长富金茂大厦钢结构设计的几个问题
作者:钢结构联展网 来源:www.gjglz.com.cn

摘 要:长富金茂大厦位于深圳市福田保税区,地面以上主楼68层,地面以下3层,结构主体高度295m,为组合框架-核心筒-伸臂超高层结构,主要构件为钢管混凝土叠合柱、型钢混凝土梁及钢-混凝土组合伸臂桁架。本文主要介绍钢与混凝土的交汇设计及保证力的合理传递做法特别是伸臂层。

关键词:长富金茂大厦 伸臂桁架 钢结构 超高层

 

 

 

1工程概况

长富金茂大厦位于深圳市福田保税区,地面以上主楼68层,地面以下3层,结构主体高度为295m。结构平面布置为近似正方形,典型平面布置详见图1。塔楼外轮廓沿竖向呈梭形变化,两端小中间大,如图1。塔楼1~17层平面尺寸42.5m 42.5m,从18层开始放大至51层的46.1m 46.1m。51层以上逐渐收进至顶层的41.6m 41.6m;

本建筑抗震设防烈度为7度,抗震设防类别为乙类,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为一组。风荷载取值:强度验算取100年一遇,位移验算为50年一遇,结构顶点加速度验算分别取10年一遇和一年一遇风荷载,施工阶段伸臂合拢前的结构抗风验算取10年一遇风荷载。

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图1 典型平面布置图 (长富金茂大厦钢结构设计)

2结构的整体设计

图2为本楼ETABS三维模型图,本楼采用组合框架-核心筒-伸臂结构体系,主楼高宽比为7.0。核心筒为矩形,布置于塔楼中心位置,其平面尺寸为22.6m X20.2m,核心筒高宽比为14.6;周边布置了22棵钢管混凝土柱叠合柱,54层及以下楼层框架梁采用型钢混凝土组合梁,为达到小震弹性设计,部分核心筒连梁也采用内置型钢做法。本楼竖向设置三道钢-混凝土组合伸臂桁架(每道4榀,平面呈井字形布置),分别位于21,38,52层,而这些楼层也做避难层使用,从而减小了伸臂腹杆对建筑平面使用的影响。

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图2 ETABS三维模型图

2.1主要结构构件

核心筒外围抗震墙厚由1200mm随着楼层增加逐渐减小为600mm(每次截面变化100mm),内部墙厚保持不变;混凝土等级从C70随楼层增加递减至C40,混凝土强度等级与核心筒墙厚不同时变化。

框架柱采用钢管混凝土叠合柱,截面由1600×1600(内部钢管Φ1300×34)变化为54层的1100×1100(内部钢管Φ800×26),截面含钢率为5%左右,55层及以上框架柱采用普通截面,柱混凝土强度等级同墙,钢管材质均为Q345B。

54层以下周边组合梁截面为400×1000,内含700高H型钢(典型截面为H700×250×8×20)。内部组合梁其截面为500×800或600×800,内含500高H型钢(典型截面为H500×250×8×22),增加型钢后减小了梁高,不至于影响建筑对房间净高的要求。54层及以上框架梁采用普通截面(仍有很少部分梁为组合梁)。在平面四角处,使用混凝土梁形成井字格,此处楼板配筋双层双向拉通,以防止混凝土楼板在水平力作用下开裂,板框架梁及楼板(大部分厚度为100mm)混凝土等级均为C40。

竖向设置三道伸臂桁架上下弦杆为组合梁,截面沿高度从下至上三道分别为1000×1100(内含型钢H800×650×50×60)、800×1100(内含H800×550×60×60)和600×1100(内含H800×400×50×50),相应的人字腹杆截面为H800×650×50×60、H800×550×60×70和H600×400×50×50,腹杆中间段(节点区外)H型钢两侧加16厚钢板以增加稳定性。钢材材料均为Q345B,为与伸臂钢板相协调,伸臂层柱内钢管分别加厚至50mm,50mm,40mm.

 

2.2钢管混凝土叠合柱

本楼柱最大设计轴力约8万KN,如此大的荷载对柱来说是个很大的考验。对于本楼柱采用用钢管混凝土柱叠合柱,主要是让钢管内部混凝土处于三向受压状态,可以大幅提高柱的受压承载力。

为便于施工且本楼使用混凝土强度等级较高,因此钢管内外混凝土强度等级一致或内部混凝土等级比外侧混凝土强度等级高但不高于本楼最高混凝土强度等级C70,管外混凝土对于钢管的防腐及防火也起到很好的作用。图3为底层钢管混凝土柱的内力包罗图,从图中可以看出,柱截面的选取是合适的。钢柱在节点区采用内环加劲肋,以保证管外混凝土及节点板易于施工

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图3 底层叠合柱1600×1600内力包络图 (长富金茂大厦钢结构设计)

 

2.3钢骨梁与墙,柱节点设计及构造

为方便组合梁与核心筒连接,且由于核心筒外墙较厚,因此在核心筒外墙的组合梁位置处埋置型钢柱,墙内型钢柱的极限抗弯强度不小于组合梁梁内型钢的一半。以保证弯矩传递(详见图4),由于墙平面范围有多根这样的型钢柱,也能对墙体有个比较好的约束作用。

对于组合梁与钢管混凝土叠合柱的连接,则采用钢柱内加劲肋,同时,在钢柱上开孔穿梁的支座钢筋,为不致使钢柱削弱太多,考虑梁端钢筋必要时可以两两并筋使用(支座处)。钢柱开孔的孔角部位置,采用圆弧过渡,也尽可能减少应力集中(详图5)。

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图4 组合梁与墙的连接

 

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图5 组合梁与钢管混凝土叠合柱的连接 (长富金茂大厦钢结构设计)

3 伸臂层的设计及施工要点

伸臂对超高层建筑的位移及舒适度控制能其很好作用,能更好地利用外侧柱的“拉压”力学特性为结构提供更多抗弯性能,伸臂通常和腰桁架一起使用,但在本楼的试算过程中,发现腰桁架作用并不明显(本楼外圈梁为钢骨混凝土组合梁,且梁截面较大,能提供刚度及承载力也较大),故未设置腰桁架而只设置了伸臂桁架。伸臂设计性能目标为小震弹性及中震不屈。

由于是人字形伸臂桁架,对伸臂支座处(伸臂弦杆与核心筒交汇处)会产生相当大的弯矩,若弦杆只做成钢构件,则需很厚钢板,在实际施工存一定难度,故采用钢骨组合梁作为伸臂弦杆,支座处配置钢筋以抵抗此弯矩。

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图6 伸臂弦杆位于墙中时节点示意图(长富金茂大厦钢结构设计)

 

3.1伸臂问题及解决方案

本结构伸臂南北东西弦杆各自通长,而伸臂弦杆截面较宽,又穿过核心筒外墙,这相当于将截面宽度范围内的墙在弦杆翼缘处形成一个“水平缝”,通常钢板与混凝土摩擦粘结力不是很好,若此处不解决,将形成一个隐患(对水平剪力传递)。

此处采用在钢板表面焊接Φ22@150×150栓钉(详图6)。从力学角度是这样来考量的:栓钉抗剪承载力设计值为NVC=0.7Asrf=95.5kN (栓钉材料性能等级4.6级),而150×150范围的混凝土截面的极限承载力为V=0.2fcbh =123.75kN(以C60计),这样基本能使栓钉将上部混凝土墙体剪力大部分传递给伸臂弦杆,再通过伸臂弦杆腹板继续往下传递。而此处的暗梁箍筋及墙体水平分布筋也能很好将上部的的剪力往下传递,并巩固整体协调工作性。

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图7 伸臂端部节点示意图(长富金茂大厦钢结构设计)

在伸臂端部(与柱或墙相连接部位),由于组合梁钢筋较多,且伸臂较宽,采用穿孔塞焊方式,以不致使构件削弱太多,而柱钢管截面的加厚也能有很好的截面抗削减能力(详图7)。

3.2伸臂施工阶段问题

施工阶段,由于核心筒与外框柱的应力水平不同,厚度以及构件收缩特性不同,会产生变形差,由于伸臂刚度巨大,一丁点的变形差都会产生较大的内力,因此若伸臂过早工作,则势必会产生内力,而这种内力是我们不愿看到的,而是希望伸臂只承受水平作用下的相关反应,故在施工阶段让伸臂处于“不工作”状态就显得特别重要,待这种变形差完成或完成大部分后,才让伸臂“工作”,这比较符合设置伸臂的初衷。

这种让伸臂“不工作”的状态,最好的办法就是不安装伸臂腹杆(弦杆由于要浇注楼板及上层支模等必须同楼层一起施工),考虑到吊装困难的问题,本楼采用了和其他构件同时就位,但不焊接的方法。在腹杆腹板上开设长条形孔(详图8),用螺栓将其临时固定,让腹杆“不工作”前可以自由变形,以不至使伸臂产生我们不希望产生的内力。待需让伸臂“工作”时,松开螺栓后再焊接伸臂以使其处于“工作”状态。

在伸臂“不工作”期间,其他结构构件需保证始终处于弹性(风按10年一遇,地震按小震验算)。

3.3伸臂“工作”时间点的选择

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图8 伸臂腹杆安装节点示意图 (长富金茂大厦钢结构设计)

伸臂“工作”的最理想时间点是结构在重力荷载下的竖向变形差(核心筒与外框柱间)全部完成,这种变形差主要由荷载作用下的弹性位移差,混凝土收(干)缩变形差,已及结构构件的徐变位移差几部分组成。其第一项在结构封顶后可完成大部分;而收缩徐变则要经历比较久的时间,其位移的发展趋势是先增大,封顶3000天后逐渐减小。而且,伸臂的“工作”的时间点需在投入使用前(否则舒适度会出问题)。

基于以上几点考虑,本楼伸臂合拢选择在主体封顶后,装修基本完成及投入使用前的这段时间。

 

4 结 语

1)注重节点处理

2)施工和设计宜统筹考虑

3)伸臂采用后连接的方法

4)对梁近柱端支座适当加大钢筋,以考虑混凝土收缩徐变的不利影响。

 

 

参考文献

[1] JGJ 99-98 高层民用建筑钢结构技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,1998

[2] GB50017-2003钢结构设计规范 [S]. 北京:中国计划出版社,2003

[3] GB50011-2001(2008年版)建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2008

[4] 深圳长富金贸大厦结构超限设计可行性报告. 深圳:法国欧博建筑与城市规划设计公司,2009

 

 


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