鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：貴陽201大廈為鋼結構超高層，本建筑采用創(chuàng)新結構形式：鋼偏心支撐筒懸掛結構體系，塔樓高寬比較大，并率先在國內將懸掛結構應用于超高層結構，實現(xiàn)了建筑與結構的完美結合。本文主要介紹201大廈的鋼結構設計。
關鍵詞：貴陽201大廈 偏心支撐 懸掛鋼結構 超高層
1工程概況
貴陽201大廈（觀光綜合樓）位于貴陽市金陽區(qū)，屬于貴陽國際會議展覽中心城市綜合體的一個子項，建筑總高度為201m，地上高43層，地下2層。結構大屋面高156m，高寬比為6.7，共有33層，其中裙房有2層，首層高8m，二層為5.5m， 31層和32層層高為6m，其余各層均為4.5m。設防烈度為6度，抗震設防類別為標準設防類，設計地震加速度為0.05g，場地土類型為Ⅰ類。安全等級為二級，設計使用年限為50年，耐久性為50年。
圖1為貴陽201大廈的建筑效果圖，從圖中可知，建筑底部為通透的視覺空間，塔樓分3個子結構段，每子結構段立面上沿四周螺旋上升，核心筒在建筑上部逐漸收縮，以供觀光之用。
為了不至于因建筑造型而破壞結構體系的完整性和合理性，本樓采用了創(chuàng)新結構形式：鋼偏心支撐筒懸掛結構體系，在國內首次將懸掛結構應用于超高層結構，實現(xiàn)了建筑與結構的完美結合。
本建筑結構各構件受力明確，可以看做是鋼偏向支撐筒（“十”字形）加懸掛子結構的結合體（詳圖2）。豎向荷載傳遞：懸掛子結構的豎向荷載由吊掛構件傳至核心筒，所有豎向荷載由核心筒12根鋼管混凝土柱傳至基礎；水平荷載傳遞：風荷載或地震作用經由由樓板傳至核心筒，由鋼偏向支撐筒全部承擔。在以上作用傳遞過程中，樓板都參與其中并扮演重要角色，因此，樓板的平面整體性就顯示出來。
2 結構體系
圖2為典型標準層結構平面圖，圖中H區(qū)為由12根鋼管混凝土柱及偏心支撐組成了結構整個結構的骨架：“十”字形偏心支撐筒，周邊的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為子結構區(qū)域。這樣的布置，即保證了建筑的外立面螺旋上升的需求，內部空間使用得以保證：H區(qū)主要為交通核心，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為辦公空間；同時，結構不會因外立面的劇烈變化而影響的受力模式，更不會破壞整體性和合理性。
圖1 建筑效果圖(貴陽201大廈鋼結構設計)
圖2 典型標準層結構平面圖(貴陽201大廈鋼結構設計)
2.1 偏心支撐筒
“十”字形鋼偏心支撐筒由12根鋼管混凝土柱及鋼偏心支撐組成（詳圖3），在單斜偏心支撐與柱的間隔處，恰可以作為建筑開門之用，為滿足建筑交通功能，結構偏心支撐布置呈不同方向布置（傾斜）；而八字形偏心支撐也能滿足建筑外觀立面的美學訴求（詳圖4），結構體系的力學特性也基本不變。
圖3 偏心支撐筒平面
圖4 偏心支撐立面（部分高度）
為增加“十”字支撐筒的45oC斜向抗側力性能和提高結構整體性，在支撐筒的樓層位置周邊設置四根梁，與原來的偏心支撐的梁一起組成一個環(huán)形，而外圍鋼管混凝土柱近似“均勻”分布于圓環(huán)上，最大限度保證支撐筒在任何角度方向抗力水平大致相當。
在結構上部，支撐筒逐漸收縮，直至最后只剩中心的4根柱組成的小筒，在滿足建筑觀光功能用途的同時，結構也不會因此而增加負擔。
圖5子框架空間示意
2.2子結構框架
在支撐筒四個角部分別布置了15m×15m無柱辦公空間（詳圖5，圖6），第①、②吊掛段為每段8層，第③吊掛段為3層（詳圖8）。子結構柱在吊掛層以下處于受拉狀態(tài)，吊掛層以上處于受壓狀態(tài)，根據(jù)外立面的螺旋上升布置，柱受拉與受壓層數(shù)略有不同，由于子結構柱都采用鋼柱，這個問題影響并不明顯（除多驗算柱的受壓穩(wěn)定外）。
圖6 子框架平面
2.3懸掛體系的實現(xiàn)
懸掛體系主要由吊掛桁架加上腰桁架來實現(xiàn)的（圖7），具體來說，每個子結構3榀吊掛桁架，一道L型腰桁架，其中對角的吊掛桁架每2個子結構相互平衡，桁架構件貫通，其余兩榀桁架與“十”字形支撐筒對齊，且也是兩兩子結構相互平衡。
在子結構外圍，吊掛桁架末端，用腰桁架將每兩吊掛桁架連系起來，組成一個空間的吊掛層結構單元。圖8所示為吊掛段的最高子結構和最低子結構的豎向位置，以及吊掛桁架，腰桁架位置。
當然，在子結構工作過程中，與支撐筒相連的鋼梁也會有懸挑作用，他們與吊掛桁架，腰桁架一道，完成了子結構豎向荷載的傳遞。
圖7吊掛層空間示意圖
圖8吊掛段結構位置圖
2.4平面剛性樓板假定
如前所訴，結構的大部分工作狀態(tài)及關系已經交代，但保證要結構各構件穩(wěn)定，子結構與支撐筒一起協(xié)調工作，則少不了平面內的荷載傳遞及位移協(xié)調。由圖2所示，子結構與支撐筒間環(huán)梁處有約10.6m長的樓板且此處無開洞，可以滿足剛性樓板假定。同時，樓板也為吊掛桁架的受壓弦桿及腰桁架的弦桿提供了可靠的平面外穩(wěn)定保證。
3鋼結構設計要點
3.1鋼管混凝土柱
超高層建筑豎向荷載很大，本樓柱最大設計軸力約7萬kn，如此大的荷載對柱來說是個很大的考驗。本樓柱采用鋼管混凝土柱，由于其內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。
26層及以下以及31~34層（為了與吊掛桁架相匹配）采用Φ1200×40-Z15鋼管混凝土柱，27~30層采用Φ1200×32鋼管混凝土柱，35層及以上采用Φ800×24鋼管混凝土柱，鋼管材質均為Q345B，鋼管內混凝土強度等級為C50。在鋼管混凝土外圍包一定厚度（最薄處150）混凝土用于防腐及防火形成1500×1500方柱截面，外包混凝土為C30，不計入承載力計算。
圖9為底層鋼管混凝土柱的內力包絡圖，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)采用內環(huán)加勁肋；對角線的三角形掛桁架由于桿件鋼板尺寸較厚，采用環(huán)板貫通，柱斷開的節(jié)點設計方式，這樣的設計方式既保證外包混凝土及節(jié)點板易于施工，也保證結構主要受力構件的傳力明確。
圖9 底層鋼管混凝土柱1200×40內力包絡圖(貴陽201大廈鋼結構設計)
3.2鋼偏心支撐
本樓偏心支撐有單斜偏心支撐和八字形偏心支撐兩種（詳見圖3、圖4），采用構件截面見下表1。由于本樓支撐數(shù)量相對較少，因此每個偏心支撐所承擔的水平力相對較大，為保證風及小震下彈性設計，消能梁及支撐截面較大，由表1可以看出。由于消能梁段不能有對接焊縫及補強措施，單斜支撐處消能梁節(jié)點設計仍然采用傳統(tǒng)的剪力板設計方式（詳圖10），剪力板與柱采用坡口T型焊縫，剪力板與消能梁腹板采用雙面角焊縫，三面圍焊，焊腳高16mm。由于角焊縫焊角高度較大，施工是應特別注意質量控制。梁的對接接頭則位于消能梁段外側，這樣既保證了施工及運輸方便，又使消能節(jié)點區(qū)有很好的施工質量及延性保證。而八字形消能梁節(jié)點則完全工廠加工，現(xiàn)場用支撐拼接及梁拼接（消能區(qū)外側）。
表1 偏心支撐主要構件尺寸
圖10 消能梁節(jié)點設計
3.3懸掛結構及附屬部分
本結構的另一個設計重點是懸掛結構，懸掛結構分為吊掛桁架，腰桁架及被吊掛子框架，由于子框架為普通鋼框架結構，此處就不多做敘述。
①、②吊掛段對角線的三角形掛桁架由于負荷大，采用王字行截面，截面（斜拉桿及下弦受壓桿）尺寸為800(325)×700×50×50(50)，③吊掛段為H800x700x30x40。桁架下弦受壓，在受壓穩(wěn)定驗算時，不考慮樓板的約束作用，僅當板約束作為安全儲備，桁架高度2層樓高，即9m高。
與支撐筒對齊的吊掛桁架構斜拉桿為H800×400×40×40（①，②掉掛段）H400×300×24×30（③吊掛段），下弦受壓桿為H600×400×40×40（①，②掉掛段），H600×300×32×32（③吊掛段），桁架高度2層樓高。腰桁架弦桿為H400×400×20×24，H400×400×16×24兩種截面，腹桿為H400×400×32×32, H400×400×24×24兩種截面，桁架高度為一層高，及4.5m高，利用
樓板恰可保證桁架的整體穩(wěn)定性。
3.4樓板設計
本樓樓板主要采用壓型鋼板樓板，壓型鋼板僅作模板使用，主要受力由其上混凝土板承擔，樓板用栓釘與鋼梁保持連接， 以保證能滿足剛性樓板假定。
對于吊掛桁架下弦層，由于下弦桿受壓力較大，會對樓板產生比較大的應力。故本層樓板采用后澆的施工方式，減小重力荷載對本層樓板產生應力，并將加厚為150mm，配筋為Φ12@150雙層雙向拉通，以防止樓板開裂。
4結語
1）建筑與結構的完美結合，結構體系并未因建筑體型新穎而遭受破壞。
2）在重力荷載作用下結構能實現(xiàn)自平衡。
3）樓板在本結構中的重要性不容忽視。
4）結構體系還有創(chuàng)新空間。
參考文獻
[1] JGJ 99-98 高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998
[2] GB50017-2003鋼結構設計規(guī)范 [S]. 北京：中國計劃出版社,2003
[3] GB50011-2001(2008年版)建筑抗震設計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008
[4] 貴陽201大廈（觀光綜合樓）結構超限設計可行性報告. 深圳：法國歐博建筑與城市規(guī)劃設計公司,2009
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