论超高层建筑结构设计

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1、论超高层建筑结构设计肖自强，张建明（中国中元国际工程公司，北京１０００８９）【摘要】对超高层建筑与一般高层建筑结构设计的差异、超高层建筑结构方案选择的主要考虑要素、超高层建筑中混合结构类型设计主要考虑问题及基础设计等问题进行探讨，依据已有的工程实践，进行了初浅的介绍，以供设计人员参考。　【关键词】超高层建筑；结构类型；结构体系；核心筒；外框柱；　抗侧刚：加强层　【中图分类号］ＴＵ３５５　【文献标志码】Ａ三、超高建筑结构类型中的混合结构设计　3.1、混合结构的结构类型　（１）钢框架一钢筋混凝土核心筒（

2、内外框梁为钢梁）；　（２）型钢混凝土框架一钢筋混凝土核心筒（内外框梁为钢梁或型钢混凝土梁）；　（３）圆钢管（矩型钢管）混凝土框架一钢筋混凝土核心筒；　上述三种混合结构类型，在超高层建筑结构设计中均有采用。从已建的工程来看，是后两种居多。从现有国家相关设计规程的规定，上述三种结构类型的房屋适用高度，当外框为钢框架时低于后两种，这主要是钢框架的刚度要低于后两种；当外框为框筒时，三种结构类型的房屋适用高度基本相同。这三种结构类型从施工上讲，主要问题是型钢混凝土柱的箍筋要穿越型钢柱的腹板；尤其采用型钢混凝土

3、梁，粱的纵筋要穿越柱的腹板或焊接在设置于型钢　柱翼缘的钢牛腿上，而型钢柱的箍筋除穿越柱腹板　外还要穿越型钢梁的腹板。总之，施工极不方便，这也就是在实际工程上一般不采用型钢混凝土梁而内外框梁采用钢梁的原因。另外，三种结构类型的用钢量也各不相同，如同处北京地区且房屋高度都在１５０ｍ左右的国际贸易中心二期、财富中心一期及东直门交通枢纽双塔分别外框是：钢框架、型钢混凝土框架、圆钢管混凝土框架，内筒均是钢筋混凝土核心筒。其型钢用钢量分别约为９０ｋｇ／ｍｚ、６５ｋｇ／ｍｚ、　ｌＯＯｋｇ／ｍｚ。显然，它与全钢结构

4、相比，即使加上钢筋用量后总用钢量也要低，相应总的工程费用也低。同时，由于混合结构的主要抗侧构件是钢筋混凝土核心筒，其抗侧刚度大于钢支撑，这就是混合结构目前广泛用于超高层建筑结构的主要原因。3.2、型钢混凝土和圆钢管混凝土两种结构类型中“柱的钢骨含钢率”的控制一般设计中都是构造控制，目前国内设计的技术规程有如下的规定（１）《高层建筑混凝土结构技术规程》的第11.3.5条中之４规定型钢含钢率，当柱轴压比大于０．４时，不宜小于４％；当柱轴压比小于０．４时，不宜小于３％。　（２）《型钢混凝土组合结构技术规程

5、》的第6.2.4条规定，柱受力型钢的含钢率不宜小于４％，且不宜大于１０％（最近的规程修改将改为ｌ５％）。　（３）《钢骨混凝土结构技术规程》的第6.1.3条规定柱的钢骨含钢率，对于一二级抗震结构，不小于４％：对于特一级抗震结构，不小于６％；且不大于１５％。　（４）《高层建筑钢—混凝土混合结构设计规程》的6.3.1条规定，柱的钢骨含钢率，一级、二　级、三级抗震等级，不应小于４％；特一级抗震等级，不应小于６％；且不大于１５％上述各规程的规定各不相同，但有一个共同点是柱钢骨的含骨率不宜或不小于４％，因为，这

6、是型钢混凝土柱与钢筋混凝土柱区别的一个指标。上述后两项规程提出按结构抗震等级的不同规定柱的含钢率，对此还持有不同看法。主要认为型钢混凝土柱的含钢率控制只是一个构造的宏观指标，与抗震等级有关的主要是轴压比控制。设计者应根据柱截面的控制尺寸及柱计算用筋面积近于构造配置，而设置大于４％的含钢率的型钢截面即可。同时，上述四项技术规程的规定是设计人员应遵守的国家行业标准，其他规程作为设计参考。圆钢管混凝土柱的含钢率，目前的相关规程尚无明确的规定，但为确保空钢管的局部稳定不应小于４％，相当于径厚比１００，而已有

7、规定的径厚比均在１００以内，含钢率为６％～１０％，还是比较合适的。3.3、钢筋混凝土核心筒的型钢柱的设置　在地震作用或风荷载作用下，钢筋混凝土核心筒一般要承受８５％以上的水平剪力；同时筒体外墙还要承受近楼层面积一半的竖向荷载。所以，在筒体外墙内设置型钢柱既可保证筒体与型钢混凝土柱有相同的延性，还可以减小两者之间竖向变形差异。同时，筒体墙内设置型钢柱，可使剪力墙开裂后承载力下降不多。尤其在抗震设防的高烈度区，剪力墙底部加强区的抗震性能目标要按中震弹性或中震不屈服设计，其地震作用下剪力、弯矩很大，更需在

8、墙体内设置型钢柱。否则，暗柱配筋面积太大是在工程中无法实施的，而设置型钢柱可取代暗柱内纵筋。对于楼层梁采用钢梁时，在其楼层钢梁与筒体外墙对应的连接处设置型钢柱，则有利于楼层钢梁与筒体的连接。钢筋混凝土核心筒外墙型钢柱的设置量，除底部加强区要求按中震弹性或中震不屈服的性能目标进行抗震设计时由计算确定截面积外，一般都是按构造设置，没有含钢率的控制。当然，对于型钢混凝土核心筒的设计则另按要求进行考虑。由于钢筋混凝土核心筒四角受力较大，相对其他位置应适当加大型钢柱的截面积。同