型鋼混凝土框架—混凝土筒體結構設計在超高層建筑中的應用與探討

摘 要：在高度為近190米的超高層建筑的結構設計中，采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結構形式。本文著重探討了結構體系及布置、結構設計的構想、結構整體計算與分析等。并在核心筒剪力墻極其外圍墻體設計、外框架型鋼混凝土梁柱節點設計、上部結構嵌固部位的分析驗算、連梁超筋問題的處理以及抗震構造措施上，作進一步的探討。

關鍵詞：超高層建筑；型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體；關鍵構件

1 工程概況

本工程位于上海浦東新區，包括5棟高層商辦樓、1棟多層商業樓以及3層整體地下室。地下室場地平面尺寸約為250mx190m，總建筑面積約14萬平方。（總平面圖見圖1）

1號樓坐落在大地下室的西北角，地上41層，底層和標準層層高分別為6.4m和4.5m，主屋面高近190m；標準層外包平面尺寸為50.4m×50.4m，地上建筑面積96600m2，采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結構。

地下室頂板面-1.200，覆土厚1米。地下室頂板面作為上部結構的嵌固端。

本文重點闡述1號樓的結構布置，見標準層結構平面圖（圖2），以及關鍵構件的處理措施。

2 結構設計分析

1號樓地上建筑面積近10萬平方，經常使用人數超過8000人，按照重點設防類（乙類設防），應按8度要求加強其抗震措施。結構設計年限為50年，結構重要系數為1.0。

根據工程的工程性質、使用功能及業主要求，為鋼組合框架-鋼筋混凝土筒體結構，根據《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程》DG/TJ08-015-2004（上海），鋼組合框架-混凝土筒體結構不超過限高190米的高度，不屬于超限高層范圍。地下一層頂板作為上部結構嵌固端，三層地下室為框架結構，高層對應地下部分局部采用型鋼混凝土，上部鋼柱和混凝土筒體內型鋼倒插入地下一層。地下一層頂板作為上部結構嵌固端處。高層建筑首層結構層標高高出地下室頂板600，在高低處通過構造措施保證地下室頂板的連續性。

抗震設防烈度為7度，場地土類別為IV類，特征周期為0.90s，基本地震加速度：0.10g，水平地震影響系數：0.08（多遇地震時），0.45（罕遇地震時），時程分析用地震加速度最大值：35cm/s2（多遇地震時），200cm/s2（罕遇地震時），結構阻尼比取為0.05。基本風壓取重現期100年值0.61KN/m2，地面粗糙度取為C類（市區），風壓體型系數取為1.3。

結構抗震等級，上部結構外周框架為一級，核心筒為特一級，地下一層為一級，地下二、三層為二級。層間位移角限值（地下室頂層作為上部結構嵌固端），多遇地震時1/680，罕遇地震時1/100。

主樓結構在平面中央采用鋼筋混凝土筒體結構，并以它作為結構主要抗側構件。外圍框架梁、柱采用型鋼混凝土（SRC），剪力墻筒體與周邊的柱相連接的框架梁則采用鋼結構，這種結構的選擇可減輕自重，減小框架柱的截面，加快施工進度，便于設備穿管。

為保證計算的準備性，彈性分析時按照規范規定采用SATWE和PMSAP兩個軟件進行整體計算，并對結果進行對比分析，見表1。

兩種軟件的整體計算指標接近，無明顯差異。補充計算0度和45度方向的地震作用效應，并進行分析比較，計算指標也比較接近，符合有關規定。

根據《建筑抗震設計規范》（上海規范）5.1.2應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。計算結果表明，每條波計算所得的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法的65%，三條波的平均值大于振型反應譜法的80%；在罕遇地震作用下的最大彈塑性位移角均小于1/100，符合規范要求。綜上所述，1號樓結構體系，結構布置是合理安全可靠的。

3 關鍵構件設計要點

3.1 核心筒剪力墻及外圍墻體

核心筒作為主要的抗側力構件，在滿足中震彈性的情況下， 即核心筒剪力墻底部加強區滿足中震基本彈性；在罕遇地震時，墻肢所承受的剪力不大于0.15fckbh0；拉應力標準值不大于1.5ftk（C60的剪力墻，限值為4.3N/mm2）。

對關鍵部位采取了以下措施以提高其抗震性能：（1）核心筒外圍墻體的四周轉角部位以及和鋼梁連接處設置構造型鋼，以提高延性。（2）核心筒四周轉角部位通高設置約束邊緣構件。（4）核心筒墻體內部約束邊緣構件的設置按軸壓比控制，小于0.2時設置構造邊緣構件。（5）外圍墻體處的連梁均設有型鋼，以滿足連梁截面的控制要求，同時也滿足強剪弱彎要求。（6）核心筒底部加強部位的墻體分布筋最小配筋率提高至0.6%，一般部位取0.3%；筒體在每層樓板處均設置暗梁。

3.2 外框架型鋼混凝土梁柱的設計

外框采用型鋼混凝土梁，增大了結構的抗扭剛度，與此同時也增大了土建施工的難度，特別是梁柱節點處的施工。因此，外框架型鋼混凝土梁截面和配筋的確定，除了需要滿足剛度和承載力的要求外，還應該盡可能減小施工的難度。首先，合理配置型鋼柱、梁截面板件厚度，在計算時盡量使外框型鋼混凝土梁柱的配筋為構造配筋，為了避免與外框柱內型鋼相碰，當外框梁底部鋼筋根數較多時，采用在梁柱節點處1：3變截面加腋的方式，在不影響梁的整體剛度的前提下解決鋼筋的錨固問題。節點做法見圖2。

3.3 與筒體相連框架梁截面的優化

在保證結構在地震荷載作用下整體位移滿足規范要求的前提下，鋼梁與核心筒內筒設計為鉸接連接，大大地減小了構件內力，使得構件截面大幅減小，這樣做可以有效提高辦公區域的凈空高度，同時也減小了框架柱與筒體豎向壓縮變形差異所帶來的鋼結構安裝上的難度。注意：控制外框架型鋼混凝土柱軸壓比限值為0.7，剪力墻軸壓比限值為0.5。目前計算結果，外框架柱軸壓比最大值為0.68，剪力墻軸壓比最大值為0.43。根據電算所得的軸壓比合理選擇框架柱，核心筒剪力墻的截面尺寸，也是控制框架柱與筒體豎向變形差的重要手段之一。

3.4 上部結構嵌固部位的處理

本工程上部結構位于地下室大底盤的中部，周邊遠離地下室外墻。因為地上有6個塔樓，上部結構的嵌固部位宜設置在地下室頂板處。故與建筑協調后，在離大地下室外墻較遠處周邊增設了剪力墻，具體見總平面圖（圖1）。地下室與首層剪切剛度比，由SATWE軟件計算可得，X向為3.281，Y向2.961，主樓地下室一側側向剛度均大于地上底層側向剛度的2倍。地下室頂板取厚度250mm>180mm。故大底盤多塔計算模型簡化為各塔樓單塔模型，嵌固端設置在地下室頂板處。

3.5 連梁超筋的處理

3.5.1 減小連梁截面高度；增大連梁截面跨度；在連梁中部開水平縫，以降低連梁的剛度。

3.5.2 內力計算前，直接將連梁剛度進行折減，折減系數取0.7。

3.5.3 采用對連梁彎矩調幅的辦法，考慮連梁的塑性內力重分布，降低連梁的計算內力，同時應加大剪力墻的地震效應設計值。調幅后的彎矩不小于前彎矩的0.8倍（6～7度）。

3.5.4 通過改變連梁計算截面高度，尋求實際截面連梁的最大抗剪承載力所對應的截面彎矩設計值，及與之相應的剪力墻內力和配筋。

3.5.5 當連梁抗剪截面不足時，可采取在連梁中設置型鋼或鋼板的措施。

3.5.6 連梁的鉸接處理，根據《高層建筑結構技術規程》JGJ3-2002，當連梁破壞時對承受豎向荷載無明顯影響時，可考慮在大震作用下該連梁不參與工作按獨立墻肢進行第二次多遇地震作用下結構內力分析，墻肢應按兩次計算所得的較大內力進行配筋設計。方法4和方法6剪力墻均為按兩次計算結構包絡設計。

本工程核心筒外圍剪力墻東西兩側的兩根連梁LL1超筋見圖2，該連梁不作為次梁或主梁的支撐梁，故兩端設鉸，剪力墻按照兩次計算結果包絡設計。

4 結束語

本工程作為超高層辦公樓，除了通過電算結果分析作為輔助手段，分析結構體系的合理與安全性；同時為避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力，故需要對關鍵構件采用合理的設計方法，及可靠的抗震構造措施；來有效保證結構的關鍵部位在地震作用時的安全可靠性。通過對整體計算，在局部關鍵部位采取可靠抗震構造措施，驗證了型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土筒體結構應用于超高層辦公樓，是安全可靠，切實可行的。

參考文獻

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[6]DG/TJ08-015-2004.高層建筑鋼-混凝土混合建筑設計規程[S].

作者簡介：朱蔚惠，國家一級注冊結構工程師，十年結構工程設計實踐，設計有多種類型建筑，包括多個超高層超限建筑。設計項目：上海陸家嘴塘東項目、竹園項目、陸家嘴金融中心等。