某商務(wù)樓鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、<p>　　某商務(wù)樓鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　【摘 要】湖南某商務(wù)樓結(jié)構(gòu)體系采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒（剪力墻）結(jié)構(gòu)，主樓3～5層設(shè)有超大懸挑樓層。根據(jù)工程特點(diǎn)分析了核心筒及剪力墻、懸挑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，并以SATWE軟件為主，ETABS中文版進(jìn)行復(fù)核對風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力進(jìn)行計(jì)算分析，大懸挑部分采用平面框架模型補(bǔ)充計(jì)算分析，分析結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。 &l

2、t;/p><p>　　【關(guān)鍵詞】鋼框架-鋼筋混凝土核心筒；大懸挑結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)計(jì)算；抗側(cè)力分析； </p><p><b>　　1、工程概況 </b></p><p>　　湖南某商務(wù)樓，總建筑面積66500m2，主樓總層數(shù)為38層，高為126.22m；裙樓為4層，高為20.35m，地下室共2層。主樓在層2～6范圍內(nèi)設(shè)有總層數(shù)為3～5層的大懸挑樓層，懸挑

3、尺寸至主樓邊緣算起為20～32m。層2樓面～屋頂層在建筑平面的中心區(qū)域均設(shè)置大開洞形成中庭。 </p><p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為甲級，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2001）的規(guī)定，本工程所在地地震動峰值加速度<0.05g，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按非抗震設(shè)計(jì)。主樓的基本風(fēng)壓值：w0=0.50kN/m2（100年一遇）

4、，地面粗糙度按C類考慮。 </p><p><b>　　2、結(jié)構(gòu)體系 </b></p><p>　　為盡可能縮短工期，同時(shí)便于主樓大懸挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)體系采用鋼框架-鋼筋混凝土核心筒（剪力墻）結(jié)構(gòu)，核心筒及剪力墻采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，框架柱采用矩形鋼管混凝土柱，框架梁及樓面次梁采用H型鋼梁，樓板采用現(xiàn)澆板及現(xiàn)澆板-壓型鋼板組合樓板。±0.000層及以下部

5、分梁板采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土框架柱在地下層1處過渡為型鋼混凝土柱，地下層2為普通鋼筋混凝土柱。 </p><p>　　2.1核心筒及剪力墻的布置 </p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)層平面呈不規(guī)則的橢圓形，典型柱網(wǎng)尺寸為6.0m×6.0m。在結(jié)構(gòu)平面的上、下兩端各布置一個核心筒或剪力墻區(qū)，下端區(qū)域的核心筒為主樓部分的主要核心筒，結(jié)構(gòu)平面上端在層9以下布置另一個核心筒，該核心筒在

6、層9樓面以上漸變?yōu)?片鋼筋混凝土剪力墻。上述核心筒及剪力墻一方面作為主體結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件，同時(shí)作為大懸挑結(jié)構(gòu)的主要嵌固端。核心筒及剪力墻分別布置于結(jié)構(gòu)平面的兩端，減小了結(jié)構(gòu)質(zhì)心、剛心的偏心距，使整體結(jié)構(gòu)具有較大的抗扭剛度。圖1，2分別為主樓層4及標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖。 </p><p>　　圖 1 主樓層 4 結(jié)構(gòu)平面布置圖 </p><p>　　圖 2 主樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖 &l

7、t;/p><p>　　2.2懸挑結(jié)構(gòu)布置 </p><p>　　懸挑樓層的結(jié)構(gòu)形式采用5榀跨層鋼結(jié)構(gòu)懸挑桁架GHJ-1～GHJ-5（圖1），GHJ-1沿建筑外輪廓柱網(wǎng)布置，懸挑尺寸為32m，桁架桿件自桁架根部（軸④處）一直向內(nèi)跨延伸至軸①處；GHJ-2沿軸○1E布置，懸挑尺寸為25.5m，桁架弦桿直接伸入核心筒剪力墻內(nèi)；GHJ-3沿軸○F布置，懸挑尺寸為31.0m，桁架弦桿在軸④處分支為兩根桿

8、件后分別伸入核心筒的剪力墻內(nèi)；GHJ-4，GHJ-5分別沿軸○K，○M布置，懸挑尺寸為23.5，19.6m，兩榀桁架的弦桿進(jìn)入主樓后，經(jīng)過一定角度的轉(zhuǎn)折，桁架弦桿伸入結(jié)構(gòu)的另一核心筒剪力墻內(nèi)。圖3為桁架弦桿的分支以及弦桿在核心筒內(nèi)的延伸錨固，圖4，5為受力較大的桁架GHJ-3，GHJ-4立面圖，圖6為桁架弦桿與核心筒端柱的連接做法。 </p><p>　　圖 3 桁架弦桿的分支、弦桿在核心筒內(nèi)的延伸錨固 <

9、/p><p>　　圖 4 GHJ-3 立面圖 </p><p>　　圖 5 GHJ-4 立面圖 </p><p>　　圖 6 桁架弦桿與核心筒端柱的連接 </p><p>　　為了加強(qiáng)桁架平面內(nèi)的剛度，桁架主桿件的匯交節(jié)點(diǎn)均采用剛性連接節(jié)點(diǎn)。由于主桿件的節(jié)點(diǎn)處有較多平面內(nèi)及平面外的桿件匯交，為了滿足剛性連接的要求，同時(shí)便于節(jié)點(diǎn)與周邊桿件的連接處理

10、，桁架的節(jié)點(diǎn)大多采用鑄鋼件節(jié)點(diǎn)，周邊桿件與鑄鋼件節(jié)點(diǎn)之間采用坡口焊等強(qiáng)連接。桁架平面內(nèi)的一些僅承受樓面荷載的次要桿件（如GHJ-3中層3，5樓面梁、GHJ-4中層5樓面梁等）與桁架斜腹桿的連接均采用鉸接。各榀桁架間以鋼框架梁及現(xiàn)澆樓板相連，GHJ-3，4的間距為24m，而相鄰桁架的間距為4.8m及6.0m，為減小桁架平面外框架梁對桁架的不利影響，24m跨大梁與桁架豎桿的連接采用鉸接，其余跨框架梁與桁架豎桿的連接采用剛接。桁架間在適當(dāng)部位

11、設(shè)置平面外的人字形或交叉形支撐，加強(qiáng)懸挑桁架平面外的穩(wěn)定性。 </p><p>　　2.3主樓結(jié)構(gòu)使用材料及主要構(gòu)件尺寸 </p><p>　　柱、剪力墻混凝土強(qiáng)度等級：C40～C35（受當(dāng)?shù)厣唐坊炷凉?yīng)條件限制，最高只能做到C40）；梁、板混凝土強(qiáng)度等級：C30；型鋼及鋼板：層15樓面以下（含）：Q345GJBZ15（t≤40mm），Q345GJBZ25（t>40mm），層15樓

12、面以上：Q345GJB，Q235復(fù)GJB；鑄鋼件：G20Mn5。 </p><p>　　矩形鋼管混凝土柱：1400×1400×60（壁厚）～700×700×20；剪力墻厚度：600～200；框架梁：H800×300×12×30，H600×300×10×16；懸挑桁架上弦桿：矩形鋼管1200×500

13、5;50～ 700×500×30；懸挑桁架下弦桿：矩形鋼管800×600×80～800×500×50；懸挑桁架斜桿：矩形鋼管800×600×80～500×500 ×30；懸挑桁架豎桿：矩形鋼管600×600×50 ～500×500 ×30。 </p><p><b>

14、;　　3、主樓結(jié)構(gòu)計(jì)算 </b></p><p>　　本工程結(jié)構(gòu)整體分析以SATWE軟件為主，同時(shí)采用ETABS中文版進(jìn)行復(fù)核，大懸挑部分采用平面框架模型補(bǔ)充計(jì)算。 </p><p>　　3.1整體結(jié)構(gòu)計(jì)算 </p><p>　　SATWE計(jì)算中，懸挑桁架水平桿件以梁單元輸入，由于部分桁架的上、下弦桿為傾斜布置，上、下弦桿上的較多節(jié)點(diǎn)都不在樓層標(biāo)高處，該

15、部分弦桿需簡化為樓層標(biāo)高上的水平梁桿件。豎桿以柱單元輸入，斜桿以斜柱單元輸入，桁架所在各樓層的樓板需考慮彈性樓板假定（彈性膜），結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的風(fēng)荷載按規(guī)范取值。 　　大懸挑樓層對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的傾覆彎矩，該傾覆彎矩與風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆彎矩將共同作用于主體結(jié)構(gòu)。由于本工程的特殊性，SATWE在整體抗傾覆驗(yàn)算中存在一些不足，因此，主樓的抗傾覆驗(yàn)算按以下方法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算（圖7）： </p><p>　　圖 7 抗傾覆

16、計(jì)算簡圖 </p><p><b>　　γ=Mr/Mov </b></p><p>　　式中：γ為抗傾覆安全系數(shù)；Mr為結(jié)構(gòu)抗傾覆彎矩，Mr=∑GiLi，Gi為各樓層結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值，此時(shí)，懸挑區(qū)域以外的樓面活荷載均取0，Li為各樓層質(zhì)心至傾覆計(jì)算點(diǎn)（主樓外輪廓線處）的水平距離，對抗傾覆有利時(shí)，取正值，不利時(shí)取負(fù)值；Mov為風(fēng)荷載作用下的傾覆彎矩標(biāo)準(zhǔn)值。 </p&

17、gt;<p>　　按照上述方法算得的抗傾覆安全系數(shù)遠(yuǎn)小于SATWE計(jì)算的結(jié)果，但仍滿足設(shè)計(jì)要求，基底也沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力（表1）。 </p><p>　　表1 主樓整體計(jì)算主要結(jié)果 </p><p>　　3.2整體分析主要結(jié)果 </p><p>　　主樓整體計(jì)算的主要指標(biāo)見表1，由表可見，兩種程序計(jì)算的結(jié)果比較接近，且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。表2為懸挑桁架

18、的桿件最大應(yīng)力比及撓度值，由表可見，整體計(jì)算的桁架桿件應(yīng)力比以及位移數(shù)值均較小。 </p><p>　　表 2 懸挑桁架的桿件最大應(yīng)力比及撓度值 </p><p>　　3.3大懸挑結(jié)構(gòu)補(bǔ)充計(jì)算 </p><p>　　大懸挑結(jié)構(gòu)除采用整體模型進(jìn)行計(jì)算外，同時(shí)還采用平面模型進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，計(jì)算程序采用STS軟件。平面框架計(jì)算模型的優(yōu)點(diǎn)是桁架平面內(nèi)的幾何圖形不用簡化，各桿件

19、完全按照桁架施工圖中的形式輸入，所有桿件單元均采用柱單元，各桿件的面內(nèi)、面外計(jì)算長度可準(zhǔn)確定義，截面設(shè)計(jì)時(shí)直接按壓彎或拉彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，不考慮樓板的作用。由于在平面框架計(jì)算中不能輸入剪力墻構(gòu)件，為了比較準(zhǔn)確地模擬核心筒對懸挑桁架的側(cè)向約束剛度，需按等效側(cè)向剛度原則將核心筒等效為框架-支撐結(jié)構(gòu)。表3為各榀桁架的桿件最大應(yīng)力比及撓度值。 </p><p>　　表 3 平面模型各榀桁架的桿件最大應(yīng)力比及撓度值 <

20、/p><p>　　3.4鑄鋼件節(jié)點(diǎn)的有限元分析 </p><p>　　根據(jù)《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS235：2008）要求及以往工程經(jīng)驗(yàn)，對鑄鋼件節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行承載力驗(yàn)算，驗(yàn)算方法為采用ANSYS軟件進(jìn)行彈性有限元分析。分析結(jié)果表明，鑄鋼件節(jié)點(diǎn)的最大折算應(yīng)力均滿足規(guī)程中的限值要求，鑄鋼件節(jié)點(diǎn)具有足夠的承載力. </p><p>　　3.5計(jì)算結(jié)果在桁架施工圖中的應(yīng)用

21、 </p><p>　　桁架施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，桁架桿件的截面設(shè)計(jì)以較大的平面模型計(jì)算結(jié)果為主；桁架間的框架梁與桁架豎桿的連接一般為剛接，根據(jù)平面模型的計(jì)算結(jié)果，桁架間存在一定的位移差，為減小由該位移差在桁架間的框架梁內(nèi)產(chǎn)生的附加內(nèi)力，該框架梁的一端在施工期間采用鉸接（僅將腹板連接），待桁架卸荷后再將翼緣與柱進(jìn)行焊接；桁架端部位移計(jì)算值較大，桁架在制作時(shí)需進(jìn)行起拱，起拱值取平面計(jì)算模型恒載作用下位移值的80%。 <

22、;/p><p><b>　　4、結(jié)語 </b></p><p>　　對于超大懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑結(jié)構(gòu)形式采用鋼結(jié)構(gòu)桁架比較合適；桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)除采用空間模型進(jìn)行整體計(jì)算外，同時(shí)采用平面模型進(jìn)行驗(yàn)算是偏于安全的；本工程鋼桁架節(jié)點(diǎn)大量采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，鑄鋼件重量對桁架自重的影響不能忽略，經(jīng)計(jì)算鑄鋼件自重對桁架自重的放大系數(shù)為1.1～1.2；超大懸挑結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算的影響較大，抗

23、傾覆驗(yàn)算時(shí)需同時(shí)考慮豎向荷載及風(fēng)荷載的共同作用。 </p><p>　　工程桁架卸荷過程中及卸荷完成后，監(jiān)測單位對懸挑桁架及主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了位移、桿件應(yīng)力等監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，卸荷完成12d后桁架下弦各節(jié)點(diǎn)的豎向位移值僅為2～5mm（撓度相當(dāng)于1/5000左右），主樓在層36軸④/○F處的水平位移值為15mm（相當(dāng)于主樓傾斜1/9050），豎向撓度值及主樓傾斜值遠(yuǎn)小于計(jì)算值。目前懸挑區(qū)域的大部分恒荷載已完成施工，因

24、此可以預(yù)見，在使用階段懸挑桁架的變形值以及主樓的傾斜值也將是比較小的，完全可以滿足使用功能的要求。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]JGJ 99—98 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998. </p><p>　　[2]JGJ 3—2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)