創業投資大廈主體結構體系的方案確定及優化

栗勇濤

（深圳市華筑工程設計有限公司，廣東 深圳 518040）

1 工程概況

深圳創業投資（VC&PE）大廈位于深圳市南山區科園路，東側緊鄰科園路，南側緊鄰濱海大道，西側、北側現狀為施工工地。主要功能包括：辦公室、展示廳、會議中心、功能廳、公共洽談室、餐廳及停車場等。主體結構地上45層，總高度186.3m，地下三層，地下室埋深（至底板底面）13.0m。

2 結構體系

創業投資大廈采用矩形方鋼管交叉斜柱網格體系，第一次采用矩形方鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土結構體系，這是在建筑結構技術上的創新。創業投資大廈與廣州西塔所采用的交叉網格體系相比，交叉斜柱為圓形鋼管混凝土斜柱，其受力機理及性能有很大不同，該設計體現了深圳敢為天下先的大膽開拓創新的精神，同時也符合風險投資家的追求與品位。

主體結構有以下四種方案：1.鋼結構外筒+鋼筋混凝土內筒；2.鋼筋混凝土外筒+鋼筋混凝土內筒；3.鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內筒；4.鋼結構外筒+鋼結構內筒（鋼框架+內藏鋼板支撐混凝土剪力墻結構）。對以上四種結構形式從頂點位移、層間最大位移、風荷載作用的頂點最大加速度、材料用量及主體結構自重等參數方面進行了分析對比，最終確定為鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內筒方案。

2.1 主體結構的選擇比較

2.1.1 鋼結構外筒+鋼筋混凝土內筒

按此方案進行可行性分析評估，其結果顯示橫風向風振的加速度比較大，基本接近規范限值，桁架筒底部受壓翼緣個別桿件應力超限，過多桿件應力水平比較高，且樓層在轉角處大開洞，桿件的平面外計算長度系數很大，桿件由穩定控制，難以保證結構的整體安全可靠，因此予以否定。

2.1.2 鋼筋混凝土外筒+鋼筋混凝土內筒

按此方案進行可行性分析評估，其結果表明交叉斜柱底部軸壓比接近1.0，難以滿足抗震要求，對于鋼筋混凝土壓彎構件，當軸壓比超過0.5后，構件的延性迅速下降，因為在高軸壓比條件下，桿件在軸力與彎矩作用下受壓邊緣纖維壓應變很大，當超過極限壓應變以后，混凝土會被壓碎，導致構件的保護層脫落和縱筋失穩，構件迅速失去承重能力。若外筒采用鋼筋混凝土交叉斜柱，在地震作用下結構的延性很差，且交叉節點處鋼筋很密，混凝土難以澆灌和密實。又因為交叉節點承受單獨桿件的雙倍軸力，因此需要將節點區擴大，而進一步加大了施工難度。采用鋼筋混凝土交叉網格外筒，結構的抗震性能較差，施工速度慢，施工質量及結構安全均難以保證，因此該方案予以否定。

2.1.3 鋼結構外筒+鋼結構內筒（鋼框架+內藏鋼板支撐混凝土剪力墻結構）

按此方案進行可行性分析評估，其結果表明結構指標參數均達到設計要求。但是，該設計方案為純鋼結構，其用鋼量不僅巨大而且遠高于其他結構體系性能。在目前國內鋼材價格形式下，該設計方案成本高，經濟性能很差，只能作為替補方案。

2.1.4 鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內筒

按此方案進行可行性分析評估，其結果顯示無論是結構周期和風荷載作用下的頂點位移及層間位移，還是地震下的位移角，其結構性能參數均優于其他三種方案。總體用鋼量除比鋼筋混凝土內筒+鋼筋混凝土外筒體系多，遠少于鋼結構內筒+鋼結構內筒體系，也少于鋼結構外筒+鋼筋混凝土內筒體系。此外，由于建筑場地的限制，結構外筒柱及內筒墻的尺寸不宜過大，否則難以保證建筑面積的要求，鋼管混凝土交叉柱的承載能力要遠大于純鋼管及鋼筋混凝土交叉柱，這也使得這種方案體系的效果要優于其他三種方案。另外我們在初步設計階段，對鋼管混凝土交叉節點及關鍵部位進行了實體有限元分析，分析表明我們所采用的節點在大震情況下滿足規范大震不屈服的抗震要求，若我們進一步對節點進行加強，這種結構體系不但可以抵抗大震的影響，既是遇到日本福島這樣的超強地震也可以達到大震不倒塌的要求。

2.2 鋼管混凝土交叉桁架外筒-內筒結構的特點

（1）交叉桁架外筒-內筒形式的筒中筒結構具有良好的抗側剛度，即使在198m高的超高層結構中，結構設計仍然是強度控制而非變形控制，因此交叉桁架外筒-內筒結構體系形式可在更高的建筑結構中應用。

（2）桁架筒體中桿件以受軸力為主，采用鋼管混凝土作為桁架筒體的桿件，結構底部桿件的應力水平不高，可保證結構的延性。

（3）由于桁架筒體結構具有優越的抗壓和抗扭剛度，結構的質量分布偏心對結構的影響可忽略。

（4）鋼管混凝土具有承載力高、塑性和韌性好、不易倒塌、制作和施工方便、耐火性能好、經濟效果好等特點，特別是在高層建筑結構中具有很大的優勢。鋼管混凝土柱既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結構中普通鋼筋混凝土結構底部的“胖柱”問題和高強鋼筋混凝土結構中柱的脆性破壞問題；也可以取代鋼結構體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結構的抗側移剛度。

（5）鋼管混凝土構件的自重較輕，可以減小基礎的負擔，降低基礎的造價。

（6）全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進行施工，從而加快施工進度；鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價格低，并且其耐腐蝕和防火性能也優于鋼柱。

3 鋼管混凝土柱交叉節點的設計

本節點參考其他相類似工程節點，做法如下：

混凝土斜柱節點用鋼板凳進行加強，其特征在于，所述鋼板凳由中間腹板、兩側翼緣板、上下蓋板、水平肋板等組成，中間腹板中間窄上下兩端寬，其形狀為兩個梯形短邊相對組成的類似于X形，梯形斜邊的斜度與斜柱斜度相近，翼緣板位于腹板兩側，蓋板位于腹板上下兩端，水平肋板位于腹板中間。所述鋼板凳被置于混凝土斜柱節點內部，其外部尺寸應盡量大，即翼緣盡量靠近斜柱外邊緣。

鋼板凳加強方式可在不影響建筑效果的情況下，有效改善交叉斜柱陰角部位的應力集中，彌補因斜柱交叉造成的截面削弱，增強斜柱交叉節點的承載力，從而保證整座建筑的安全性。

此節點提供一種矩形方鋼管混凝土斜交網格柱空間相貫節點及其制作方法，該節點的4根矩形方鋼管在矩形連接板處相交，4根矩形方鋼管之間以及矩形方鋼管與矩形形連接板焊接連接；環向加強板由至少兩塊環形鋼板組成，焊接在所述中心平面焊縫處的4根矩形方鋼管上，與環向加強板平行的兩環板分別焊接在環向加強板上下方的圓鋼管上，加勁肋板分布均勻地焊接于環向加強板與環板之間。

此構造節點所增加的鋼板及混凝土剛度為斜柱在交叉處所損失的剛度一倍以上，保證了節點處不低于上下交叉斜柱的總剛度。

該節點傳力明確、承載力高、質量輕、性能好、施工方便，能有效地連接上下部斜交網格柱，實現鋼管混凝土柱節點空間相貫，有很好的工程應用前景。

4 抗震性能分析

我們對該設計方案進行了抗震性能評估，主要采用靜力彈塑性分析方法——Pushover分析方法，并由此得到以下結論：（1）用修正的位移系數法、FEMA440等效線性化方法和能力譜法求得結構大震性能點，該點對應的基底剪力相當于小震CQC結果的4.4倍，其頂點位移相當于小震CQC結果的5.6倍；（2）Pushover分析得到的x、y兩方向(如圖1、圖2所示）的最大層間位移角分別為1/387（x向，在第30和31層）1/365（y向，在第33和34層）；均小于1/120，滿足規范要求；（3）Pushover分析得到的結構屈服的順序是：最先為連梁屈服，然后是底部剪力墻和框架梁柱，最后是鋼梁和交叉斜柱；（4）Pushover計算的大震性能點的構件損傷程度都滿足預先設定的性能要求，主要發生屈服的構件是連梁，此時剪力墻都沒有混凝土或鋼筋纖維壓壞，底部框架柱也未出現塑性鉸，鋼梁和支撐斜柱的也未出現抗彎屈服，驗算了鋼梁的剪力結果表明，鋼梁抗剪尚有較大富余。綜合以上結論，該結構經pushover分析方法驗證，可滿足“大震不倒”的設計要求，各類構件滿足預定的“性能水準”。

5 結語

創業投資大廈以全新的理念設計和獨特的結構體系，既體現了深圳的城市精神，也滿足了投資者的需要，得到投資者的親睞。該設計方案通過了可行性評估，這再次肯定了該設計方案的優越。鋼管混凝土外筒+鋼筋混凝土內筒的主體結構體系在滿足抗震要求的前提下降低了施工成本，保護了投資企業的利益，是不可多得的設計方案。

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