超高层商业建筑混凝土框架-核心筒结构设计
2022-06-09
随着城市人口的增多，我国的高层商业建筑也逐渐如雨后春笋，高层建筑最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材），从而为人们提供健康、舒适的空间及环境。更加适应城市化的进程。
一、工程概况
某广场地处繁华地带，是集商业、办公、酒店式公寓等多项功能的建筑复合体，地下5层、地上42层（以及出屋面水箱间、构架等），主楼地上1层至6层为商业、餐饮；7层至14层、16层至23层用于办公；15层、25层为避难层；24层为空中会所；26层至42层为项级酒店式公寓，房屋高度160m。地下5层主要用于机械式停车及设备机房，高度20．2m。屋面上有钢构架围护造型。裙房地上6层（局部7层），裙房屋顶标高为40．700m。本工程采用框架-核心筒结构，在地面以上主楼、裙房之间设置缝宽200mm的抗震缝。
二、地基与基础设计
拟建的工程场地地形平坦，为人工开挖的基坑。场区地貌形态类型单一，岩石种类单一，岩脉发育，岩体强度较高；场区赋存地下水，主要为基岩裂隙水，根据水质分析结果判定，在强透水层和干湿交替的条件下，按最不利因素考虑，拟建场区地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性。
工程建筑场地±0．000m相当于绝对标高5．500m。主楼采用筏板基础，基础底板厚度为2400mm，裙房及外围地下室也采用筏板基础，底板厚为1200mm。另设抗浮锚杆，锚杆孔直径为180mm，锚杆孔中距为2m，长度为3．75m。基础底板混凝土强度等级为c35，抗渗等级为1.0mpa，添加混凝土微膨胀剂。底板混凝土强度拟采用r60强度，按c40计算。在主楼与裙房之间设置沉降后浇带，地下室同时设置温度后浇带。地下室外墙采用现浇钢筋混凝土，墙厚为400mm一600mm一800mm，混凝土强度等级为c35，抗渗等级为1．2mpa~0．8mpa，添加混凝土微膨胀剂。
三、结构设计
（一）设计的基本参数
图1为办公标准层（层高4m）结构布置示意图，图2为公寓标准层（层高3．7m）结构布置示意图。
结构分析基本参数为基本风压：0．7kn／m（主楼，100年一遇考虑）、0．6kn／m（裙房，50年一遇考虑），地面粗糙度：b类，特征周期：0．4s，地震荷载：6度（0．05）；场地类别：ii类；地震分组：二组；抗震等级：框架2级（裙房及主楼地下2层～地下5层为3级），简体2级（主楼地下2层～地下5层为3级），主楼加强层及上下各1层框架、核心筒取1级；结构阻尼比：取0．04。
（二）计算分析及特点
本工程主要采用“高层建筑结构空间有限元分析与设计软件-satwe”进行结构整体分析.计算表明为风荷载起控制作用，结构位移控制指标按222m取用即为1／584。本工程主楼标准层建筑宽27．5m、内筒宽9．5m、长31．5m，外柱至内筒最远距离12．8m、最近8．8m。采用型钢混凝土框架，钢筋混凝土简体结构，即：主塔采用混凝土简体（考虑构造及延性在角部等内置h型钢骨，不参与计算），十字形钢管混凝土芯柱，型钢混凝土梁（办公部分次梁采用混凝土梁）。工程高宽比h=6．6<7，内筒宽为总高的1／19。内筒高宽比远远小于规范建议1／12，是本工程的最大特点。为此综合分析了不设加强层、设加强层（伸臂桁架方案）、设加强层（刚性墙方案）等几种方案，分析计算表明需设置加强层以提高整体刚度。
计算过程中调整了墙肢及梁柱截面，为便于设备管线通过（工程两个6m层高的加强层同时也是设备层、避难层，设置了大体积混凝土水箱、电力机房），确定了伸臂桁架的结构加强方案。
（三）设计中应注意的事项
1．由于下部以商业、办公为主，上部以公寓为主，综合考虑周期折减系数取0．8，以±0．oom作为嵌固端（经楼层剪切刚度比较现有建筑条件可以满足此结论）。
2．核心筒（26层以下）短向两端（⑩轴、⑩轴）壁厚800、其余壁厚500mm（除部分小隔墙200mm厚），长向（④轴、⑥轴）壁厚800mm，柱采用钢管混凝土芯柱1500mm，内置十字形型钢（两方向高均700mm，壁厚30mm），混凝土均为c60；核心筒（26层及以上）短向两端壁厚600mm、其余壁厚400mm（除部分小隔墙200mm厚外），长向壁厚800mm，柱采用钢管混凝土芯柱фl300mm，内置型钢（两方向高均为600mm，壁厚25mm），混凝土均为c50；钢骨梁采用450mmx750mm及400mmx750mm，内置型钢h450x250x16x25及h450x200x16x20，钢构采用q345b；外框架钢骨梁与钢管混凝土芯柱刚接，连接外框柱与核心筒墙肢的钢骨梁两端刚接（为此对墙内未设有钢柱处采用内置槽钢与型钢梁内钢梁连接，并考虑塑性铰外移），次梁均为铰接；伸臂桁架竖杆及斜腹杆采用钢骨混凝土截面，内置600x400x35的钢骨（计算时便于计算按纯钢构，混凝土起耐久作用）。
3．核心筒外楼面采用钢筋混凝土楼板，协调外围钢框架与核心筒在水平荷载作用下的变形。
4．主楼地下室长约114m、宽约73．6m，±0．00楼层考虑单向梁（间隔3m）方案、b2一b4考虑了无梁楼盖方案，b5则考虑人防荷载。
5．由于风荷载起控制作用，连梁刚度折减系数取0．8。
主要计算结果如下：t1=5．5s、t2=4．7s、t3=3．5s；风荷载作用下的楼层层间位移角接近限值，同时考虑到抗震规范指出的多遇地震标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移计算时，对弯曲变形为主的高层建筑可以扣除结构整体弯曲变形，故计算结有一定的刚度余量保证。伸臂桁架斜腹杆的强屈比自下而上约为：0．7、0．5、0．4，竖杆的强屈比白下而上约为：0．39、0．36、0．2。
本工程顶部构架高40m，为西高东低，采用纯钢结构外覆玻璃幕墙，但顶部露空以便擦窗机能够工作，此时风荷载取值中的风荷载体形系数经与审图机构沟通确定为μs=2．6，即分别考虑每侧幕墙的风压与风吸（常规1．3的2倍）从而大幅度增大了本工程的侧向风荷载引起的弯矩，这也是最终确定按222m高度控制结构整体指标的依据。
（四）型钢混凝土框架的应用
本工程主要节点设计需考虑型钢梁和混凝土墙内置钢骨连接时钢筋的布置，为此与钢构加工单位沟通，采用图2所示为十字柱和钢骨梁节点，加快施工进度。此外，由于采用型钢混凝土框架而非钢框架，施工时不能使得混凝土简体施工和外围框架施工进度差别较大。
由于采用的混凝土等级较高，设计提出建议采用含碱量
综上所述，对高度较高或高宽比较大的高层建筑可采用一个或多个加强层以提高结构整体刚度。混合结构设计应考虑施工因素，注意节点设计与内置钢骨的施工质量。