楊清霞

【摘要】本文通過某不規(guī)則建筑工程主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，詳細(xì)介紹了該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點和處理辦法，同時介紹了如何運用性能化設(shè)計方法對不同結(jié)構(gòu)部位和構(gòu)件進(jìn)行加強。對此類的建筑具有一定的指導(dǎo)作用，以便于以后的施工需要，供大家參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑結(jié)構(gòu)；鋼框架；抗震設(shè)計；

1、工程概況及結(jié)構(gòu)設(shè)計難點

某建筑工程主樓地上32層，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.50m，主屋面高度為148.80m，結(jié)構(gòu)最大高度為180m。附樓4層，中間間隔規(guī)劃道路，地下設(shè)置滿堂地下室3層，總建筑面積約14萬m2。建筑主體造型通過對橢球體進(jìn)行的平面和豎向拉伸，再用三個曲面分別切割南側(cè)、北側(cè)及東側(cè)。各層建筑平面均在變化，下部樓層是逐漸外伸由小變大，層l5達(dá)最大平面尺寸，上部樓層是逐漸由大變小，至180m高度匯交于一點。芯筒區(qū)GKZ截面一般均為600mm×600mm鋼箱柱，壁厚由34mm逐漸變化到20mm；外框鋼管混凝土柱直徑1100ram（壁厚30ram），最大直徑為1250ram（壁厚50ram）；角部弧形桁架柱為最大截面600mm×1000mm鋼箱柱，壁厚由75mm逐漸變化到20mm。

工程建筑對結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要影響有：（1）結(jié)構(gòu)的中心部分在南北方向有效寬度較小，中部最小尺寸約為6m，為主屋面高度的1/25，導(dǎo)致中心部位抗側(cè)力構(gòu)件的剛度嚴(yán)重不足，在兩主軸方向剛度不協(xié)調(diào)。（2）樓板開洞的位置較多。底部4層通高的主人口導(dǎo)致底部3層樓板缺失；在中上部層2O和22的1b和1c軸左側(cè)的樓板全部取消，形成兩個高9m的無柱空間，X向最大跨度達(dá)24m；底部4.5m標(biāo)高處，除芯筒部分外，樓板全部取消，形成高度9m的人口大堂。樓板開洞導(dǎo)致此部分樓層質(zhì)量中心突變，剛度中心偏離較多，同時西側(cè)弧形桁架和中心部分聯(lián)系較弱。（3）角部斜立的豎向構(gòu)件外傾和內(nèi)收的尺寸較大，且向兩側(cè)伸展，呈現(xiàn)雙向的彎曲造型；構(gòu)件的空間定位、受力機理較復(fù)雜；樓層平面的梁和板存在較大的軸力去平衡傾斜桁架柱內(nèi)豎向荷載作用導(dǎo)致的水平分量。（5）復(fù)雜的空間體形和內(nèi)部功能空間的變化，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來較大難度。如何有效地組織結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，同時形成高效的抗側(cè)力系統(tǒng)，是本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的最大挑戰(zhàn)。

2、結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)規(guī)定將本工程主塔樓抗震設(shè)防類別確定為重點設(shè)防（乙）類建筑。根擬建場地的抗震設(shè)防烈度為8度（0.2Og），設(shè)計地震分組為第一組。由于建筑平面的原因，本工程如采用鋼筋混凝土核心筒的抗側(cè)力方案，較難滿足規(guī)范要求的層間側(cè)移指標(biāo)和結(jié)構(gòu)性能化目標(biāo)的要求，經(jīng)過方案比選，最終選定的是鋼框架一中心支撐的結(jié)構(gòu)方案。

根據(jù)抗規(guī)第8.1.3條的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震等級為一級。第8.1.5條規(guī)定：“抗震等級為一、二級的鋼結(jié)構(gòu)房屋，宜設(shè)置偏心支撐、帶豎縫鋼筋混凝土抗震墻板、內(nèi)藏鋼支撐混凝土墻板、屈曲約束支撐等消能支撐或筒體”。本工程由于斜立的角部鋼桁架柱參與抵抗雙向水平地震作用，且芯筒區(qū)也非規(guī)則的正交軸網(wǎng)，給設(shè)置偏心支撐帶來較大的難度；而中心支撐在受壓下可能發(fā)生屈曲，延性稍差，無法滿足本工程的抗震性能要求。綜合以上原因，本工程在芯筒部分全面采用屈曲約束支撐（BRBs），通過屈曲約束支撐良好的耗能能力，有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震能力；同時支撐體系易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整，從而減小剛度中心和質(zhì)量中心的偏心。為節(jié)省工程造價，所有直立的外框鋼柱均采用鋼管混凝土柱。

3、屈曲約束支撐的布置

屈曲約束支撐是為框架或排架結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度和承載力，采用支撐的結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛。支撐布置應(yīng)均勻且相對集中，均勻是為使每榀支撐桁架分擔(dān)恰當(dāng)?shù)乃胶奢d，相對集中是為提高支撐桁架的有效高度，提高材料的使用效率。同時支撐布置必須滿足門洞布置等建筑功能的需求。在地震荷載作用下，由下至上各樓層的層間剪力均勻地逐漸減小，相應(yīng)的支撐剛度（截面）也逐漸減小。高層建筑中框架支撐體系的受力特征和框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系的受力特征一致，在水平荷載作用下，在中下部樓層，支撐（剪力墻）承擔(dān)主要的樓層剪力，在中上部樓層，框架承擔(dān)主要的樓層剪力。這也使高層建筑中上部樓層支撐的布置，特別是屈曲約束支撐的布置具有很大的優(yōu)化空間。

4、弧形組合桁架布置及受力特點

在本建筑結(jié)構(gòu)平面的西側(cè)，由于造型和平面功能的原因，必須由西側(cè)弧形并呈雙向伸展的組合構(gòu)件去承擔(dān)較大跨度的豎向荷載，其東西方向在層15較底層外凸達(dá)14m，上部內(nèi)收達(dá)22m；南北方向中間最大寬度較底層外凸1lm。由于結(jié)構(gòu)平面中心部位的抗側(cè)剛度不足，此弧形組合桁架同時是協(xié)助抵抗水平地震作用的關(guān)鍵構(gòu)件。

4.1形態(tài)與布置。上述3個角部的弧形構(gòu)件，均呈現(xiàn)雙向的曲線變化，下小上大同時外凸。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時，為便于加工制作和施工過程控制，在底層位置處，在西側(cè)沿⑤ 一④軸用鉛垂面剖切西側(cè)曲面體，生成6榀直立的弧形桁架；外凸部分再增設(shè)斜柱，同時在弧線方向再增設(shè)腹桿，形成一相對復(fù)雜的空間巨型桁架。東南和東北側(cè)的弧形體相對外傾和延伸較小，且東側(cè)芯筒部分抗側(cè)剛度較大，僅設(shè)置弧形柱相連的框架，未設(shè)置腹桿。這些弧形體內(nèi)部有較多的風(fēng)道貫通上下，因此在每個樓層處的桁架位置平面內(nèi)均設(shè)置水平支撐予以加強。

4.2受力特征分析。在豎向荷載作用下，和桁架相連的框架梁內(nèi)均有一定的軸力，在層4框架梁中最大，此部分框架梁由于截面高度均較大，為保證腹板的穩(wěn)定，其構(gòu)造厚度一般均較厚，經(jīng)特別加強及復(fù)核，橫向構(gòu)件均能承擔(dān)此部分軸力。在豎向荷載作用下，弧形桁架的外側(cè)弦桿（柱）由于更靠近荷載中心和斜腹桿的不斷卸載作用而遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)弦桿（柱）；而在水平地震荷載作用下，為抵抗傾覆力矩，弧形桁架的整體性表露無疑，傾覆力矩使遠(yuǎn)端的弦桿（柱）軸力最大，在X向地震作用下是中間最左側(cè)和南北最右側(cè)4根柱，在Y向地震作用下是南北最外側(cè)4根柱。

4.3水平力的傳遞。西側(cè)桁架承擔(dān)了較大部分無柱空間的豎向荷載，同時還承擔(dān)了一定的水平荷載作用。在豎向荷載作用下，由于平面內(nèi)收上部樓層在樓板內(nèi)產(chǎn)生壓力，下部樓層在樓板內(nèi)產(chǎn)生拉力，樓板內(nèi)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在主人口門廳的上1層層4。在水平荷載作用下，樓板需協(xié)調(diào)部分樓層剪力至西側(cè)的弧形桁架。可見在西側(cè)桁架的角部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)力值為4.2～4.9MPa。

5、環(huán)桁架的設(shè)置

環(huán)桁架一般是超高層帶伸臂結(jié)構(gòu)中為協(xié)調(diào)外框柱的豎向變形而設(shè)置的。為加強西側(cè)弧形桁架和主體部分的共同工作，在層4，16（避難層）和層29分別增設(shè)了3道環(huán)桁架。增設(shè)環(huán)桁架導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度相應(yīng)增大，相應(yīng)導(dǎo)致了地震力的增大，兩者相抵，有無設(shè)置環(huán)桁架對結(jié)構(gòu)的層間變形分析結(jié)果影響較?。坏h(huán)桁架導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)剛度的突變，結(jié)構(gòu)層間位移角也呈現(xiàn)了相應(yīng)的突變。傳統(tǒng)帶伸臂高層建筑中的環(huán)桁架，協(xié)同外框柱中的軸力，使和伸臂相連的外框柱也能提供部分的抗傾覆能力。本工程的環(huán)桁架相當(dāng)于沿結(jié)構(gòu)平面環(huán)向加“箍”，主要目的是加強西側(cè)的桁架組合柱和中部及周邊框架的整體性，為避免對建筑功能造成過大影響，僅設(shè)置了3道環(huán)桁架。由于環(huán)桁架相對芯筒部分的抗側(cè)剛度大較多，水平剪力在環(huán)桁架上下樓層的重新協(xié)調(diào)分布較嚴(yán)重，因此對環(huán)桁架上下樓層的樓板采取了適當(dāng)加厚和配筋予以加強的措施。

6、結(jié)語

本工程是一個體形和平面等均較復(fù)雜的超高層建筑，且存在多項不規(guī)則。通過對復(fù)雜弧形組合桁架承重和抗側(cè)的受力分析及構(gòu)造加強，確保了其和整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)一致；通過性能化軟件進(jìn)行的評估分析，也驗證了結(jié)構(gòu)性能化目標(biāo)的合理陛，有效保證了結(jié)構(gòu)安全。