摘要：在某高層框支剪力墻結構設計中采用了鋼骨混凝土組合結構，探討了其設計、計算方法、構造措施及經濟性。結果表明鋼骨混凝土組合結構能同時滿足設計和經濟效益要求，是一種值得推廣的良好的結構體系。
關鍵詞：大底盤雙塔樓結構，鋼骨混凝土柱，截面形式，鋼骨含鋼率
1. 引 言
大底盤雙塔樓高層建筑是由底部幾層做為大底盤，上部采用兩個塔樓作為主體結構而組成，是近幾十年來發展起來的一種新型、復雜的結構體系，其受力性能、破壞形式和計算方法均較一般高層建筑復雜得多，故屬于超出國家現行規范、規程所規定的適用高度和適用結構類型、體型特別不規則以及有關規范、規程規定應進行抗震專項審查的“超限高層建筑工程”。大底盤雙塔樓結構是當前高層建筑結構設計所面臨的一個新課題。
2. 工程概況
中廣大廈是集辦公、住宅、商場、餐飲和娛樂為一體的大型高層綜合性建筑，包括A、B、C 三棟高層塔樓、裙房5 層和2 層地下室。地下2 層為設備用房和汽車庫，其人防等級為6 級。地上1～5 層裙房為商場。A、B 棟塔樓為6～26 層蝶形平面的高層住宅，房屋高度89.1m，包括局部突出在內，建筑總高度為106.1m。C 棟塔樓為6～28 層大空間辦公室，房屋高度99.6m，包括局部突出在內，建筑總高度為118.8m。5 層商場總面積為26745m2，總建筑面積100010m2。因房屋總長度遠超過鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距55m 的限值，為此設二道抗震縫將房屋分為三段，形成三個結構單元。即A、B 棟高層為大底盤雙塔樓；C 棟為獨立帶裙房的框架剪力墻結構高層建筑；其余為框架結構。建筑抗震設防類別均為乙類，場地類別為Ⅱ類。基礎采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎，底板厚度分別為1600mm（住宅部分）、1800mm（辦公部分），持力層為強風化砂巖，地基承載力標準值400Kpa，壓縮模量Es=12～17Mpa，結構安全等級為一級，設計基準期為50 年。本文以A、B 棟為研究對象。
2.1 結構布置特點
A、B 棟高層為滿足上部住宅建筑的舒適性、規則性要求（即住宅室內無柱角）及下部5層商場大空間的使用要求，采用5 層大底盤雙塔樓框支剪力墻結構，在5、6兩層中間利用設備層做轉換層，采用梁式轉換，轉換層設置標高為23m。高寬比為3.22，長寬比為4.13，轉換層上下剪切剛度比值γ =1.395 。主要特點有以下幾點：
⑴房屋高度超限。A、B 棟高層房屋高度為89.1m，超過了規范中框支剪力墻結構8度區適用高度80m 的限值[1]；
⑵采用雙塔樓聯體結構，質量、剛度分布不均勻，豎向不規則；
⑶高位轉換。在5、6兩層之間利用設備層做轉換層，標高23m，超過了規范中8 度區轉換層宜控制在3 層以下的限值[1]；
⑷由于住宅建筑平面的要求，局部存在二次轉換；
⑸由于商場使用功能的限制，A、B 棟塔樓的落地剪力墻數量偏少，且大都布置在商場后部，主體結構與大底盤中心的偏心矩與底盤尺寸之比大于0.2；
⑹6～26 層住宅部分在外圍剪力墻局部開設角窗。
2.2 構造措施
結構的主要不利因素為：框支剪力墻結構在轉換層以下，支撐框架與落地剪力墻并存，形成了“支撐框架—剪力墻”體系。因此，支撐框架成為整個結構的一個薄弱環節。這種結構體系存在高位轉換時，由于在轉換層附近的剛度、內力和傳力途徑發生突變，易形成薄弱層，對抗震不利。同時，支撐框架柱要直接承擔：a、上部結構傳來的重力荷載；b、上部剪力墻由于傾覆力矩產生的軸力；c、樓板未間接傳給落地剪力墻的部分荷載轉化為地震水平剪力這三部分荷載。這樣使得轉換層以下支撐框架柱的內力遠大于計算分析結果。對此主要采取以下措施：
⑴在塔樓范圍內五層以下框支部分采用鋼骨混凝土柱，鋼筋混凝土梁混合結構（鋼骨混凝土柱共48 個），作為解決高位轉換和高度超限的一項重要措施；
⑵A、B 棟塔樓的裙房屋面板，在塔樓高振型的影響下，承受較大反復作用下的縱向拉壓力及橫向剪力，受力十分復雜。同時，由于建筑使用功能的要求，在裙樓中部開設大洞以便設置電梯，對樓板削弱較大。針對這一不利因素，在設計中采用了加強開大洞處樓板四周梁的斷面及配筋，加大樓板厚度，增設斜筋的措施；
⑶由于上部住宅為蝶形平面，在轉換層個別部位出現了二次轉換梁。根據規定：轉換層上部的豎向抗側力構件（墻、柱）宜直接落在轉換層的主結構上[1]。當結構豎向布置復雜，框支主梁承托剪力墻并承托轉換次梁及其上剪力墻時，應進行應力分析，按應力校核配筋，并加強配筋構造措施。B 級高度框支剪力墻高層建筑的結構轉換層，不宜采用框支主、次梁方案。針對這一不利因素，我們采取了加強框支主梁的配筋構造措施，并在框支主梁的下部配筋區設置鋼梁的措施；
⑷在住宅部分開設角窗，削弱了剪力墻結構體系的整體性，對其抗震性能帶來了不利影響，改變了剪力墻與框支梁之間的傳力方式。針對這一不利因素，應該從受力計算和構造措施兩方面予以加強處理。
3. 計算結果分析
3.1 總體計算結果
地震影響系數采用的數值：多遇地震0.16，罕遇地震 0.9，阻尼比取0.05 限值[2]。設計參數：地震烈度8 度，場地土類別Ⅱ類，抗震等級框架、剪力墻均為一級；樓層自由度數：每個塔樓每層3 個自由度（兩個平動，一個扭轉）；地震作用按側剛分析模型考慮扭轉耦連，用18 個振型計算，固定端取在±0.000 處。
采用中國建筑科學研究院的PKPM 系列中的SATWE（多、高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件）和TAT（多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件）兩種不同程序分別進行對比計算，其總體計算結果接近。下面列出SATWE 和TAT 的計算結果。
3.2 SATWE 計算結果分析
下面以SATWE 程序為主進行分析：
⑴自振周期在合理范圍之內，結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比為0.9，滿足規范要求；
⑵底層剪重比>3.2%，最大層間位移和頂點位移<1/1000，均滿足規范要求；
⑶時程分析的最大位移均不超過反應譜法計算的位移值，Y 向樓層剪力，X、Y 向樓層彎矩均不超過反應譜法計算的樓層剪力及樓層彎矩，僅X 向樓層剪力TAF-2 波大于反應譜法，但三個波的平均值仍小于反映譜法樓層剪力。動力時程分析復核結果表明，不需要調整個樓層構件的內力和斷面配筋。
3.3 局部計算及構造處理
⑴框支梁：采用SATWE 程序中的框支剪力墻有限元分析程序進行計算，并進行應力分析。同時，加強框支梁的配筋構造措施，為避免框支梁鋼筋過密，在框支主梁的下部配筋區加設一根580mm 高的鋼梁[3]。
⑵角窗：整體計算時，角窗上部墻體按雙懸臂梁進行計算。配筋設計時同時滿足剪力墻連梁的要求。同時，加強角窗周圍的暗柱及連梁的配筋，邊墻剪力墻加墻垛，角窗部分樓板加斜筋。
⑶鋼骨柱的計算：首先，確定鋼骨的截面形式，預定鋼骨柱的鋼骨含鋼率，帶入SATWE程序中進行整體計算，并根據計算結果調整含鋼率。有關鋼骨柱的構造及具體做法見下面的詳細介紹。
⑷鋼骨混凝土結構設計前的準備工作采用鋼骨混凝土是解決超限問題的重大技術措施，也是本次設計的重要組成部分。在本次設計中，鋼骨柱采用的是實腹式十字型鋼，鋼骨梁采用的是工字型鋼。在鋼骨混凝土結構設計中需要注意的幾個問題如下：
①鋼骨的含鋼率：關于鋼骨混凝土構件的最小和最大含鋼率，目前沒有統一的認識，但當鋼骨含鋼率小于2%時，可以采用鋼筋混凝土構件，而沒有必要采用鋼骨混凝土構件[4]。當鋼骨含鋼率太大時，鋼骨與混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全發揮，且混凝土澆注施工有困難。分別將鋼骨含鋼率定為2%～15%和4%～10%[5]。一般說來，較為合理的含鋼率為5%～8%。在中廣大廈鋼骨混凝土柱的設計中，考慮到建設單位盡量節約鋼材，節省資金的要求，經專家委員會認可，鋼骨柱的含鋼率確定為3.5%。
②鋼骨的寬厚比：鋼板的厚度不宜小于6mm，一般為翼緣板20mm 以上，腹板16mm以上，但當鋼板厚度大于36mm 時，鋼材的厚度方向的斷面收縮率應符合規范中Z15 級的規定[6]。這是因為厚度較大的鋼板在軋制過程中存在各向異性，由于在焊縫附近常形成約束，焊接時容易引起層狀撕裂，焊接質量不易保證。鋼骨的寬厚比應滿足規范的要求。
③鋼骨的混凝土保護層厚度：根據規范規定，對鋼骨柱，混凝土最小保護層厚度不宜小于120mm，對鋼骨梁則不宜小于100mm。
④要重視鋼骨混凝土柱與鋼筋混凝土梁在構造連接上的配合協調問題。
⑸鋼骨的制作與構造措施
①鋼骨的制作鋼骨的制作必須采用機械加工，并宜由鋼結構制作廠家承擔。型鋼的切割、焊接、運輸、吊裝、探傷檢驗應符合以下的規定，鋼材、焊接材料、螺栓等應有質量證明書，質量應符合國家有關規范的規定。焊接前應將構件焊接面除油、除銹，焊工應持證上崗。施工中應確保施工現場型鋼柱拼接和梁柱節點連接的焊接質量，型鋼鋼板的制孔，應采用工廠車床制孔，嚴禁現場用氧氣切割開孔。在鋼骨制作完成后，建設單位不可隨意變更，以免引起孔位改變造成施工困難[7]~ [9]。
②鋼骨混凝土中設置抗剪拴釘的要求鋼骨混凝土與鋼筋混凝土結構的顯著區別之一是型鋼與混凝土的粘結力遠遠小于鋼筋與混凝土的粘結力。根據國內外的試驗，大約只相當于光面鋼筋粘結力的45%.因此，在鋼筋混凝土結構中認為鋼筋與混凝土是共同工作的，直至構件破壞。而在鋼骨混凝土中，由于粘結滑移的存在，將影響到構件的破壞形態、計算假定、構件承載能力及剛度、裂縫。通常可用兩種方法解決，一是在構件上另設剪切連接件（栓釘），并按照計算確定其數量，即滑移面上的剪力全由剪切連接件承擔，稱為完全剪力連接。這樣可以認為型鋼與混凝土完全共同工作。另一種方法是在計算中考慮粘結滑移對承載力的影響，同時在型鋼的一定部位，如柱腳及柱腳向上一層范圍內，或者與框架梁連接的牛腿的上、下翼緣處，或者結構過渡層范圍內的鋼骨翼緣處加設抗剪栓釘作為構造要求。構件中設置的栓釘應符合的規定：栓釘直徑一般為19，長度不宜小于4 倍栓釘直徑，間距不宜小于6倍栓釘直徑，且不宜大于200mm.并采用特制的設釘槍進行焊接，焊接質量應滿足規范要求[10]。
③鋼骨的拼接鋼骨柱的長度應根據鋼材的生產和運輸長度限制及建筑物層高綜合考慮，一般每三層為一根，其工地拼接接頭宜設于框架梁頂面以上1～3m 處。鋼骨柱的工地拼接一般有三種形式：ⅰ全焊接連接；ⅱ全螺栓連接；ⅲ栓、焊混合連接。設計施工中多采用第三種形式，即鋼骨柱翼緣采用全溶透的剖口對接焊縫連接，腹板采用摩擦型高強度螺栓連接。中廣大廈設計中的鋼骨工地拼接也是采用第三種形式。
④鋼骨柱的柱腳構造
ⅰ鋼骨柱的柱腳分為埋入式和非埋入式兩種，在抗震區宜采用埋入式柱腳，柱腳鋼骨的混凝土最小保護層厚度為：中間柱：不得小于180mm，邊柱和角柱：不得小于250mm[11]。
ⅱ鋼骨柱埋入式柱腳的埋入深度不應小于3 倍型鋼柱截面高度，在注腳部位和柱腳向上一層的范圍內，鋼骨柱翼緣外側設置栓釘，栓釘直徑不小于19，間距不大于200mm，且栓釘至翼緣板邊緣的距離大于50mm。
ⅲ在中廣大廈的鋼骨設計中，由于建筑物嵌固端取在±0.000 米處，為保證地下一層汽車庫的使用功能，經多次反復研究、討論，最終確定了底層框架梁水平、垂直加腋，鋼骨伸入框架柱內長度為1.5m，下部與鋼筋混凝土柱柱心鋼筋焊接。在施工過程中，施工單位提出，鋼骨注腳放在半層柱上施工有困難，施工質量無法保證。后經施工單位、設計單位、制作單位及建設單位多次研究，決定在鋼骨柱柱腳底部另設格構式支架，將支架一延伸至地下一層底板（支架必須保證拉力傳遞），比上述方法容易施工，加快了施工進度。經實踐證明在今后的設計中若遇到同類問題，宜將鋼骨直接伸入地下一層，這樣即滿足了埋入式柱腳的埋深問題，又取消了底層梁加腋的施工工序、支架的制作安裝工序，節省了時間，施工質量較易保證。
⑤鋼骨柱的節點構造框架梁、柱節點核心區是結構受力的關鍵部位，設計時應保證傳力明確，安全可靠，施工方便，節點核心區不允許有過大的變形。在鋼骨混凝土結構中，梁、柱節點包括這樣幾種形式：ⅰ鋼骨混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接；ⅱ鋼梁—鋼骨混凝土柱的連接；ⅲ鋼筋混凝土梁—鋼骨混凝土柱的連接。在中廣大廈設計中我們遇到的是第三種情況。
規范規定，節點區鋼骨部分的連接構造應與鋼結構的節點連接相一致，在柱鋼骨的鋼牛腿翼緣水平位置處應設置加勁肋，其構造應便于混凝土澆灌，并保證混凝土密實[12]。柱中鋼骨和主筋的布置應為梁中主筋貫穿留出通道，梁中主筋不應穿過鋼骨翼緣，也不得與柱中鋼骨直接焊接，鋼骨腹板部分設置鋼筋貫穿孔時，截面缺損率不宜超過腹板面積的25%，根據規范要求，在中廣大廈鋼骨設計中，我們采用的方法是：在鋼筋混凝土梁與鋼骨柱連接的梁端，設置一段工字型鋼梁（牛腿），鋼梁的高度由鋼筋混凝土梁高決定，一般為鋼筋混凝土梁高的0.7 倍以上，鋼筋混凝土梁內鋼筋的一部分與鋼牛腿焊接或搭接，鋼牛腿的長度應滿足梁內鋼筋內力傳遞要求。因鋼骨柱主筋穿過鋼牛腿翼緣，鋼牛腿強度有所削弱，因此梁內鋼筋焊接或搭接長度應從牛腿根部起算。在實際施工中，由于鋼牛腿長度較長，運輸有困難，鋼牛腿的長度均取滿足梁內主筋焊接長度要求。在鋼牛腿的上、下翼緣上設置栓釘，栓釘的直徑為φ19，間距200mm，從框架梁梁端至鋼梁（牛腿）端部以外2 倍梁高范圍內為框架梁端箍筋加密區，梁內主筋保證有不少于1/3 主筋面積穿過鋼骨連續配置。為方便鋼骨的工廠化制作，鋼骨混凝土結構與普通鋼筋混凝土結構設計中不同且難度最大的是：
ⅰ需確定鋼骨柱中每根鋼筋的準確位置；
ⅱ根據鋼骨這種型鋼翼緣的寬度確定框架梁的寬度；
ⅲ確定框架梁中每根鋼筋的位置；
ⅳ根據柱梁鋼筋的位置確定鋼骨穿孔的位置；
ⅴ鋼骨中穿鋼筋的孔徑由鋼筋直徑確定，一般比鋼筋直徑大4～6mm；
ⅵ鋼骨中縱橫兩方向穿鋼筋孔的位置至少應錯開一個孔徑。
⑥鋼骨的柱頂構造根據規范規定，但結構下部采用鋼骨混凝土柱、上部采用鋼筋混凝土柱時，其間應設置過渡層。在本次設計中，過渡層設置在轉換層中，柱頂加設一塊25 厚柱頂錨固板。但在實際施工過程中，轉換大梁配筋較多，柱頂錨固板直接影響轉換大梁鋼筋的錨固，經多方研究，取消了柱頂錨固板，為轉換大梁的順利施工創造了條件。
⑹經濟比較未采用鋼骨混凝土柱前，框支柱截面尺寸為1300mm×1300mm，上部住宅為6~25 層。采用鋼骨混凝土柱后，框支柱截面尺寸為1100mm×1100mm，上部住宅為6～26層，框支柱截面面積減少了30%左右，住宅面積增加了1860 平方米。在整個建筑中，共使用型鋼650 噸，型鋼的材料、制作、安裝綜合預算價約為6500 元/噸，減去縮小柱截面及減少鋼筋面積的費用后，增加費用257.63 萬元，柱截面縮小后商場部分增加使用面積115.2平方米，按20000 元/平方米計算，增加收益230.4 萬元。增加住宅面積增加收益372 萬元（1860平方米，按2000 元/平方米計算），變更后增加凈收益352.77 萬元。
4. 結論
由以上分析可以看出，采用鋼骨混凝土結構既可滿足設計要求，又能為建設單位增加經濟效益，為在高層建筑設計中解決超限問題提供了可靠途經。是一種值得推廣的良好的結構體系。
參考文獻
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