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摘要：随着社会经济的发展，建筑行业的掘起，高层建筑也越来越多。本文以一工程实例来论述针对此类高层建筑结构设计时需注意的一些问题及采取的加强措施。
關键词：偏置混凝土芯筒外圈钢框筒设计探讨
一结构概况
⑴某大厦总面积约为70439平方米，建筑总高度为188.2米，主楼地下5层，地上共46层，一层层高为5米，典型楼层层高为4米，主楼平面为矩形。
⑵结构抗侧力体系主要由3部分组成：偏置的混凝土芯筒、外圈钢框筒及2横向边跨西面端部设置的“X”形钢支撑。根据建筑使用功能分区，服务性面积集中布置于平面东侧，因而沿服务区布置的混凝土芯筒就偏置于建筑东侧。为了尽量减小由此引起的结构偏心，沿主楼外围设置间距为4～4.5米的方形钢管柱，形成外圈钢框筒体系。
⑶楼盖体系：地下各层采用现浇的钢筋混凝土梁和板，地上采用焊接H形钢梁和以压型钢板为底模的现浇混凝土组合楼板。
⑷基础采用桩筏基础，桩长约32米，持力层为圆砾层，单桩承载力特征值为5500kN，主楼筏板厚度为3.3米。
二结构设计的分析
⑴建筑偏置混凝土芯筒设计①混凝土芯筒平面长度为22.5米，宽度为12.9米，高宽比约为15.0，偏置的混凝土芯筒高宽比较大，整个芯筒的侧移曲线呈弯曲变形。②为提高偏置芯筒的延性，于跨高比较小的洞口上方的连梁增配“X”形斜向钢筋骨架，以加强其受剪承载力，迫使连梁破坏实现弯曲屈服。③混凝土芯筒周边墙体的厚度由700mm逐段减少到顶部的400mm，芯筒内部隔墙自底到顶均为300mm不变。混凝土强度等级由底部的C60向上分段降低为顶部的C35。为减缓混凝土芯筒的刚度突变，墙厚的减薄与混凝土强度的等级的降低错开在同一个楼层。④为了增大钢筋混凝土芯筒的延性，提高结构的抗震可靠度，也有利于楼盖钢梁与芯筒的连接，在芯筒四个角及转角处埋置了10根焊接双工字形型钢暗柱。
⑵外圈钢框筒设计①外圈钢框筒平面长度为51米，宽度为28.3米，长宽比为1.8，高宽比为6.8，外圈钢框筒长宽比较大，剪力滞后的效应较明显，为减小剪力滞后效应带来的损失，于15、30层及顶层设置了整层高的伸臂桁架和周边环向桁架。②外圈框架柱间距为4.0~4.5米，基础～地下一层为型钢混凝土柱，其基本截面尺寸为900x900mm，二层及以上钢柱采用焊接方型钢管，内灌砼，外围钢柱底层截面尺寸为600x30mm，到顶层减小为500x22mm。③外圈钢框架平面内的窗裙梁采用焊接H型钢，其基本截面尺寸为H900X300X16X20，梁柱节点采用腹板螺栓连接，翼缘焊接的刚性节点。④为了加强偏置混凝土芯筒与外圈钢框筒的共同作用，偏置芯筒与外圈钢柱相连的钢梁采用了两种连接方式。与芯筒内埋置型钢暗柱相连的钢梁采用两端刚接，其余采用铰接的连接方式。钢梁采用焊接H型钢，典型截面为H700X300X14X20。⑤由于混凝土芯筒偏置，为了进一步提高偏置混凝土芯筒与外圈框筒的抗侧力效能，在15、30层、及顶层沿偏置芯筒横向混凝土墙设置了4道整层高的外伸刚臂桁架，与外筒钢框柱相连，同时沿外圈钢框架平面内设置周边环向桁架。桁架杆件采用采用焊接H型钢，其截面尺寸为H400X200X12X18。偏置钢筋混凝土芯筒与外圈钢框筒之间通过各层刚性楼盖联系，共同组成一个完整的抗侧力体系，而连接内外筒的刚臂将进一步提高外圈钢框筒的工作性能，提高整个结构体系的抗侧刚度和水平承载力。同时由于设置了周边环向桁架，使外圈钢框筒的翼缘框架中段各柱在结构整体抗弯中发挥更大的作用，减少了因外圈钢框筒剪力滞后效应带来的损失，从而进一步提高了整个结构体系的抗倾覆能力，减少结构顶点侧移值和最大层间侧移值。
⑶钢支撑设计：偏置于楼面一侧的的钢筋混凝土芯筒具有很大的抗侧刚度，为了尽量减小各楼层的结构偏心，在平面的横向边跨南面端部设置了2道“X”形钢支撑，地面以上采用焊接方形钢管，截面为400X16，地面以下至基础为钢筋混凝土剪力墙。
三分析结果
⑴结构动力特性①水平荷载作用下整个结构体系的侧向变形曲线，上段以剪切变形为主，下段以弯曲变形为主，其反弯点即最大层间侧移所在高度X方向大致位于26层，Y方向位于24层，分别见下图。
②利用SATWE程序对结构进行弹性分析所得结构前九阶振型的自振周期，其中T1、T4、T7属于X向平动自振周期，T2、T5、T8属于Y向平动自振周期，T3、T6、T9属于扭转振型周期。
⑵抗风设计分析①地区基本风压为0.45kN/m2，设计基本风压为0.50kN/m2，地面粗糙度为C累，风荷载体形系数为1.3。②结构顶点的顺风向、横风向最大加速度分别为0.065m/s2和0.235m/s2，均小于规范限值，表明结构具有较强的抗风振刚度。
⑶抗震设计分析①抗震设防烈度为6度，Ⅲ类场地土，场地特征周期为0.45s.②根据SATWE程序的计算结果，结构在多遇地震作用下的结构内力和侧移见以下两表。
地震作用方向 底部剪力（kN） 底部倾覆力矩（kN-m） 剪重比 剪力分配比例 弯矩分配比例
偏置芯筒 外圈钢框筒 偏置芯筒 外圈钢框筒
X方向 7222 734340 0.0074 0.82 0.25 0.81 0.18
Y方向 6316 679221 0.0076 0.78 0.25 0.78 0.22
地震作用方向 顶点侧移 最大层间侧移
U(mm) U/H △u(mm) △u/h 楼层号
X方向 66.98 1/2809 1.75 1/2284 39
Y方向 41.17 1/4571 1.07 1/3733 39
四结束
建筑结构设计的偏置混凝土芯筒具有很大的抗侧刚度，为了尽量减少结构的偏心，在芯筒外圈设置了密柱型钢框筒及在偏置芯筒的另外一侧设置了“X”形钢支撑。使偏置混凝土芯筒与外圈钢框筒能有效的协同工作，确保结构的安全可靠。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
關键词：偏置混凝土芯筒外圈钢框筒设计探讨
一结构概况
⑴某大厦总面积约为70439平方米，建筑总高度为188.2米，主楼地下5层，地上共46层，一层层高为5米，典型楼层层高为4米，主楼平面为矩形。
⑵结构抗侧力体系主要由3部分组成：偏置的混凝土芯筒、外圈钢框筒及2横向边跨西面端部设置的“X”形钢支撑。根据建筑使用功能分区，服务性面积集中布置于平面东侧，因而沿服务区布置的混凝土芯筒就偏置于建筑东侧。为了尽量减小由此引起的结构偏心，沿主楼外围设置间距为4～4.5米的方形钢管柱，形成外圈钢框筒体系。
⑶楼盖体系：地下各层采用现浇的钢筋混凝土梁和板，地上采用焊接H形钢梁和以压型钢板为底模的现浇混凝土组合楼板。
⑷基础采用桩筏基础，桩长约32米，持力层为圆砾层，单桩承载力特征值为5500kN，主楼筏板厚度为3.3米。
二结构设计的分析
⑴建筑偏置混凝土芯筒设计①混凝土芯筒平面长度为22.5米，宽度为12.9米，高宽比约为15.0，偏置的混凝土芯筒高宽比较大，整个芯筒的侧移曲线呈弯曲变形。②为提高偏置芯筒的延性，于跨高比较小的洞口上方的连梁增配“X”形斜向钢筋骨架，以加强其受剪承载力，迫使连梁破坏实现弯曲屈服。③混凝土芯筒周边墙体的厚度由700mm逐段减少到顶部的400mm，芯筒内部隔墙自底到顶均为300mm不变。混凝土强度等级由底部的C60向上分段降低为顶部的C35。为减缓混凝土芯筒的刚度突变，墙厚的减薄与混凝土强度的等级的降低错开在同一个楼层。④为了增大钢筋混凝土芯筒的延性，提高结构的抗震可靠度，也有利于楼盖钢梁与芯筒的连接，在芯筒四个角及转角处埋置了10根焊接双工字形型钢暗柱。
⑵外圈钢框筒设计①外圈钢框筒平面长度为51米，宽度为28.3米，长宽比为1.8，高宽比为6.8，外圈钢框筒长宽比较大，剪力滞后的效应较明显，为减小剪力滞后效应带来的损失，于15、30层及顶层设置了整层高的伸臂桁架和周边环向桁架。②外圈框架柱间距为4.0~4.5米，基础～地下一层为型钢混凝土柱，其基本截面尺寸为900x900mm，二层及以上钢柱采用焊接方型钢管，内灌砼，外围钢柱底层截面尺寸为600x30mm，到顶层减小为500x22mm。③外圈钢框架平面内的窗裙梁采用焊接H型钢，其基本截面尺寸为H900X300X16X20，梁柱节点采用腹板螺栓连接，翼缘焊接的刚性节点。④为了加强偏置混凝土芯筒与外圈钢框筒的共同作用，偏置芯筒与外圈钢柱相连的钢梁采用了两种连接方式。与芯筒内埋置型钢暗柱相连的钢梁采用两端刚接，其余采用铰接的连接方式。钢梁采用焊接H型钢，典型截面为H700X300X14X20。⑤由于混凝土芯筒偏置，为了进一步提高偏置混凝土芯筒与外圈框筒的抗侧力效能，在15、30层、及顶层沿偏置芯筒横向混凝土墙设置了4道整层高的外伸刚臂桁架，与外筒钢框柱相连，同时沿外圈钢框架平面内设置周边环向桁架。桁架杆件采用采用焊接H型钢，其截面尺寸为H400X200X12X18。偏置钢筋混凝土芯筒与外圈钢框筒之间通过各层刚性楼盖联系，共同组成一个完整的抗侧力体系，而连接内外筒的刚臂将进一步提高外圈钢框筒的工作性能，提高整个结构体系的抗侧刚度和水平承载力。同时由于设置了周边环向桁架，使外圈钢框筒的翼缘框架中段各柱在结构整体抗弯中发挥更大的作用，减少了因外圈钢框筒剪力滞后效应带来的损失，从而进一步提高了整个结构体系的抗倾覆能力，减少结构顶点侧移值和最大层间侧移值。
⑶钢支撑设计：偏置于楼面一侧的的钢筋混凝土芯筒具有很大的抗侧刚度，为了尽量减小各楼层的结构偏心，在平面的横向边跨南面端部设置了2道“X”形钢支撑，地面以上采用焊接方形钢管，截面为400X16，地面以下至基础为钢筋混凝土剪力墙。
三分析结果
⑴结构动力特性①水平荷载作用下整个结构体系的侧向变形曲线，上段以剪切变形为主，下段以弯曲变形为主，其反弯点即最大层间侧移所在高度X方向大致位于26层，Y方向位于24层，分别见下图。
②利用SATWE程序对结构进行弹性分析所得结构前九阶振型的自振周期，其中T1、T4、T7属于X向平动自振周期，T2、T5、T8属于Y向平动自振周期，T3、T6、T9属于扭转振型周期。
⑵抗风设计分析①地区基本风压为0.45kN/m2，设计基本风压为0.50kN/m2，地面粗糙度为C累，风荷载体形系数为1.3。②结构顶点的顺风向、横风向最大加速度分别为0.065m/s2和0.235m/s2，均小于规范限值，表明结构具有较强的抗风振刚度。
⑶抗震设计分析①抗震设防烈度为6度，Ⅲ类场地土，场地特征周期为0.45s.②根据SATWE程序的计算结果，结构在多遇地震作用下的结构内力和侧移见以下两表。
地震作用方向 底部剪力（kN） 底部倾覆力矩（kN-m） 剪重比 剪力分配比例 弯矩分配比例
偏置芯筒 外圈钢框筒 偏置芯筒 外圈钢框筒
X方向 7222 734340 0.0074 0.82 0.25 0.81 0.18
Y方向 6316 679221 0.0076 0.78 0.25 0.78 0.22
地震作用方向 顶点侧移 最大层间侧移
U(mm) U/H △u(mm) △u/h 楼层号
X方向 66.98 1/2809 1.75 1/2284 39
Y方向 41.17 1/4571 1.07 1/3733 39
四结束
建筑结构设计的偏置混凝土芯筒具有很大的抗侧刚度，为了尽量减少结构的偏心，在芯筒外圈设置了密柱型钢框筒及在偏置芯筒的另外一侧设置了“X”形钢支撑。使偏置混凝土芯筒与外圈钢框筒能有效的协同工作，确保结构的安全可靠。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。