高宝金融大厦型钢混凝土框架一核心筒结构设计.pdf

第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 高宝金融大厦型钢混凝土框架一核心筒结构设计 袁雅光陈春晖花更生 华东建筑设计研究院有限公司，上海2 0 0 0 0 2 【摘要】高宝金融大厦坐落于陆家嘴金融贸易区，是一幢4 2 层、大屋面高度1 8 0 M 的超高层办公楼。采用型钢混凝土 框架一核心筒结构体系。其北立面逐层内收，形成凹口。东翼在3 3 层收进。平面和立面的不规则给抗震设计带来很大困 难。为控制侧向位移，利用设备层设置伸臂桁架，并且在上部增加剪力墙进一步增加抗侧刚度。本文详细介绍了本工程的 设计重点及分析方法，对关键连接节点及转换桁架作了详细坦述，希望能给今后类似的工程设计有所借鉴。 【关键字】型钢混凝土梁型钢混凝土柱高层建筑抗侧刚度静力弹塑性分析转换桁架节点 1工程概述 高宝金融大厦位于陆家嘴中心地区x 3 ．1 地块，银城西路与花园石桥路的拐角处，为一幢超高层办 公写字楼，总建筑面积约7 ．5 万平方米，设三层地下室，地下室平面长约8 6 米，宽约7 4 米 见图1 。 地面以上主楼长约4 4 米，宽约4 2 M ，建筑平面呈H 形，东侧地上3 5 层，高1 4 5 ．7 5 M ，西侧地上4 2 层， 高1 7 8 ．3 5 M 。结构形式为型钢混凝土框架一核心筒结构。裙房位于主楼东侧，建筑平面呈三角形，地上 五层，高2 2 ．9 米，框架一剪力墙结构，与主楼之间在六层屋顶有轻钢玻璃采光顶，采用活动支座连接。 主楼与裙房在0 ．0 0 以上设抗震缝脱开，0 ．0 0 以下不设变形缝。在主楼1 4 与1 5 层、2 8 与2 9 层之间 设避难兼设备层。在主楼高低两屋面外侧共有三处片式幕墙，最高的一片幕墙顶标高为1 9 8 M 。主要楼 层平面及剖面见图2 。 本工程属于丙类建筑，抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅳ类，主楼为型钢 混凝土框架一核心筒结构体系，框架和剪力墙抗震等级均为一级。裙房为框架一剪力墙体系，框架抗震 等级为三级，剪力墙二级。 袁雅光。男，1 9 7 8 ．8 出生，工学学士，工程师 ．3 8 5 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文 2 0 0 8 年 击 南e - 面为 图2 主楼标准层平面 2 基础设计 图1 建筑总平面图 V 第二畦难层 剑 ，、月 一 一 一 第一避难层 土O ．O O 碍～ 第一避难层 第一避难层 士0 ．0 0 本工程设三层地下室。底板面标高．1 9 ．6 M 。基础形式采用桩一筏基础。主楼下底板厚度为2 ．8 M ， 裙房下底板厚度为1 ．2 M 。考虑到周边环境的要求，采用钢筋混凝土钻孔灌注桩。主楼范围采用①8 5 0 直 径，桩长3 8 M ，桩尖进入7 2 层。因7 2 层土为砂土层，钻孔灌注桩施工质量离散性较大，采用后注 浆工艺。另一方面，采用后注浆工艺后能显著提高单桩抗压承载力，通过试桩及参考类似工程的情况， 本工程中取2 0 ％，单桩抗压承载力设计值为6 2 0 0 k N 。裙房下主要为抗拔桩，桩径①6 5 0 ，桩长3 0 M ，桩 ．3 8 6 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 尖持力层为7 2 层。 基坑围护采用“二墙合一”的形式，把基坑开挖围护墙设计与使用阶段地下室外墙设计综合考虑。 在地下连续墙设计时，地下室底板顶部及底部钢筋标高处预留接驳器，用于开挖后底板与地下连续墙的 连接。在地下连续墙的拼接处及结构框架梁连接点位置设置壁柱，在地下室楼层标高及坡道位置设置环 梁。壁柱和环梁通过预留在地下连续墙内的弯筋与地下连续墙可靠连接。 主楼与裙房之间基础未设变形缝，为控制差异沉降，在主楼与裙房之间设置施工后浇带。此外由于 荷载较大的主楼桩基采用了后注浆工艺，也减少了主楼桩基的绝对沉降值，主楼与裙房之间的沉降差也 相应减少。底板计算采用华东院自主开发的程序，其考虑了上部结构的刚度及主、裙楼之间的差异沉降， 根据计算得出的底板内力确定底板配筋。 3 主楼上部结构设计 3 ．1 结构体系介绍 根据建筑平面，利用中间的楼梯问、电梯问、设备机房周边的墙体布置剪力墙，形成筒体。外框柱 间距9 米，与内筒间距为1 3 ．6 米。建筑从设计使用功能考虑，对柱断面尺寸提出了限制，因此结构设计 外框柱采用型钢混凝土柱。低区墙、柱混凝土强度等级C 6 0 ，型钢材质Q 3 4 5 B 。最大柱断面 1 5 0 0 伽∞x 1 5 0 0 m m ，柱内型钢采用十字型，含钢率7 ％～l O ．0 ％，最厚钢板5 5 蚴。墙、柱混凝土强度等 级和断面沿高度逐步减小。底层柱轴压比控制在0 ．7 以内，墙控制在0 ．5 以内。同时，从保证建筑有较高 的净空高度及经济性两方面考虑，框架梁亦采用型钢混凝土梁，从而构成了型钢混凝土框架一钢筋混凝土 核心筒的混合结构体系。标准层框架梁高度基本控制在7 0 0 m m 以内。由于建筑平面有较大凹口，角部 抗侧刚度较差，为控制层间位移，型钢混凝土梁与核心筒的连接采用刚接，为保证梁柱节点刚性连接可 靠，在该节点位置的剪力墙内设置型钢，与劲性梁内钢骨全焊连接。此外，部分核心筒连梁因剪力过大 亦做成型钢混凝土梁，梁内型钢与墙体铰接，以方便剪力墙施工。 由于建筑物在北立面2 轴和3 轴间沿高度逐渐向内收进，造成核心筒剪力墙在第一避难层和第二避 难层有两次内收，并使得平面上凹口逐渐加深，凹口两侧的框架相互独立，且为一跨。在x 向地震力作 用下，角点的位移在第二避难层以上比较大。为控制该处位移，我们采取了以下措施 l 、利用第二避难层以上的楼梯间布置了剪力墙，以增加结构的抗侧刚度，并在第二避难层处设计 了转换桁架以承受剪力墙传递的竖向荷载。 2 、利用第二避难层设置六榀X 向伸臂桁架，连接框架柱和核心筒。桁架方向与芯筒X 向剪力墙基 ．3 8 7 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 本对齐，以达到抗侧力构件连续的要求。桁架高度为一个楼层高度，两个楼面的型钢混凝土框架梁作为 上下弦杆，腹杆采用箱形截面钢梁。其中两榀伸臂桁架兼做转换桁架。 3 、增大西侧北面单跨框架梁的截面尺寸，由标准层的8 0 0 x 7 0 0 增加到8 0 0 x 1 2 0 0 ，有效增加框架抗 侧刚度。 经计算分析，以上三个措施对控制层间位移是有效的，满足了规范的要求。此外，由于建筑物在东 侧的3 3 层即为屋面，3 3 层以上仅有中间筒体和西侧框架，导致结构刚度偏置。为了控制由此产生的结 构扭转，也需要利用西侧的楼梯间布置剪力墙。因此增加的剪力墙解决了控制x 向层间位移和平面扭转 两个问题。但同时造成结构高位转换。 3 ．2 主要计算分析 本工程采用高层建筑结构空间有限元分析软件S A l n ⅣE 进行结构方案比较、优化计算，以E T A B S 作验算。用振型分解反应谱法和时程分析法对结构在多遇地震下的响应做了分析，结果见表l 、表2 。 水平地震作用下振型分解反应谱法结果整理表1 程序 指标 S A T W EE T A B S T 14 ．3 1 1 64 ．1 3 6 9 周期 T 24 ．1 1 9 03 ．9 3 7 7 T 3 扭转 3 ．3 7 8 l3 ．0 8 9 7 X 向 1 ／6 9 7l ／7 2 5 最大层间位移角 Y 向 1 ／7 7 01 ／8 3 6 X 向1 1 2 61 - 3 9 扭转位移比 Y 向1 ．3 51 ．3 8 基底剪重比X 向 2 ．1 42 ．2 0 ％ Y 向 2 ．1 02 ．2 0 按高规4 ．6 ．3 条第3 款，本建筑大屋面高度为1 7 8 ．8 M ，插值可得层间位移控制值为1 ／6 8 2 。 水平地震作用下弹性时程分析结果整理表2 程序 指标 S A r 、砸 E T A B S S H W l ．41 ／7 5 31 ／6 7 2 S H W 2 _ 41 ／6 0 2 l ／6 2 8 X 向 S H W 3 ．4l ／1 0 2 31 ／7 6 9 平均值l ／7 5 6 1 ／6 8 5 最大层间位移角 S H W l 4l ／1 0 6 3l ／9 9 5 S H W 2 4l ／6 2 31 ／8 9 6 Y 向 S H W 3 41 ／9 9 91 ／9 7 9 平均值 l ／8 4 61 ／9 6 7 3 8 8 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 从中可看到，时程法与反应谱法计算结果基本接近。 考虑到本工程超限情况较多，还邀请同济大学做了罕遇地震下弹塑性静力推覆 p u s h o v 盱 分析【1 1 。 它是按照一定的水平加载方式，对结构施加单调递增荷载直到将结构推至一个给定的目标位移状态或结 构呈现不稳定状态为止，来分析结构进入弹塑性变形状态时的反应，能得到杆件出现塑性铰的先后顺序、 结构中塑性铰的分布规律、结构的变形模式、结构的薄弱环节和结构倒塌破坏模式等。 七度罕遇地震对于设计基本地震加速度值0 ．1 0 9 的地区，水平地震影响系数最大值Q 删Ⅸ 0 ．4 5 。Ⅳ 类场地土，特征周期T g 1 ．1 s 【2 1 ，设计地震分组第一组。 锚 枢 转角或应变 位移强僵 图3 ．2 塑性铰变形的荷载．位移骨架曲线图 图3 ．1 能力谱法示意图 S R C 柱采用P ．M y ．M z 相关塑性铰，以考虑轴力和弯矩交互作用的耦合；S I 汇梁、混凝土梁、钢梁 仅考虑两端出现弯曲屈服产生的塑性铰，即M y ．M z 铰；桁架钢支撑考虑轴向荷载的轴力铰，剪力墙考 虑采用剪力铰。塑性铰属性采用美国F E M A 2 7 3 的建议，由程序自动生成。骨架曲线如图3 ．2 所示。图 3 ．2 中点B 表示构件屈服转动起始点，点C 表示结构失稳点，点E 表示结构倒塌，I o 表示结构可以直接 图3 ．3Y 向一阶模态加载下性能点处层间剪力图图3 ．4Y 向一阶模态加载下性能点处层间位移角 使用，L S 表示结构能确保生命安全，C P 表示结构防止倒塌的控制点。 分析采用一阶模态和反应谱弹性分析下地震力两种加载模式，对x 向和Y 向分别加载。图3 ．3 和 图3 ．4 显示的是Y 向一阶模态加载下性能点处层间剪力值及层间位移角沿竖向的变化。综合分析结果见 表3 。 ．3 8 9 ． 摹襄毯焉翼 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 计算结果表明，罕遇地震下的层间位移角均小于规范规定的1 ／1 0 0 。S I 汇柱基本保持在弹性状态； 少部分S R C 梁出现塑性铰，但塑性铰均刚进入塑性阶段未达到I O 点；上部楼层剪力墙没有出现塑性铰， 下部楼层剪力墙出现少量塑性铰，也是刚进入塑性阶段未达到I O 点；各个楼层剪力墙连梁出现塑性铰 较多，但也均处于L S 性能点之前。 值得注意的是，p u s h o V e r 得到的层间位移最大值所在的楼层比小震下弹性分析得到的要低6 ～1 0 层。 这也说明在大震下薄弱部位会下移。对这些部位构造措施应适当加强。 罕遇地震下p u s h o v e r 分析结果 表3 性能点处最最大层间位移角底部剪力 大位移 m m 出现位置 心O 一阶模态 7 4 6 ．3 1 ／1 8 1 2 2 层 7 7 1 5 0 X 向 反应谱 6 5 6 ．4 1 ／1 9 8 1 6 层 9 1 5 7 0 一阶模态 8 0 6 ．4 1 ／1 1 2 5 1 4 层 5 8 2 4 0 Y 向 反应谱 6 6 2 ．6 1 门4 l 1 3 层 6 6 0 8 0 3 ．3 细部节点设计 1 ．型钢混凝土梁与型钢混凝土柱及芯筒剪力墙墙的连接节点 本工程采用型钢混凝土框架梁、柱，增加了结构的延性，有效控制了梁、柱断面，但同时给梁与柱、 梁与墙的节点施工增加了一些工作量。为使整体结构具有足够抗侧刚度，型钢混凝土框架梁与型钢混凝 土框架柱及芯筒外墙间的连接节点必须为刚接。通常的做法是梁内钢骨与柱内或墙内预埋型钢柱刚接， 梁内纵筋布置在梁的两侧，避开柱内钢骨的翼缘，穿过型钢柱腹板与邻跨相接或当为边跨时伸至柱对边 锚固。这里有个前提就是纵筋的数量不能过多。但本工程中，多数x 向框架梁的梁端弯矩很大，在采用 增加梁宽、增加型钢含钢率、采用新三级钢等措施后纵筋值还是较大。于是从等强连接的概念出发，将 与柱钢骨翼缘相交的梁纵筋焊在钢牛腿的翼缘上，这部分钢筋面积等强代换得到需增加的牛腿翼缘厚度 △t ，梁内型钢翼缘厚度为t l 牛腿翼缘的厚度即为t l △t 。典型的连接节点如图3 ．5 所示。型钢混凝土框 架梁与剪力墙的连接与此相类似。 ．3 9 0 ． 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 图3 ．5 型钢梁与型钢柱连接节点 宥蔓一l 々h 柑女畸■ l ＼厂一 再丽丽雨而i 丽 、／ f l Ⅲ - H 、 厂 ／H＼ 7一k ． 、 茹； } 三i 1＼廿／ ／ 一 ，一■| | ／ ／]、 ， _ ， 2 ． 转换桁架的设计 如前文所述，为控制3 0 层以上角部的侧向位移，利用楼梯间增加剪力墙以提高抗侧刚度，但同时 造成高位转换，见图3 ．6 。我们利用第二避难层，使伸臂桁架同时作为转换桁架 图3 ．6 中H J l 、H 陀、 H J 4 。桁架的高度为一个楼层的高度，上下弦即楼层的框架梁，为型钢混凝土梁。桁架腹杆的位置避开 建筑通道，为箱形钢梁 B 0 x 6 0 0 x 4 0 0 x 2 5 X 2 5 ，以解决平面外稳定问题。但有一片墙和桁架方向垂直， 无法直接传递至转换桁架，必须设计成二次转换体系。经过权衡比较，采用混凝土深梁作二次转换构件， 使上承剪力墙与深梁能可靠连接。混凝土深梁与转换桁架的连接通过桁架的竖腹杆来传递。竖腹杆采用 型钢混凝土截面，使其能同时与桁架杆件与混凝土深梁可靠连接。最终把力由桁架传至两端的劲性柱。 深梁的部分梁底纵筋与钢柱劲板焊接，部分腰筋穿过桁架节点的两块钢板后锚固，见图3 ．7 。 为为 图3 ．62 9 层伸臂桁架及转换桁架布置 ．3 9 1 ． V 骖一零犏垆 了一 髟≮ k 器斋州一 令． 目 肜j j I ，r ／／骶 0 ∥ r | 铺鳃‰ 图3 ．7 桁架I i J l 立面图 第二十届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 8 年 4 结论 1 ．通过本工程的设计实践，采用型钢混凝土是有效提高结构抗震性能，减少梁、柱材料尺寸的有 效方法。与钢筋混凝土结构相比较，除经济性较差外，施工也增加了一些难度。为方便施工，梁、柱内 型钢尺寸不宜过大，以便于梁、柱节点钢筋连接。 2 ．由于建筑平面形状及立面设计均不规则，控制结构在地震下的侧向位移是本工程结构设计中的 一大难点，结构设计采用高位转换来减小层间位移角。计算表明其控制侧向位移的效果是显著的。 3 ．设置伸臂桁架是减小层间位移角的有效手段。但应尽量使伸臂桁架处在核心筒主要剪力墙的延 伸线上，才能较好的发挥伸臂桁架协调框架与核心筒共同工作的作用。 参考文献 【1 】罗永峰、宋怀金、王朝波．高宝大厦高层结构静力弹塑性推覆 P U S H O V E R 分析报告．上海同济大学，2 0 0 6 【2 】上海市工程建设规范，建筑抗震设计规程 D G J 0 8 9 ．2 0 0 3 7 ．2 9 ．3 9 2 -