鋼斜撐在超限高層結構設計中的應用

龔　兵

(福建省建筑設計研究院　福建福州　350001)

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鋼斜撐在超限高層結構設計中的應用

龔兵

(福建省建筑設計研究院福建福州350001)

某超限高層結構因受制于建筑體型、平面布局、使用功能等因素，框架柱、梁截面尺寸受限，且無法增設剪力墻，采用一般的框架—核心筒結構體系難以滿足規范關于層間位移角及位移比限值的要求。文章闡述了鋼斜撐在超限高層結構設計中提高抗側剛度及抗扭剛度的作用，介紹了跨層鋼斜撐的合理設置、節點構造以及增設鋼斜撐前后的分析計算對比，并簡要摘錄了結構抗震性能化設計的計算結果。

超限高層結構；高寬比；抗側移剛度；抗扭剛度；鋼斜撐

0　引言

高層建筑的發展日新月異，對建筑布局及使用功能的要求也越來越高，使得結構體系的布置受到了諸多限制，這就對結構工程師提出了更高的要求。如何在滿足建筑使用功能及舒適度的前提下，通過適當的結構構件布置，完成優質的結構設計，達到安全、經濟、美觀的目的，是每個結構工程師所追求的目標。

某超限高層建筑因受到建筑體型、平面布局及使用功能的限制，采用一般的框架—核心筒結構體系難以滿足規范關于層間位移角和位移比限值的要求；通過在主樓兩端設置跨層鋼斜撐，在不影響建筑使用功能的前提下，有效地提高了結構的抗側剛度和抗扭剛度，減小了結構的變形，改善了結構的抗扭性能。本文介紹了該工程跨層鋼斜撐的合理設置、節點構造以及增設鋼斜撐前后的分析計算對比，并簡要摘錄了結構抗震性能化設計的計算結果。

1　工程概況

1.1項目簡介

本項目為兩棟獨立的高層辦公樓和一棟高層住宅，由4層裙房相連，地面以下設3層連體地下室，總建筑面積約為15.3hm2。

結合建筑的使用功能，在地面以上設置兩道抗震縫，將結構分成3個獨立的抗震單元，以提高結構的抗震性能。圖1為其中的辦公1#樓及其部分裙房，圖2為1#樓5～19層結構平面示意圖，圖3為20～26層屋面結構平面示意圖；20層以上至屋面建筑東側收進兩跨。建筑物高度為118.80m。

1.2基本設計參數

本工程結構重要性系數1.0，結構設計使用年限50年，建筑抗震設防類別為標準設防類[1]，抗震設防烈度為7度(0.10g)，地震分組第二組，抗震構造措施按7度，場地土類別為Ⅱ類。

本工程建筑物高度超過100m，按照有關規定應進行工程場地地震安全性評價，抗震計算的相關參數應根據安評報告最后確定。本項目的《工程場地地震安全性評價報告》給出了場地地震動參數，結構設計中采用《建筑抗震設計規范》[2]中規定的地震動參數與場地地震動參數雙控的設計原則：特征周期取0.60s，水平地震影響系數最大值取0.083，峰值加速度為37cm/s2。

場地基本風壓為0.70 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度為B類，承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用。

本工程采用沖鉆孔灌注樁基礎，樁端持力層為強風化(2)。地基基礎設計等級甲級。

2　結構設計要點

2.1結構布置

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[3]規定，本工程屬于A級高度的高層建筑結構，可采用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系。根據相關規范[2,3]，本工程結構抗震等級如下：上部框架和剪力墻抗震等級除第18～21層塔樓周邊豎向結構構件的抗震等級為一級外，其它均為二級；地下一層為二級，地下二、三層為三級。鋼斜撐抗震等級為三級。

經計算表明，上部主樓與下部裙房的質心偏心距大于裙房相應邊長的20%，形成塔樓偏置，詳見圖1；裙房以上多個樓層考慮偶然偏心的扭轉位移比大于1.2，形成扭轉不規則；此外，第20層以上東側建筑平面收進，收進尺寸大于原建筑寬度的25%，形成尺寸突變，詳見圖2、圖3；根據《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》[4]，本工程屬于同時具有3項以上不規則的超限高層建筑。

本工程上部標準層層高4.5m，甲方要求考慮實際使用時設置夾層，夾層荷載均落于樓層梁上，因此樓層的恒、活荷載與正常相比增加較多。本地區類似高度的高層建筑，一般位移均為風荷載控制，而通過試算發現本工程為地震作用起主要控制作用。

由圖2、圖3可以看出，本工程上部寬度29.4m，相對于建筑物高度118.8m而言，高寬比已大于4，且核心筒寬度6.4m，僅為建筑高度的1/18.5，偏小；此外，柱距較大，核心筒與外側框架柱的間距為11.5m，而由于考慮到建筑平面布置及夾層采光等要求，所有框架柱的截面尺寸及框架梁的梁高均受到諸多限制；調整后主要截面尺寸：框架柱1 300～1 000×1 300型鋼混凝土柱，框架梁400×900鋼筋混凝土梁，核心筒剪力墻厚度600、500收至400mm。

盡管反復調整結構布置及構件尺寸，初步計算結果，在Y向地震作用下結構層間位移角還是大于1/600，遠遠大于“高規”[3]所規定的1/800限值，位移比也超過了1.5；即使大幅度增加核心筒剪力墻墻厚(例如增加到800mm)，對層間位移角的改善也不起太大作用，仍僅略小于1/600，位移比則未見變化。另一方面，本工程因為建筑使用功能的要求，除核心筒外其他較為適合的位置均無法設置剪力墻，無法通過增設剪力墻的方法來增大抗側剛度和抗扭剛度。因此，如何有效地提高結構的抗側、抗扭剛度，減小結構的變形，改善結構的扭轉性能，使結構的層間位移角和位移比滿足規范限值的要求，就成為本工程結構設計中亟需解決的問題。

2.2斜撐設置

一般情況下，在結構樓層之間設置柱間斜向支撐，與框架梁、柱形成空間桁架，可以有效地提高結構的抗側剛度。因此，在與甲方及建筑專業反復溝通之后，決定在主樓東西兩端地面以上部位設置四組鋼斜撐，如圖4所示。

考慮到柱距為11.5m，層高大多僅為4.5m，如在單層內布置，斜撐角度太小，受力不合理，無法充分發揮斜撐作用；而且地上一層為重要商業功能，主樓和裙房之間為商場的主要通道，希望盡可能減小斜撐布置造成的影響，因此將斜撐跨3層設置，如圖5所示，既滿足了建筑功能及美觀的要求，又實現了較為合適的斜撐角度，使得斜撐受力較為合理，充分發揮作用。

斜撐采用350×350方鋼管，壁厚40mm。鋼斜撐主要承受拉、壓力，因而斜撐兩端的水平樓層框架梁將受到拉、壓作用。為了保證斜撐軸力的有效傳遞，斜撐兩端與樓層相交處的框架柱、框架梁(一層梁除外，因為此處斜撐軸力直接傳到地下室剪力墻)均設置為型鋼混凝土柱、梁，如圖5所示。

第20層以上平面收進后，按原建筑平面布置，7軸以東的剪力墻均需要取消。如果不設斜撐，20層以上結構位移角無法滿足規范要求；如果仍然在建筑東西兩端設置斜撐，則將出現斜撐不連續，上部斜撐的內力無法傳到下部斜撐或直接傳到基礎。因此通過與甲方、建筑專業協商，調整建筑平面布置，將7～10軸之間的剪力墻延伸到屋面，如圖3所示，而兩端鋼斜撐僅設置到20層，避免了上部收進部位斜撐設置不連續。此外，受地下停車庫汽車通道限制，斜撐不允許延伸到地下室，無法直接落到基礎，因此在斜撐底部地下室處設置兩片800mm厚落地剪力墻，將斜撐推力可靠地傳遞到基礎，如圖5所示。

表1所示為剪力墻厚度不同時以及設置斜撐前后結構的最大層間位移角及位移比。

表1　不同布置下結構最大層間位移角及位移比

計算結果表明，主樓兩端設置鋼管斜撐后，有效地增強了結構的側向剛度及抗扭剛度，減小了結構變形，改善了結構的抗扭性能，使結構的層間位移角得以滿足規范的要求，同時也減小了結構的最大位移比。

2.3節點構造

各段跨層斜撐兩端與型鋼混凝土柱、型鋼混凝土梁連接節點如圖6所示，斜撐在各中間樓層處與相應位置的鋼筋混凝土框架梁無連接，僅穿過混凝土樓板上預留的洞口，如圖7所示。因中間有兩層混凝土樓板的水平約束，跨層斜撐的無支長度大幅減小，有效地提高了斜撐的穩定性。

鋼管斜撐擬在主體結構封頂后安裝，以盡量減少結構自重荷載作用產生的斜撐變形和內力，使斜撐主要在結構承受地震及風荷載作用時發揮作用。考慮到施工便利，可以在樓層施工時將鋼管先行就位，中段鋼管與兩端節點暫時由安裝螺栓連接，待主體結構封頂、填充墻體大部分砌筑完成后，再將鋼管斜撐焊牢。

3　結構分析計算

本工程為超限高層結構，結構設計采用了性能化設計的方法，將結構的預期抗震性能目標定位在D級且結構關鍵構件的抗震性能在中震下略高于性能水準3[3]。結構設計計算采用了多工況、多程序分析，按最不利工況控制。限于篇幅，性能化設計的具體內容就不在本文詳細介紹，在此僅簡要摘錄本工程結構抗震性能分析的主要結果。

(1)小震(多遇地震)下彈性靜力分析主要結果如表2。計算表明：主體結構位移、剛度等指標均滿足規范要求；結構平動、扭轉振型清晰，滿足規范要求；層剛度比、偏心率、樓層抗剪承載力比、剪重比、剛重比、軸壓比等其它各項指標均滿足規范要求。鋼斜撐承擔的規定水平力下地震傾覆力矩百分比為30.4%。

表2　小震彈性靜力分析主要結果

(2)小震下彈性動力時程分析結果如下：地震作用下最大層間位移角分別為1/1 031(X向)、1/880(Y向)；結構位移及樓層剪力曲線較均勻、無突變；除上部個別樓層外，結構反應均小于CQC法。設計配筋按最不利控制。

(3)中震(設防地震)下計算結果表明：底部加強部位豎向構件滿足抗剪彈性、抗彎不屈服的設計要求。

(4)根據計算結果，(1-1)軸的兩組斜撐(A-B軸、C-D軸)軸力明顯較(1-13)軸的兩組為大，表3列出了在中震作用下(1-1)軸各層鋼斜撐的內力。

表3　中震作用下(1-1)軸各層鋼斜撐內力(kN)

根據《鋼結構設計規范》[5]，計算出了各層四根鋼斜撐在組合內力下的最大穩定應力，如表4所示。其中應力A為最大組合受壓軸力下的最大穩定應力，應力B為在“1.3Ey+0.2x1.4Wy”組合下的最大穩定應力。由于鋼管斜撐擬在主體結構封頂后安裝，且高層建筑活荷載所占比例較小，因此斜撐的實際受力狀態應該較為接近應力B情況。

表4　中震作用下各層鋼斜撐最大穩定應力(kN/mm2)

斜撐采用Q345鋼管，壁厚40mm，鋼材的抗拉、壓的強度設計值為265kPa。鋼斜撐在中震作用下實際受力狀態的最大穩定應力為228kN/mm2，應力比0.86，滿足中震彈性的要求。

(5)大震(罕遇地震)下結構靜力彈塑性分析表明：結構在罕遇水平地震作用下的最大彈塑性層間位移角分別為 1/188(X向)、1/299(Y向)，小于《高規》[3]第3.7.5條規定的彈塑性位移角限值，結構能夠承受罕遇地震的作用，滿足“大震不倒”的抗震設防目標。

通過分析計算表明：本工程結構抗震設計滿足了小震彈性；中震底部加強部位豎向構件抗剪彈性、抗彎不屈服，鋼斜撐中震彈性；滿足大震下的截面控制條件及彈塑性層間位移角限值的要求，使得結構的關鍵構件的抗震性能在中震下略高于性能水準3的要求，故而整體結構的抗震性能高于D級標準。

4　結語

本工程屬于超限高層建筑，因受到建筑體型、平面布局及使用功能的限制，采用一般的框架-核心筒結構體系難以滿足規范關于層間位移角及位移比限值的要求，也無法在其他較為適合的位置增設剪力墻；通過在主樓兩端設置跨層鋼斜撐，在不影響建筑使用功能的前提下，有效地提高了結構的抗側剛度和抗扭剛度，減小了結構的變形，改善了結構的扭轉性能，使結構的位移指標滿足了規范的要求。

本工程結構采用了抗震性能化設計的方法，并對鋼斜撐這一關鍵構件要求在中震作用下保持彈性，計算結果表明整體結構的抗震性能高于D級標準。

[1]GB 50223-2008 建筑工程抗震設防分類標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]GB 50011-2010建筑抗震設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]JGJ 3-2010 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.

[4]建質[2010]109號 超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S]，2010.

[5]GB 20017-2003 鋼結構設計規范[S]. 北京：中國計劃出版社，2003.

龔兵(1967.07-)，女，碩士，高級工程師，一級注冊結構工程師。

The application of steel diagonal bracing in design of exceed-code high-rise structure

GONGBing

(Fujian Provincial Architectural Design and Research Institute, Fuzhou 350001)

Restricted by the building size, architecture layout and using function, the section size of frame columns and beams are limited and the shearwall could not be increased also in an exceed-code highrise structure. So the interlayer displacement angle and displacement ratio can not meat the standard limit by adopting the normal frame-corewall structure system. In this paper the function of steel diagonal bracing in enhancing the lateral stiffness and torsional stiffness of the exceed-code high-rise structure is expounded. The diagonal bracing setting, the joint construction, the analysis and calculation comparison before and after adding diagonal bracing are introduced. The results of performance-based seismic design of structure are given briefly.

Exceed-code high-rise structure; Height-width ratio; Lateral stiffness; Torsional stiffness; Steel diagonal bracing

龔兵(1967.07-)，女，高級工程師，一級注冊結構工程師。

E-mail:623427964@qq.com

2010-01-28

TU973

A

1004-6135(2016)02-0038-05