整理0212论超高层建筑结构设计2

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（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、100kg/mz。显然，它与全钢结构相比，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《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%。《型钢混凝土组合结构技术规程》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15%)。《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。同时，为了筒内楼层处的型钢梁的连接，其截面形式宜采用十字形或丁字形。在筒体墙内的型钢柱的混凝土保护层厚度不应小于100mm。另外，要考虑筒体的型钢柱和型钢梁是先于混凝土浇注前安装，因此设计中应确保安装后的钢结构的整体稳定。3.4、关于结构的抗侧刚度问题超高层建筑混合结构的钢筋混凝土核心筒体是整个结构的主要抗侧构件，所以筒体的墙厚尤其是外侧墙厚，主要是由抗侧刚度要求决定。在高层或超高层建筑结构设计中，对于框架一剪力墙、框架一核心筒或筒体结构（包括钢筋混凝土或混合结构），《高层建筑混凝土结构技术规程》对此类结构都有明确规定：框架均应承担一定比例地震作用下产生的水平剪力。这一规定充分说明我们设计是采用双重抗侧体力系。所以，要求外框架或外框筒承担一定比例的水平剪力，就要求具有一定抗侧刚度。因此，外框柱截面的确定除满足承载力和轴压比外，其刚度在整体结构刚度设计中应予以充分考虑。在超高层建筑结构设计中，由于框架一核心简或筒中筒结构（钢筋混凝土或混合结构）的结构抗侧刚度有时不能满足变形要求,需要利用避难层或设备层在外框或外框筒周边设置环状桁架或同时设置水平伸臂桁架的加强层。米用这种桁架式的加强层可以减少结构刚度突变,同时又使外框架或外框筒与核心筒紧密连接成一体，增大结构的抗侧刚度 ，满足结构的变形（层间位移）要求。对于外框柱与筒体的剪力墙间设置的水平伸臂桁架，应使设置水平伸臂桁架处筒体的墙位与外框柱对应一致，水平伸臂桁架平面应与筒体墙中心线重合，方能形成结构整体的抗侧刚度在前述中的海口某工程的平面为熨斗形的方案中，其外框柱与简体剪力墙位互不对应。如要设置水平伸臂桁架就无法直接拉通相连，这对于提高结构整体的抗侧刚度将很不明显。因此，如需要设置则设计应在方案阶段考虑调整。四、超高层建筑结构的基础设计超高层建筑一般多设二层或更多层的地下室，其基础的埋置深度均能满足稳定要求。而对于基岩埋藏较浅无法建造多层地下室不能满足埋置深度要求的，则可设置嵌岩锚杆来满足稳定要求。其基础形式应据场地的岩土工程地质条件，在满足地基承载力的同时也满足沉降变形设计的要求。一般当基底砌置在第四纪冲、洪积的黏性土层或海相沉积的土层时，其地基承载力不能满足且地基刚度也不能满足变形要求，因此，需采用桩基方案。而房屋高度在150m左右且房屋楼层约40层左右的超高层建筑，当基底砌置在第四纪厚度较大且密实的砂、卵石层时，一般承载力特征值和压缩模量都很高，则可考虑采用天然地基方案。对于基底砌置在中风化或微风化的基岩上的情况，则无论房屋高度多大，均为天然地基方案。4.1、天然地基基础。上述两种情况下的天然地基方案，其基础形式是各不相同的。对于基底砌置在砂、卵石层的基础，多是采用等厚板筏形基础。但也有工程采用箱形基础，主要利用作为消防水池，如155m高的北京国贸中心一期写字楼工程。由于该工程有3层地下室只是最下1层是箱基,而其他1层、2层不是，故总称为箱筏联合基础。等厚板筏基的板厚应具有较大的刚度，以使基底压力均匀分布以及减小外框（筒）和内筒的沉降变形差异，通常设计的等厚板筏基的板厚取外框和内筒之间跨度的1/4左右。而对于基底砌置在中风化或微风化的基岩上，由于基岩承载力特征值很高，则外框柱可采用独立基础，内筒可采用条形基础或等厚板筏形基础。如重庆地区某工程基底的中风化泥岩和中风化砂岩的承载力特征值分别为2650kPa和10380kPa,就可按上述的基础形式进行设计。同时，由于中风化或微风化基岩刚度很大，荷载作用下沉降变形甚微，所以地下室底板厚可按构造设置或按岩石裂隙水的水浮力计算考虑。在基岩上的独立柱基础，一般为使施工开挖不破坏基岩的整体性，多采用人工挖孔桩的开挖方式施工。4.2、桩基础设计。超高层建筑的桩基础，由于基底压力大，要求的单桩竖向承载力较高，因此，均采用大直径钻孔灌注桩或有条件的工程场地采用大直径人工挖孔扩底灌注桩。桩端持力层的选择应考虑层厚较大的密实的砂、卵石层或中风化、微风化基岩，以减少桩端沉降变形。关于桩的布置总原则应集中布于柱下和墙下，但不同的桩型布桩的结果是各不相同的。如果设计采用的是端承桩或是摩擦端承桩，由于端承类的桩其单桩竖向承载力特征值很高，所需桩数要少，则可布于柱下和墙下；如果设计采用的是端承摩擦桩或摩擦桩，由于单桩竖向承载力特征值相对要低，则往往整个基底承台下需要满布桩方能满足设计承载力和变形控制的要求。上述两种不同的布桩方式，其桩承台板的厚度是各不相同的：布桩于柱下或墙下的承台厚度一般由冲切确定，且地下室的底板厚度可小于外框和内筒承台厚度，按构造或水浮力产生的底板内力计算要求确定；而对于满布桩的承台厚度应如同天然地基基础中的等厚板筏基一样，承台板应具有较大的刚度以使基底承台桩均匀受力，因此承台板的厚度一般不是由冲切确定。这种满布桩的等厚板承台的内力计算，可根据桩的单桩竖向承载力的实际平均反力并按刚性方案的倒楼盖计算，这样是符合实际工程受力状态的。我国在20世纪80年代后期，为了提高钻孔灌注桩的竖向受压承载力，经过科学试验开始在工程上应用后注浆钻孔灌注桩并取得了很好的成果。这种后注浆钻孔灌注桩不仅单桩竖向承载力得到大幅度的提高，而且桩端沉降变形减小，在桩基工程中已被广泛采用。现有桩基设计规范对后注浆钻孔灌注桩单桩相对普通钻孔灌注桩的单桩竖向承载力提高系数已有明确规定，总体来说与各地岩土工程地质条件有关。像北京地区桩端持力层为卵石、园砾层，桩侧为黏性土层和砂卵石层，其提高值接近普通钻孔灌注桩的两倍，但必须是由具有后注浆技术资质的专业公司施工。从工程造价上讲，采用后注浆钻孔灌注桩总的工程费用可降低25%左右。因此，该桩型是超高层建筑桩基设计中采用的合理桩型。另外，关于钻孔灌注的成孔方法，以往均采用反循环钻机施工，而现在对于一定的桩长采用旋挖钻机，施工速度快，特别是桩端沉渣厚度很小甚至几乎没有，从而有效的保证了钻孔桩的施工质量。这种钻机是在工程实施中凡有条件应当优先采用的钻机。北京财富中心的1期、2期工程超高层写字楼和公寓楼全部采用后注浆钻孔灌注桩并采用旋挖钻机成孔，后注浆技术为中国建筑科学院地基基础研究所专利技术并由他们实施完成。该工程的主裙楼间虽荷载差异很大，设计中考虑到采用后注浆钻孔灌注桩均不设置沉降后浇