土木在线论坛 \ 建筑结构 \ 钢结构工程 \ 超高层建筑中纤细柱与经济效益的取舍

超高层建筑中纤细柱与经济效益的取舍

发布于：2022-09-09 13:09:09 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

超高层建筑中纤细柱与经济效益的取舍
—— 某钢框架-混凝土核心筒超高层
结构设计中的关键技术

题记

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[1] (简称高规)11.1.1条及条文说明中指出，由外围钢框架或型钢混凝土、钢管混凝土框架与钢筋混凝土核心筒所组成的框架-核心筒结构是混合结构中的一种典型类型。当前，该类型混合结构体系已被广泛用于100m以上的超高层建筑中，通常其主体结构的核心筒采用钢筋混凝土结构，外围框架柱多为型钢混凝土柱或是钢管混凝土柱，但鲜有采用纯钢框架柱。恰巧遇到一个项目，甲方更为看重土建空间的节省而带来的长远隐含经济效益，于是一拍即合，经过几轮限时成本与销售出租利润的测算，最终确定采用钢框架-核心筒的混合结构体系，而外围框架柱就选用了截面相对纤细的纯钢柱。

项目概况

项目位于广州市白云区三元里地段,处于机场路立交西南角，总建筑面积77 982m ² ，其中地上建筑面积64 347m ² ，地下建筑面积13 635m ² 。结构高度为149.95m，地下部分设3层地下室，地下3层～地下1层层高分别为3.5，3.9，6.6m；地面以上共35层，首层大堂层高6m，2～6层商业层层高5m，7～25层办公层(标准层)层高3.9m，30～35层公寓层层高5m，是集商业、商务办公、公寓式办公于一体的超高层商务办公楼。建筑实景照片和结构剖面分别见图1、图2。

▲图1 建筑实景照片

▲图2 结构剖面图

建筑东西两侧设置了垂直空中庭院共享空间，垂直院落空间为塔楼标准层提供了交流休闲空间，改善建筑自然通风与采光适应岭南气候并与东侧的白云山风景区在空间上形成呼应，见图3~图5。

▲图3 垂直庭院

结构方案中的关键因素

从业主的角度出发，按当前市场情况(广州市白云区三元里地段写字楼销售价格约35 000元/m ² 、出租价格4元/m ² /d)，比较其长远的隐含经济效益，并以钢筋混凝土框架-核心筒方案作为基准，衡量后期运营期间每层增加的收益，详细对比结果见表1。

表1 框架-核心筒结构方案对比汇总

由表1可以看出，框架柱面积占单层面积的比例均控制在比较合理的范围内，钢筋混凝土框架– 核心筒方案含钢量最小，钢框架-核心筒含钢量最大，总体来说，钢框架-核心筒建造期间的土建造价偏高 ^[4-5] 。但因为外框钢柱非常纤细，对超高层而言其提高的使用面积是相当可观的，业主方表明，本项目建成后将考虑大部分用来出租，因此每日出租面积的增加将带来长期的隐含增值经济效益。

结构设计中关键问题的处理

层间位移角的控制

通常提高结构抗侧刚度的方法有以下三种：外围设置网格斜撑；在结构的高区设置伸臂桁架；提高核心筒剪力墙、外框架柱截面尺寸。鉴于建筑使用功能及幕墙立面的因素首先不选择网格斜撑方式；伸臂桁架的引入则会带来结构层间刚度不均匀，应力集中等一系列问题，这种方式在结构高度150m左右的框架-核心筒结构中很少采用；而单纯加大筒体剪力墙厚度与框架柱截面的做法，将会牺牲一部分使用空间，与业主的诉求偏离。因此，项目组考虑加强核心筒剪力墙与外围框架的空间联合抗侧能力来达到控制层间位移角的目的。

为此作了以下试算，在同样尺寸的核心筒剪力墙以及基本一致的结构布置前提下，仅改变外围框架构件组成方式和连接方式，从中考量整体结构的空间受力性能，层间位移角计算结果如表2所示。

表2 层间位移角计算结果

可见，采用的连接方式对结构最大层间位移角的影响较大。刚接方式可以加强外框架与核心筒共同协调工作的能力，使整个框架与核心筒的空间协同作用更强，从而有效减小结构的层间位移角，因此本工程钢框架梁与核心筒最终采用刚接方案。

竖向变形差的控制

超高层建筑竖向构件的变形差异有可能导致梁板构件产生明显的附加应力和过大的变形，进而造成一系列不良影响，外框钢柱与混凝土筒体因为材料性质上的差异，对竖向变形差更为敏感。常规的结构分析方法未考虑施工阶段荷载工况和加载顺序对结构的影响，且忽略了混凝土在长期荷载下的收缩和徐变效应。因此，应对框架-核心筒结构中外框钢柱与核心筒墙体之间的竖向变形差进行专项分析。

▲图6 施工模拟加载下各楼层构件竖向变形

应用MIDAS Gen软件对结构进行施工加载建模，分别得到外框钢柱与核心筒剪力墙的徐变量、弹性压缩量、收缩量及总变形量，由图6可见，筒体部分的竖向变形量呈以下规律：收缩量<徐变量<弹性压缩量，外框钢柱总的竖向变形量大于核心筒剪力墙，相连接的钢框架梁将承担由竖向变形差带来的附加内力，同时需考虑对节点采取必要的加强措施。

梁墙刚接加强节点的设计

基于层间位移角控制、竖向变形差控制等因素，本工程选择的梁墙节点均采用刚接的连接方式，每层楼面梁与钢筋混凝土筒体之间的刚性连接，类似在各层形成一个刚度较弱的“伸臂桁架”，不但空间上加强了外框钢柱与筒体之间的空间协同工作性能，发挥框架结构在二道抗震防线中的作用，也提高了结构的整体刚度及抵抗水平荷载的能力。图7即为本工程实施的梁墙节点大样示意图。

▲图7 梁墙节点大样示意图

该梁墙节点通过在梁端设置加腋构造，实现了混凝土筒体的塑性铰外延，使非弹性作用的塑性铰能够离开混凝土筒体转移至钢框架梁上，从而消耗地震能量，避免脆性破坏，且塑性铰有足够的转动能力，具有较好的延性性能，节点设计能够达到“强节点弱构件”的目标。

外框钢柱的屈曲分析

外框钢柱作为重要的竖向支撑与抗侧力二道防线，屈曲稳定性分析是十分必要的。基于欧拉公式的弹性屈曲法，对底部1～6层的整体模型进行该单位力对应工况下的屈曲分析，从而确定外框钢柱发生屈曲失稳的临界荷载，由欧拉临界荷载公式反推钢框架柱的计算长度系数。由于钢框架梁与核心筒之间、钢框架梁与外框柱之间均采用刚接的连接方式，通过具有较强侧向支撑的核心筒约束，外框架在整体模型分析中属于有支撑框架结构，因而复核得到的最不利计算长度系数均小于规范值1.0，见表3所示，说明外框钢柱具备足够的安全系数。

表3 外框钢柱弹性屈曲分析结果

弹塑性时程补充分析

补充动力弹塑性时程分析主要的原因有两点：1)外围框架采用纯钢框架柱的框架-核心筒超高层结构，应通过时程分析方法进一步考查混凝土与钢这两种不同的材质在罕遇地震作用下的协同抗震性能；2)结构基本自振周期大于4s，略超出静力弹塑性方法的适用范围。

采用MIDAS Gen软件对整体结构进行弹塑性时程分析，从图8可以看出，罕遇地震下，大部分外框钢柱脚以及剪力墙的底部处于弹性阶段(Linear)与第一塑性铰屈服状态(1st Yield)，仅有5.5%进入第二塑性铰屈服状态(2nd Yield，即屈服加强阶段)，梁铰进入第二屈服状态的相对较多，约占30%，说明钢框架梁开始起到耗能作用，但梁、柱、墙铰均未达到极限状态(3nd Yield)，仍具有一定的变形和承载能力。

▲图8 底部加强部位1～3层的非弹性铰状态

图9所示为地震波输入时间历程中外框钢柱最大应力云图，可见外框钢柱最大应力为145MPa，小于钢材的屈服应力，钢材在罕遇地震下未出现塑性，仍保持弹性状态，满足抗震性能水准4中关键构件轻度损坏、部分普通构件中度损坏的要求。

▲图9 外框钢柱最大应力云图/kPa

▲图10 外框钢柱现场施工图

结语

在超高层建筑中，外围的框架柱多为型钢混凝土柱或钢管混凝土柱，鲜有采用纯钢框架柱。为了探索钢框架-混凝土核心筒结构在超高层建筑中的应用，同时，从超高层建筑纤细柱经济效益的角度出发，项目组对比高规中定义的四种框架-核心筒结构方案，深入分析与阐述了钢框架-混凝土核心筒超高层结构设计所采取的一系列关键技术点，以期为该类型超高层建筑结构的发展提供理论与实践的借鉴。

项目信息

项目地点： 广州市白云区三元里

建筑面积： 77982平方米

设计单位： 广州市城市规划勘测设计研究院

建筑设计： 范跃虹、陈伟军、胡展鸿、张庆宁、区慧美

结构设计： 唐珉、刘永添、陈晨、石文智

机电设计： 田斌、刘东燕、刘碧娟、李刚

项目状态： 投入使用运营2年

超高层建筑高层建筑超高层建筑