大宸设计：石牌西电脑城钢骨结构应用

作者：广东大宸建筑设计有限公司

石牌西电脑城是集办公，住宅, 商场, 餐饮, 娱乐为一体的大型高层综合性建筑。超高层塔楼. 裙房八层, 地下四层。地下一、 二、三层为设备用房，汽车库，地下四层战时为五级人防。地上一~八层为商场。塔楼为8~39层矩形平面的高层酒店兼办公楼，房屋高度150米，包括局部突出在内，建筑总高度168米。八层商场总面积约为52863平方米，总建筑面积116000平方米。

因房屋总长度远超过钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距55米的限值， 本建筑为独立带裙房的框架茼体结构超高层建筑。建筑抗震设防类别均为乙类，场地类别为Ⅱ类。基础采用冲孔灌注桩基础，梁板式基础底板厚度900mm。本建筑的结构安全等级为二级，设计基准期为50年。

各子项工程的抗侧力结构体系和抗震等级详见下表：

1、结构分析：

1．1在塔楼范围内五层以下框支部分采用钢骨混凝土柱。

1．2 塔楼的裙楼楼屋面板，在塔楼高振型的影响下，承受较大反复作用下的纵向拉压力及横向剪力，受力十分复杂。同时，由于建筑使用功能的要求，在裙楼中部开设大洞以便设置电梯，对楼板削弱较大。针对这一不利因素，在设计中采用了加强开大洞处楼板四周梁的断面及配筋，加大楼板厚度，增设斜筋的措施。

1．3 为增加塔楼刚度在十九层设避难屋，在框架柱与茼体相连部位，增设人字形钢支撑，以减小位移。

2、计算结果分析

2.1、总体计算结果

1、计算软件：

采用中国建筑科学研究院的PKPM系列中的SATWE（多、高层建筑结构空间有限元分析与设计软件）及北京金土木公司ETABS两种不同程序分别进行计算对比。其总体计算结果接近。下面列出STWE的计算结果。地震影响系数采用安评报告数值：多遇地震0.708，罕遇地震0.394，阻尼比取0.05.

2、设计参数：

地震烈度 六度； 场地土类别 Ⅱ类； 楼层自由度数：每层3个自由度（两个平动，一个扭转）；地震作用按侧刚分析模型考虑扭转耦连，用18个振型计算，固定端取在±0.000处。

3、结构基本周期：

SATWE结果：T1=3.1628 T2=2.6906 T3=1.7161

T4=0.7803 T5=0.7312 T6=0.6857

4、地震作用下的底层水平地震剪力系数：
SATWE结果： Qox/G=1.63% Qoy/G=1.63%

5、地震作用下按弹性方法计算的最大层间位移与层高比值：
SATWE结果： Ux/h=1/1818 Uy/h=1/1354

6、地震作用下按弹性方法计算的最大顶点位移与总高比值：
SATWE结果： Ux/H=1/13623 Ux/H=1/26490

2.2、计算结果分析

1、自振周期在合理范围之内，结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比为0.55，满足规范要求。

2、振型曲线光滑符合规律。

3、 最大层间位移和顶点位移<1/800，满足规范要求。

4、 分析表明，时程分析的最大位移均不超过反应谱法计算的位移值，y向楼层剪力，X、Y向楼层弯矩均不超过反应谱法计算的楼层剪力及楼层弯矩，三个波的平均值仍小于反应谱法楼层剪力。动力时程分析复核结果表明，不需要调整个楼层构件的内力和断面配筋。

3、 钢骨柱的计算：

3.1首先，确定钢骨的截面形式，预定钢骨柱的钢骨含钢率，带入SATWE程序中进行整体计算，并根据计算结果调整含钢率。有关钢骨柱的构造及具体做法见下面的详细介绍。

3.2、钢骨混凝土结构设计前的准备工作

采用钢骨混凝土是解决超高层是本次设计的重要组成部分。在本次设计中，钢骨柱采用的是实腹式十字型钢，钢骨梁采用的是工字型钢。在钢骨混凝土结构设计中需要注意的几个问题如下：

3.3钢骨的含钢率：

关于钢骨混凝土构件的最小和最大含钢率，目前没有统一的认识，但当钢骨含钢率小于2%时，可以采用钢筋混凝土构件，而没有必要采用钢骨混凝土构件。当钢骨含钢率太大时，钢骨与混凝土不能有效地共同工作，混凝土的作用不能完全发挥，且混凝土浇注施工有困难。因此，在冶金部行业标准《钢骨混凝土结构设计规程》YB9082-97中将钢骨含钢率定为2%~15%。一般说来，较为合理的含钢率为5%~8%。另在建设部行业标准《型钢混凝土组合结构技术规程》JGJ138-2001中定为4%~10%。

3.4钢骨的宽厚比：

钢板的厚度不宜小于6mm，一般为翼缘板20mm以上，腹板16mm以上，但当钢板厚度大于36mm时，钢材的厚度方向的断面收缩率应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB5313中的Z15级的规定。这是因为厚度较大的钢板在轧制过程中存在各向异性，由于在焊缝附近常形成约束，焊接时容易引起层状撕裂，焊接质量不易保证。钢骨的宽厚比应满足规范的要求。

3.5钢骨的混凝土保护层厚度：

根据规范规定，对钢骨柱，混凝土最小保护层厚度不宜小于120mm。

4、钢骨构造措施

4.1、钢骨混凝土中设置抗剪拴钉的要求

钢骨混凝土与钢筋混凝土结构的显著区别之一是型钢与混凝土的粘结力远远小于钢筋与混凝土的粘结力。根据国内外的试验，大约只相当于光面钢筋粘结力的45%。因此，在钢筋混凝土结构中认为钢筋与混凝土是共同工作的，直至构件破坏。而在钢骨混凝土中，由于粘结滑移的存在，将影响到构件的破坏形态、计算假定、构件承载能力及刚度、裂缝。通常可用两种方法解决，一是在构件上另设剪切连接件(栓钉)，并按照计算确定其数量，即滑移面上的剪力全由剪切连接件承担，称为完全剪力连接。这样可以认为型钢与混凝土完全共同工作。另一种方法是在计算中考虑粘结滑移对承载力的影响，同时在型钢的一定部位：如（1）柱脚及柱脚向上一层范围内；（2）与框架梁连接的牛腿的上、下翼缘处；（3）结构过渡层范围内的钢骨翼缘处加设抗剪栓钉作为构造要求。构件中设置的栓钉应符合国家现行标准《园柱头焊钉》GB10433的规定，栓钉直径一般为Ø19,长度不宜小于4倍栓钉直径，间距不宜小于6倍栓钉直径，且不宜大于200mm。并采用特制的设钉枪进行焊接，焊接质量应满足规范要求。

4.2、钢骨柱的柱脚构造

1、钢骨柱的柱脚分为埋入式和非埋入式两种，在抗震区宜采用埋入式柱脚，柱脚钢骨的混凝土最小保护层厚度为：中间柱：不得小于180mm，边柱和角柱：不得小于250mm。

2、钢骨柱埋入式柱脚的埋入深度不应小于3倍型钢柱截面高度，在注脚部位和柱脚向上一层的范围内，钢骨柱翼缘外侧设置栓钉，栓钉直径不小于Ø19，间距不大于200mm,且栓钉至翼缘板边缘的距离大于50mm。

4.3、钢骨柱的节点构造

框架梁、柱节点核心区是结构受力的关键部位，设计时应保证传力明确，安全可靠，施工方便，节点核心区不允许有过大的变形。

规范规定，节点区钢骨部分的连接构造应与钢结构的节点连接相一致，在柱钢骨的钢牛腿翼缘水平位置处应设置加劲肋，其构造应便于混凝土浇灌，并保证混凝土密实。柱中钢骨和主筋的布置应为梁中主筋贯穿留出通道，梁中主筋不应穿过钢骨翼缘，也不得与柱中钢骨直接焊接，钢骨腹板部分设置钢筋贯穿孔时，截面缺损率不宜超过腹板面积的25%。

5、经济比较

未采用钢骨混凝土柱前，框架柱截面尺寸为1500X1500mm。采用钢骨混凝土柱后，框支柱截面尺寸为1300x1300mm。框支柱截面面积减少了30%左右。柱截面缩小后商场部分增加使用面积230平方米。由此可以看出，采用钢骨混凝土结构既可满足设计要求，又能为建设单位增加经济效益，为在高层建筑设计中解决超限问题提供了可靠途经。

6结束语

在抗震设防区，对高层及超高层结构设计的可靠性、安全性及抗震设防质量提出了严格的管理规定。在不断总结经验和加深认识当中，采用钢骨混凝土结构就是一项重要措施，在付诸实施过程中，对包括设计、制作、安装、混凝土浇筑等四个方面的配合协调，与普通钢筋混凝土结构相比，提出了更高的要求。