鋼結(jié)構技術論文
中國建筑金屬結(jié)構協(xié)會
建筑鋼結(jié)構分會主辦
中國建筑金屬結(jié)構協(xié)會
建筑鋼結(jié)構分會主辦
摘 要：長富金茂大廈位于深圳市福田保稅區(qū)，地面以上主樓68層，地面以下3層，結(jié)構主體高度295m，為組合框架-核心筒-伸臂超高層結(jié)構，主要構件為鋼管混凝土疊合柱、型鋼混凝土梁及鋼-混凝土組合伸臂桁架。本文主要介紹鋼與混凝土的交匯設計及保證力的合理傳遞做法特別是伸臂層。
關鍵詞：長富金茂大廈 伸臂桁架 鋼結(jié)構 超高層
1工程概況
長富金茂大廈位于深圳市福田保稅區(qū)，地面以上主樓68層，地面以下3層，結(jié)構主體高度為295m。結(jié)構平面布置為近似正方形，典型平面布置詳見圖1。塔樓外輪廓沿豎向呈梭形變化，兩端小中間大，如圖1。塔樓1～17層平面尺寸42.5m 42.5m，從18層開始放大至51層的46.1m 46.1m。51層以上逐漸收進至頂層的41.6m 41.6m；
本建筑抗震設防烈度為7度，抗震設防類別為乙類，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為一組。風荷載取值：強度驗算取100年一遇，位移驗算為50年一遇，結(jié)構頂點加速度驗算分別取10年一遇和一年一遇風荷載，施工階段伸臂合攏前的結(jié)構抗風驗算取10年一遇風荷載。
圖1 典型平面布置圖 (長富金茂大廈鋼結(jié)構設計)
2結(jié)構的整體設計
圖2為本樓ETABS三維模型圖，本樓采用組合框架-核心筒-伸臂結(jié)構體系，主樓高寬比為7.0。核心筒為矩形，布置于塔樓中心位置，其平面尺寸為22.6m X20.2m，核心筒高寬比為14.6；周邊布置了22棵鋼管混凝土柱疊合柱，54層及以下樓層框架梁采用型鋼混凝土組合梁，為達到小震彈性設計，部分核心筒連梁也采用內(nèi)置型鋼做法。本樓豎向設置三道鋼-混凝土組合伸臂桁架（每道4榀，平面呈井字形布置），分別位于21,38,52層，而這些樓層也做避難層使用，從而減小了伸臂腹桿對建筑平面使用的影響。
圖2 ETABS三維模型圖
2.1主要結(jié)構構件
核心筒外圍抗震墻厚由1200mm隨著樓層增加逐漸減小為600mm（每次截面變化100mm）,內(nèi)部墻厚保持不變；混凝土等級從C70隨樓層增加遞減至C40，混凝土強度等級與核心筒墻厚不同時變化。
框架柱采用鋼管混凝土疊合柱，截面由1600×1600（內(nèi)部鋼管Φ1300×34）變化為54層的1100×1100（內(nèi)部鋼管Φ800×26），截面含鋼率為5%左右，55層及以上框架柱采用普通截面，柱混凝土強度等級同墻，鋼管材質(zhì)均為Q345B。
54層以下周邊組合梁截面為400×1000，內(nèi)含700高H型鋼（典型截面為H700×250×8×20）。內(nèi)部組合梁其截面為500×800或600×800，內(nèi)含500高H型鋼（典型截面為H500×250×8×22），增加型鋼后減小了梁高，不至于影響建筑對房間凈高的要求。54層及以上框架梁采用普通截面（仍有很少部分梁為組合梁）。在平面四角處，使用混凝土梁形成井字格，此處樓板配筋雙層雙向拉通，以防止混凝土樓板在水平力作用下開裂，板框架梁及樓板（大部分厚度為100mm）混凝土等級均為C40。
豎向設置三道伸臂桁架上下弦桿為組合梁，截面沿高度從下至上三道分別為1000×1100(內(nèi)含型鋼H800×650×50×60)、800×1100（內(nèi)含H800×550×60×60）和600×1100（內(nèi)含H800×400×50×50），相應的人字腹桿截面為H800×650×50×60、H800×550×60×70和H600×400×50×50，腹桿中間段（節(jié)點區(qū)外）H型鋼兩側(cè)加16厚鋼板以增加穩(wěn)定性。鋼材材料均為Q345B，為與伸臂鋼板相協(xié)調(diào)，伸臂層柱內(nèi)鋼管分別加厚至50mm,50mm,40mm.
2.2鋼管混凝土疊合柱
本樓柱最大設計軸力約8萬KN，如此大的荷載對柱來說是個很大的考驗。對于本樓柱采用用鋼管混凝土柱疊合柱，主要是讓鋼管內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可以大幅提高柱的受壓承載力。
為便于施工且本樓使用混凝土強度等級較高，因此鋼管內(nèi)外混凝土強度等級一致或內(nèi)部混凝土等級比外側(cè)混凝土強度等級高但不高于本樓最高混凝土強度等級C70，管外混凝土對于鋼管的防腐及防火也起到很好的作用。圖3為底層鋼管混凝土柱的內(nèi)力包羅圖，從圖中可以看出，柱截面的選取是合適的。鋼柱在節(jié)點區(qū)采用內(nèi)環(huán)加勁肋，以保證管外混凝土及節(jié)點板易于施工。
圖3 底層疊合柱1600×1600內(nèi)力包絡圖 (長富金茂大廈鋼結(jié)構設計)
2.3鋼骨梁與墻，柱節(jié)點設計及構造
為方便組合梁與核心筒連接，且由于核心筒外墻較厚，因此在核心筒外墻的組合梁位置處埋置型鋼柱，墻內(nèi)型鋼柱的極限抗彎強度不小于組合梁梁內(nèi)型鋼的一半。以保證彎矩傳遞（詳見圖4），由于墻平面范圍有多根這樣的型鋼柱，也能對墻體有個比較好的約束作用。
對于組合梁與鋼管混凝土疊合柱的連接，則采用鋼柱內(nèi)加勁肋，同時，在鋼柱上開孔穿梁的支座鋼筋，為不致使鋼柱削弱太多，考慮梁端鋼筋必要時可以兩兩并筋使用（支座處）。鋼柱開孔的孔角部位置，采用圓弧過渡，也盡可能減少應力集中（詳圖5）。
圖4 組合梁與墻的連接
圖5 組合梁與鋼管混凝土疊合柱的連接 (長富金茂大廈鋼結(jié)構設計)
3 伸臂層的設計及施工要點
伸臂對超高層建筑的位移及舒適度控制能其很好作用，能更好地利用外側(cè)柱的“拉壓”力學特性為結(jié)構提供更多抗彎性能，伸臂通常和腰桁架一起使用，但在本樓的試算過程中，發(fā)現(xiàn)腰桁架作用并不明顯（本樓外圈梁為鋼骨混凝土組合梁，且梁截面較大，能提供剛度及承載力也較大），故未設置腰桁架而只設置了伸臂桁架。伸臂設計性能目標為小震彈性及中震不屈。
由于是人字形伸臂桁架，對伸臂支座處（伸臂弦桿與核心筒交匯處）會產(chǎn)生相當大的彎矩，若弦桿只做成鋼構件，則需很厚鋼板，在實際施工存一定難度，故采用鋼骨組合梁作為伸臂弦桿，支座處配置鋼筋以抵抗此彎矩。
圖6 伸臂弦桿位于墻中時節(jié)點示意圖(長富金茂大廈鋼結(jié)構設計)
3.1伸臂問題及解決方案
本結(jié)構伸臂南北東西弦桿各自通長,而伸臂弦桿截面較寬，又穿過核心筒外墻，這相當于將截面寬度范圍內(nèi)的墻在弦桿翼緣處形成一個“水平縫”，通常鋼板與混凝土摩擦粘結(jié)力不是很好，若此處不解決，將形成一個隱患(對水平剪力傳遞)。
此處采用在鋼板表面焊接Φ22@150×150栓釘（詳圖6）。從力學角度是這樣來考量的：栓釘抗剪承載力設計值為NVC=0.7Asrf=95.5kN (栓釘材料性能等級4.6級)，而150×150范圍的混凝土截面的極限承載力為V=0.2fcbh =123.75kN（以C60計）,這樣基本能使栓釘將上部混凝土墻體剪力大部分傳遞給伸臂弦桿，再通過伸臂弦桿腹板繼續(xù)往下傳遞。而此處的暗梁箍筋及墻體水平分布筋也能很好將上部的的剪力往下傳遞，并鞏固整體協(xié)調(diào)工作性。
圖7 伸臂端部節(jié)點示意圖(長富金茂大廈鋼結(jié)構設計)
在伸臂端部（與柱或墻相連接部位），由于組合梁鋼筋較多，且伸臂較寬，采用穿孔塞焊方式，以不致使構件削弱太多，而柱鋼管截面的加厚也能有很好的截面抗削減能力（詳圖7）。
3.2伸臂施工階段問題
在施工階段，由于核心筒與外框柱的應力水平不同，厚度以及構件收縮特性不同，會產(chǎn)生變形差，由于伸臂剛度巨大，一丁點的變形差都會產(chǎn)生較大的內(nèi)力，因此若伸臂過早工作，則勢必會產(chǎn)生內(nèi)力，而這種內(nèi)力是我們不愿看到的，而是希望伸臂只承受水平作用下的相關反應，故在施工階段讓伸臂處于“不工作”狀態(tài)就顯得特別重要，待這種變形差完成或完成大部分后，才讓伸臂“工作”，這比較符合設置伸臂的初衷。
這種讓伸臂“不工作”的狀態(tài)，最好的辦法就是不安裝伸臂腹桿（弦桿由于要澆注樓板及上層支模等必須同樓層一起施工），考慮到吊裝困難的問題，本樓采用了和其他構件同時就位，但不焊接的方法。在腹桿腹板上開設長條形孔（詳圖8），用螺栓將其臨時固定，讓腹桿“不工作”前可以自由變形，以不至使伸臂產(chǎn)生我們不希望產(chǎn)生的內(nèi)力。待需讓伸臂“工作”時，松開螺栓后再焊接伸臂以使其處于“工作”狀態(tài)。
在伸臂“不工作”期間，其他結(jié)構構件需保證始終處于彈性（風按10年一遇，地震按小震驗算）。
3.3伸臂“工作”時間點的選擇
圖8 伸臂腹桿安裝節(jié)點示意圖 (長富金茂大廈鋼結(jié)構設計)
伸臂“工作”的最理想時間點是結(jié)構在重力荷載下的豎向變形差（核心筒與外框柱間）全部完成，這種變形差主要由荷載作用下的彈性位移差，混凝土收（干）縮變形差，已及結(jié)構構件的徐變位移差幾部分組成。其第一項在結(jié)構封頂后可完成大部分；而收縮徐變則要經(jīng)歷比較久的時間，其位移的發(fā)展趨勢是先增大，封頂3000天后逐漸減小。而且，伸臂的“工作”的時間點需在投入使用前（否則舒適度會出問題）。
基于以上幾點考慮，本樓伸臂合攏選擇在主體封頂后，裝修基本完成及投入使用前的這段時間。
4 結(jié) 語
1）注重節(jié)點處理
2）施工和設計宜統(tǒng)籌考慮
3）伸臂采用后連接的方法
4）對梁近柱端支座適當加大鋼筋，以考慮混凝土收縮徐變的不利影響。
參考文獻
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