板傳至基礎地面，柱腳彎矩則由外包的鋼筋混凝土承擔。

2 結構整體計算分析

2.1 選取結構計算參數

縱觀鋼城花園小區(qū)住宅樓結構形式，其選取的是鋼框架-混凝土核心筒結構一級混凝土核心筒抗震，可確保在50年內使用無事故發(fā)生，其抗震設防烈度是8度，第二組建筑場地屬于II類有著0.4s的特征周期，多遇地震影響系數的最高為0.16，而罕遇地震的影響系數則最高達0.9，基本風0.3kN/m2。

2.2 結構計算模型

結構整體分析選取的是SATWE（2008版）計算。

2.3 計算結果剖析

（1）結構計算振型數、y方向的有效質量系數以及x方向的有效質量系數均與規(guī)定相符。

（2）綜合考慮各種因素，樓層豎向構件的y、x向最大水平位移與層間位移的比值分別是1.04與1.29，符合規(guī)定。

（3）不管有沒有思量偶然偏心影響的地震作用，風荷載作用下的y向與x向結構最大層間位移均符合規(guī)定。

（4）無論是各樓層抗側力構建的受剪承載力與相鄰上部樓層受剪承載力的比重，還是各樓層側向剛度和相鄰上部樓層側向剛度之間的比值，其均滿足規(guī)定。

（5）所有樓層的水平剪力系數的最小值均與要求相符。

（6）結構y向剛重比與x向剛重比以及結構穩(wěn)定性均符合要求。

3 抗震構造手段和結構抗震性能分析

3.1 鋼框架-混凝土核心筒結構抗震性能分析

一般來說，鋼框架-混凝土核心筒結構有著較好的抗震性能，可達到與我國現(xiàn)行規(guī)范相符的抗震設防要求。然而，若是在罕見的地震作用之下，此結構依舊會出現(xiàn)底部剪力墻局部連梁、墻體開裂以及混凝土筒體延性不佳、框架柱、框架梁個別節(jié)點凱雷、外圍框架二道防線作業(yè)不夠明顯等諸多問題。

3.2 框架柱-混凝土核心筒結構的抗震構造手段

3.2.1 大力提升混凝土核心筒的外延

本工程各幢層1～4縱橫墻交接地帶、鋼筋混凝土筒體和樓面鋼梁的交接地帶依據多遇地震作用計算安設鋼骨混凝土柱，而層5～13的混凝土筒體四角或者鋼筋混凝土筒體和鋼梁交接地帶則依據構造安設鋼骨柱。

依據高層鋼-混規(guī)程，在鋼筋混凝土核心筒的暗梁、鋼骨混凝土暗梁當中的鋼骨以及連梁按構造安設鋼骨。其中，鋼筋混凝土連梁內的鋼骨是依據多遇地震作用進行求算確定下來的，從而開展以鋼骨混凝土連梁為核心筒的塑性耗能構建設計工作。

3.2.2 大力提升鋼框架的承載力

按JGJ3—2002中11.1.5條規(guī)定可知，鋼框架-混凝土核心筒結構各層框架柱至少要擔負底部總剪力的1/4與框架部分地震剪力最大值的1.8倍之間的較小值。

3.2.3 達到強節(jié)點弱桿件、強柱弱梁的目的

強節(jié)點弱桿件、強柱弱梁是我國抗震的基本規(guī)范，同時也是保證高層建筑抗震性能的前提。為此在設計本工程結構時，應嚴守高層鋼-混規(guī)程要求促使高層結構達到抗震要求

4 結語

在八度抗震設防區(qū)，鋼框架-混凝土核心筒結構高層住宅遠比6、7度抗震設防區(qū)更繁雜。為此，應當再三對結構平面與立面布置進行優(yōu)化，仔細搞好節(jié)點設計與構件設計工作，一步步地指引并推動鋼結構住宅的產業(yè)化建設。