大底盘双塔楼超限高层钢骨混凝土结构设计1

前言
所谓超限高层建筑工程是指超出国家现行规范、规程所规定的适用高度和适用结构类型、体型特别不规则以及有关规范、规程规定应进行抗震专项审查的高层建筑工程。中广大厦是集办公，住宅, 商场, 餐饮, 娱乐为一体的大型高层综合性建筑。包括三栋高层塔楼(A,B, C 栋).裙房五层,地下二层。地下一二层为设备用房，汽车库，地下二层战时为六级人防。地上一~五层为商场。A、B 栋塔楼为 6~26 层蝶形平面的高层住宅，房屋高度89.1米，包括局部突出在内，建筑总高度 106.1 米。C 栋塔楼为 6~28 层大空间办公室，房屋高度 99.6 米。包括局部突出在内，建筑总高度 118.800 米。五层商场总面积为 26745 平方米，总建筑面积 100010 平方米。
因房屋总长度远超过钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距 55 米的限值，为此设二道抗震缝将房屋分为三段，形成三个结构单元。即 A、B 栋高层为大底盘、双塔楼；C 栋为独立带裙房的框架剪力墙结构高层建筑；其余为框架结构。建筑抗震设防类别均为乙类，场地类别为Ⅱ类。基础采用钢筋混凝土平板式筏形基础，底板厚度 1600mm（住宅部分）、1800mm（办公部分），持力层为强风化砂岩，地基承载力标准值 400Kpa，压缩模量 Es=12~17Mpa.。本建筑的结构安全等级为一级，设计基准期为 50 年。本文以 A、B 栋为论及对象。
结构布置特点
A、B 栋高层为满足上部住宅建筑的舒适性、规则性要求（即住宅室内无柱角）及下部五层商场大空间的使用要求，采用五层大底盘双塔楼框支剪力墙结构，在五~六层中间利用设备层做转换层，采用梁式转换，转换层设置标高为 23 米。高宽比为 3.22，长宽比为 4.13，转换层上下剪切刚度比值γ=1.395。
1、房屋高度超限
A、B 栋高层房屋高度为 89.1 米，超过了《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ3-91）中规定的框支剪力墙结构 8 度区适用高度 80 米的限值。
1.1采用双塔楼联体结构，质量、刚度分布不均匀，竖向不规则。
1.2高位转换：在五~六层之间利用设备层做转换层，标高 23 米。超过 8 度区转换层宜控制在 3 层以下的限制。
1.3由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次转换。
1.4由于商场使用功能的限制，A、B栋塔楼的落地剪力墙数量偏少，且大都布置在商场后部，主体结构与大底盘中心的偏心矩与底盘尺寸之比大于 0.2。
1.56~26 层住宅部分在外围剪力墙局部开设角窗。
2、构造措施
经我院多次分析论证，认为其主要不利因素为：框支剪力墙结构在转换层以下，支撑框架与落地剪力墙并存，形成了“支撑框架—剪力墙“体系。此中，支撑框架是一个薄弱环节。
这种结构体系，在高位转换时，由于在转换层附近的刚度、内力和传力途径发生突变，易形成薄弱层，对抗震不利。同时，支撑框架柱要直接承担上部传来的重力荷载，直接承担其上剪力墙由于倾覆力矩产生的轴力，要直接承担不可能依靠楼板全部间接传力给落地剪力墙而有一部分直接传来的地震水平剪力。这样使得转换层以下支撑框架柱的内力远大于计算分析结果。对此采取以下措施：
2.1在塔楼范围内五层以下框支部分采用钢骨混凝土柱，钢筋混凝土梁混合结构（钢骨混凝土柱共 48 个）。作为解决高位转换和高度超限的一项重要措施。
2.2A、B 栋塔楼的裙楼楼屋面板，在塔楼高振型的影响下，承受较大反复作用下的纵向拉压力及横向剪力，受力十分复杂。同时，由于建筑使用功能的要求，在裙楼中部开设大洞以便设置电梯，对楼板削弱较大。针对这一不利因素，在设计中采用了加强开大洞处楼板四周梁的断面及配筋，加大楼板厚度，增设斜筋的措施。
2.3由于上部住宅为蝶形平面，在转换层个别部位出现了二次转换梁。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ3-2002）第 10.2.10 条的规定：转换层上部的竖向抗侧力构件（墙、柱）宜直接落在转换层的主结构上。当结构竖向布置复杂，框支主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时，应进行应力分析，按应力校核配筋，并加强配筋构造措施。B 级高度框支剪力墙高层建筑的结构转换层，不宜采用框支主、次梁方案。针对这一不利因素，我们采取了加强框支主梁的配筋构造措施，并在框支主梁的下部配筋区设置钢梁的措施。
2.4在住宅部分开设角窗，削弱了剪力墙结构体系的整体性，对其抗震性能带来了不利影响，改变了剪力墙与框支梁之间的传力方式。针对这一不利因素，我们决定从受力计算和构造措施两方面予以加强处理。
3、计算结果分析
3.1、总体计算结果
3.1.1计算软件：采用中国建筑科学研究院的 PKPM 系列中的 TAT（多层及高层建筑结构三维分析与设计软件），SATWE（多、高层建筑结构空间有限元分析与设计软件）两种不同程序分别进行对比计算，其总体计算结果接近。下面列出 TAT、SATWE 的计算结果。地震影响系数采用《建筑抗震设计规范》GBJ11-89 中的数值：多遇地震 0.16，罕遇地震 0.9，阻尼比取 0.05
3.1.2设计参数：地震烈度8 度；场地土类别Ⅱ类；抗震等级框架、剪力墙均为一级；楼层自由度数：每个塔楼每层 3 个自由度（两个平动，一个扭转）；地震作用按侧刚分析模型考虑扭转耦连，用 18 个振型计算，固定端取在±0.000 处。
3.1.3结构基本周期：SATWE 结果：T1=1.3611 T2=1.3455 T3=1.2611
T4=1.1075 T5=1.0510 T6=1.0458
（仅列出前六个振型）
TAT 结果： T1=1.5046 T2=1.4899 T3=1.3669
T4=1.2368 T5=1.1506 T6=1.0749
(仅列出前六个振型)
3.1.4地震作用下的底层水平地震剪力系数：
SATWE 结果： Qox/G=4.44% Qoy/G=4.35%
TAT 结果： Qox/G=4.08% Qoy/G=4.08%
3.1.5地震作用下按弹性方法计算的最大层间位移与层高比值：
SATWE 结果： Ux/h=1/2262 Uy/h=1/2187
TAT 结果： Ux/h=1/1573 Uy/h=1/1583
3.1.6地震作用下按弹性方法计算的最大顶点位移与总高比值：
SATWE 结果： Ux/H=1/3021 Ux/H=1/2649
TAT 结果： Ux/H=1/2428 Ux/H=1/2373
3.1.7结构振型曲线及时程分析的部分图形
3.2、计算结果分析
根据以上计算结果来看，两种计算结果接近。下面以 SATWE 程序为主进行分析：
3.2.1自振周期在合理范围之内，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为 0.9，满足规范要求。
3.2.2振型曲线光滑符合规律。
3.2.3底层剪重比>3.2%,满足规范要求。
3.2.4最大层间位移和顶点位移<1/1000，满足规范要求。从最大楼层位移曲线可以看出，五层以下较缓，而转换层以上较陡，说明底盘刚度比塔楼刚度小。
3.2.5分析表明，时程分析的最大位移均不超过反应谱法计算的位移值，y 向楼层剪力，X、Y 向楼层弯矩均不超过反应谱法计算的楼层剪力及楼层弯矩，仅 X向楼层剪力 TAF-2波大于反应谱法，但三个波的平均值仍小于反映谱法楼层剪力。动力时程分析复核结果表明，不需要调整个楼层构件的内力和断面配筋。
3.3、局部计算及构造处理
3.3.1框支梁：采用 SATWE 程序中的框支剪力墙有限元分析程序进行计算，并进行应力分析。同时，加强框支梁的配筋构造措施，为避免框支梁钢筋过密，在框支主梁的下部配筋区加设一根 580mm 高的钢梁。
3.3.2角窗：整体计算时，角窗上部墙体按双悬臂梁进行计算。配筋设计时同时满足剪力墙连梁的要求。同时，加强角窗周围的暗柱及连梁的配筋，边墙剪力墙加墙垛，角窗部分楼板加斜筋。
3.3.3钢骨柱的计算：首先，确定钢骨的截面形式，预定钢骨柱的钢骨含钢率，带入 SATWE程序中进行整体计算，并根据计算结果调整含钢率。有关钢骨柱的构造及具体做法见下面的详细介绍。
4、钢骨混凝土结构设计前的准备工作
采用钢骨混凝土是解决超限问题的重大技术措施，也是本次设计的重要组成部分，在我省也是首次采用。在本次设计中，钢骨柱采用的是实腹式十字型钢，钢骨梁采用的是工字型钢。在钢骨混凝土结构设计中需要注意的几个问题如下：
4.1、钢骨的含钢率：
关于钢骨混凝土构件的最小和最大含钢率，目前没有统一的认识，但当钢骨含钢率小于 2%时，可以采用钢筋混凝土构件，而没有必要采用钢骨混凝土构件。当钢骨含钢率太大时，钢骨与混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全发挥，且混凝土浇注施工有困难。因此，在冶金部行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》YB9082-97 中将钢骨含钢率定为2%~15%。一般说来，较为合理的含钢率为 5%~8%。另在建设部行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001 中定为 4%~10%。在中广大厦钢骨混凝土柱的设计中，考虑到建设单位尽量节约钢材，节省资金的要求，经专家委员会认可，钢骨柱的含钢率确定为3.5%。
4.2、钢骨的宽厚比：
钢板的厚度不宜小于 6mm，一般为翼缘板 20mm 以上，腹板 16mm 以上，但当钢板厚度大于 36mm 时，钢材的厚度方向的断面收缩率应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB5313 中的 Z15 级的规定。这是因为厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性，由于在焊缝附近常形成约束，焊接时容易引起层状撕裂，焊接质量不易保证。钢骨的宽厚比应满足规范的要求。