新型超高層裝配整體鋼網格盒式“筒中筒”混合結構的研究與應用

余德冕等

摘 要：文章介紹了一種新型的空間鋼網格盒式“筒中筒”混合結構，適用于超高層建筑。新型組合結構體系由鋼-混凝土協同式空腹夾層板樓蓋和網格式墻架組成外筒，與混凝土核心筒協同受力，具有較強的空間三維受力特性。空腹樓蓋易實現大跨度，內外筒之間具有廣闊無柱空間，可以自由劃分建筑平面。網格式墻架使結構整體抗側剛度有了很大的提升。文章通過一擬建工程實例，從經濟指標、結構整體受力等方面介紹了新結構體系的優越性。

關鍵詞：超高層結構；盒式結構；裝配整體式；鋼網格

隨著社會經濟的不斷發展，城市用地的日益緊張，高層和超高層建筑越來越多的出現在人們的生活中。鋼框架混凝土核心筒組合結構是我國目前最常用的超高層結構形式之一，但這種結構形式有著以下幾個不足：（1）外筒抗側剛度差，80%的水平荷載由內筒承擔；（2）用鋼量較大，經濟性欠佳；（3）剪力滯后效應較為明顯，空間受力性能不佳；（4）施工難度較大，鋼結構焊接時易發生火災安全隱患。為了克服常規框筒結構的種種弊端，文章提出了一種新型的空間鋼網格盒式“筒中筒”混合結構，并為這種新結構體系在實際工程中的應用提出相關建議。

1 新型超高層裝配整體鋼網格盒式“筒中筒”混合結構

1.1 鋼-混凝土協同式空腹夾層板樓蓋

鋼-混凝土協同式空腹夾層板體系是一種新型樓蓋體系[1]，由馬克儉院士提出，鋼空腹夾層板由T型鋼上、下肋和鋼管剪力鍵組成。與常規的正交型鋼密肋井字形樓蓋相比，鋼-混凝土協同式空腹夾層板為考慮剪切變形的“擬夾芯板”。鋼空腹夾層板在工廠制作成拼裝單元后，施工現場采用高強螺栓在網格節間中點處連接。拼裝結束后，在上弦肋焊接抗剪鋼筋，并在上表面澆筑細石混凝土板，形成鋼-混凝土協同式組合空腹夾層板樓蓋結構[2]。圖1是鋼-混凝土協同式空腹夾層板的空間示意圖。

這種新型樓蓋的自重較輕，跨度大，可應用于多、高層大柱網及大跨度樓蓋中。貴陽的凱賓斯基大酒店樓蓋就采用了鋼-混凝土協同式空腹夾層板樓蓋，相比普通樓蓋結構自重下降30%，空腹部分可以布置水平管線從而降低了結構層高。新型樓蓋還克服了傳統框架“有墻就有梁”，利用輕質隔墻就可以靈活劃分建筑平面。

1.2 裝配整體式鋼網格墻架

1.3 新型鋼網格盒式“筒中筒”混合結構體系

鋼-混凝土協同式空腹夾層板樓蓋和鋼網格墻組成了盒式結構，從水平和豎向兩個方向把整體結構劃分為細小網格。盒式結構作為外筒，和內部的混凝土剪力墻內筒協同工作，構成了新型超高層裝配整體鋼網格盒式“筒中筒”混合結構。這種新的結構形式外筒具有較強抗側剛度，無論是水平方向還是數值方向受力均勻，構件尺寸小，內外筒間無柱空間廣闊。空腹夾層板樓板布置水平管線使結構層高降低。在超高層建筑中使用新結構形式十分具有實用價值和經濟價值。

2 新型超高層裝配整體鋼網格盒式“筒中筒”混合結構工程概況和性能分析

2.1 擬建工程概況

文章以江蘇鎮江新蘇國貿廣場擬建新型超高層裝配整體鋼網格盒式“筒中筒”混合結構工程為例，從結構整體受力特性，經濟指標等方面介紹新結構形式的特點。擬建工程為63層商用建筑，結構總高度241.8米，抗震設防類別為乙類，設防烈度為7度（0.15g），設計使用年限為50年，工程安全等級二級，場地類別Ⅱ類，鋼材采用Q345[4]。2.2.1 層間位移角和位移比

用震型分解反應譜法對擬建工程模型進行分析，考慮偶然偏心作用，得到結構的層間位移角，x方向最大為1/720；y方向最大為1/810，均小于規范規定的1/536。X方向和Y方向的最大位移比均為1.12，均滿足規范要求，抗扭能力優越。

2.2.2 自震周期及動力特性

結構以平動為主的第一自振周期為4.740s，以扭轉為主的第三自振周期為2.635s。二者周期比為0.56，小于0.85，滿足規范的要求[5]。表明結構的平面布置十分合理。

2.2.3 風振舒適度

在10年一遇風載作用下，結構X向，順風向頂點最大加速度為0.060m/s2，橫風向頂點最大加速度為0.111m/s2；對于結構Y向，順風向頂點最大加速度為0.059m/s2，橫風向頂點最大加速度為0.108m/s2。均滿足規范規定。

2.2.4 經濟指標分析

表2為主要材料的經濟指標表，本擬建工程的結構總用鋼量為114kg/m2，混凝土折算厚度為318.9mm/m2。低于常規結構體系，新結構體系的優勢還有施工的周期較短，混凝土構件施工可以與鋼結構裝配同時進行，進一步降低施工費用。

3 結束語

3.1 新型超高層裝配整體鋼網格盒式“筒中筒”混合結構的構件小，受力均勻，空間性強，抗震性能佳。

3.2 新結構形式可以實現室內無梁無柱，易于建筑設計自由劃分空間。協同式空腹夾層板樓蓋中空部分可以布置管線，樓層結構高度小，對超高層建筑十分有意義。

3.3 新結構形式大部分構件采用裝配整體式工藝，工廠制作，現場裝配，構件單元尺寸較小利于運輸裝吊，施工現場采用高強度螺栓連接，避免了火災隱患，提高了施工文明程度。

3.4 新結構形式的經濟性能佳，用鋼量少于常規框筒結構，施工方便，速度快，也減少了施工費用和臺班費用。

參考文獻

[1]馬克儉，張華剛，鄭濤.新型建筑空間網格結構理論與實踐[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]張華剛，黃勇，馬克儉.鋼空腹夾層板在建筑樓蓋改造中的應用[J].貴州工業大學學報（自然科學版），2003，32（4）：83～87.

[3]Kejian Ma，Deng Peng，Shijie Qin，Super High-rise Building （H =266m）of New Concrete Core Tube and Assembly Integral Spatial Steel Grid Cassette Tube in Tube Hybrid Structure Research and Design，Applied Mechanics and Materials，Vols.204-208，2012，p 1179-1188.

[4]GB50017-2003.鋼結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[5]JGJ3-2010.高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

作者簡介：余德冕（1989-），男，浙江溫州人，碩士研究生，主要從事高層與超高層盒式結構的研究。