某高层钢结构主楼设计

[摘要] 系统介绍了世纪广场主楼的设计内容，包括结构布置、抗风计算、抗震计算等整体分析，以及钢结构大型支撑连梁、钢管混凝土柱轴压比等特殊部位的设计，同时结合弹塑性分析，针对工程重难点进行采用的一些相应对策和措施。

[关键词] 高层建筑 结构设计 抗震措施 钢结构节点 静力弹塑性分析

1工程概况

“昆明世纪广场”位于云南昆明市市中心南屏街，建筑为地下室2层、地上46层 (1~6层为裙房)。地面以上结构总高度约199m，主体结构高度为176.1m，总建筑面积约为70000平方米。其中裙房部分主要功能为商场，塔楼主要功能为办公。

结构体系

“昆明世纪广场”塔楼结构平面呈梯形，短边25.6m，长边37.95m，斜边42m，26层以下标准层高3.65m，以上层高3.8m，其中12、28层为避难层，层高4.5m。内外筒间距9.9m，外框柱距8.4m。

主楼采用钢框架-支撑结构体系。外框4个面均采用中间用钢梁相连的2片越4层的大型支撑；内框仅在较弱的宽度方向两侧面分别设置越2层、4层的支撑（后期因多种原因改为钢板剪力墙，本文以内框为框架-支撑结构为介绍），其余均为钢框架。本工程外框采用的大型支撑，抗侧性能良好，结构不需要设置加强层来提高抗侧，外框两侧边长度较大，支撑效能好，故内筒在长边未再设置支撑。

所有柱采用矩形钢管混凝土柱，梁均为H形钢梁，支撑主要采用H形支撑，外筒9层以下为箱形支撑。楼板采用钢筋桁架式楼承板，主要的板厚为100mm，在大型支撑的主要转折层加厚为120mm。

柱截面800mm×800mm~600mm×600mm，最厚板40mm。

为充分发挥钢结构的优势，本工程梁高均为650mm，所有通风及电气管道均从梁中开孔通行，增加室内的净空，最低的室内净高也大于2800mm。外框9层以下支撑截面为800mm×800mm箱形，其余支撑为H形支撑，截面800mm×760mm~400mm×350mm。

设计条件及其它特殊说明

本结构的设计使用年限为50年，结构的安全等级为二级。结构的抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，建筑的场地类别介于Ⅱ~Ⅲ类，特征周期根据地质报告，经多方论证定为Tg=0.45。基本风压按100年重现期考虑， W0=0.35kN/m2。建筑物地面粗糙度按C类选取，风荷载体型系数取μs=1.4。基本雪压按50年重现期，取0.35kN/m2。

本工程由于抗侧刚度较好，故未设置加强层，且建筑相对规则也未设置转换层，结构体系统一。

弹性阶段设计

鉴于本工程结构的特点，建筑结构的整体分析采用了中国建筑科学研究院编制的PKPM系列SATWE (2007年4月版)和美国CSI公司开发研制的ETABS(9.2.0)两个三维结构分析软件。

4.1 整体计算

结构整体分析时，楼板分别采用刚性和弹性楼板假定进行计算。两种假定结果基本一致，以下仅列出刚性楼板数据。对本工程来说Satwe计算T3/T1=0.556≤0.85，ETABS为0.529≤0.85，满足建筑物在地震作用下安全的要求。

结构整体计算结果 表1

风荷载、地震作用下，位移均满足相关规范要求。风载和多遇地震作用下结构位移见表2所示。

风载和多遇地震作用下结构位移表2

风荷载及地震作用下的楼层位移曲线比较平稳；层间位移角曲线在支撑转折处的层间位移角有一定突变，符合结构模型实际情况，如图1图2所示。

考虑偶然偏心作用，所有楼层最大弹性水平位移和层平均位移之比小于1.2，最大弹性层间水平位移和平均层间位移之比也均小于1.2。

地上部分活载产生的总质量13202.688t，恒载产生的总质量56992.891t，结构的总质量70195.578t。X向基底剪力21903.98kN、剪重比3.12%，Y向基底剪力21547.16kN、剪重比3.07%。由于结构有较多的大型支撑，框架柱地震剪力百分比约占15%~30%。

图1 地震作用下最大层间位移角曲线

图2 风载作用下最大层间位移角曲线

经过以上分析可见，结构体系统一，延性好，无转化层，结构内力、刚度无突变，整体抗震性能好。

结构抗风分析

本工程重现期为100年的风荷载仅0.35kN/m2，风荷载基本不控制设计。重现期为10年的风荷载0.20kN/m2作用下，结构的顺风向和横风向顶点最大加速度计算如下：

顺风向顶点最大加速度为

顺风向顶点最大加速度为

两个方向顶点加速度远小规范舒适度要求。

结构抗震分析

本工程地处高烈度区，风载又很小，结构抗震能力直接决定结构的性能。针对此情况，在地震作用下的工作性能进行了详尽的分析和大量的计算。

弹性阶段主要进行了以下分析：

1)、结构的振型反映谱分析(详见4.1条)

2)、结构的弹性动力时程分析

地震波选择：

本工程我们根据业主提供地震波，选用了三组实际强震记录和三组人工模拟的加速度时程曲线。

时程分析主要结果及与反映谱分析结果对比，结果显示每条时程曲线的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法计算结果的65％，时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80％，满足规范要求，且侧移均满足层间位移不大于1/300。

3)、中震不屈服分析(振型反映谱法)

本工程为8度区第2组，中震性能的情况也是设计重要的参考指标。中震验算结果显示，支撑及柱在情况较好，均未出现屈曲，部分梁(主要集中在大型支撑之间的连梁)出现屈曲现象。从后面的静力弹塑性分析对应的中震情况来看，中震时结构刚度为初始刚度的87%，结构整体性能良好。

弹塑性分析

本工程弹塑性分析主要采用静力推覆分析(Pushover分析)，计算软件以ETABS为主，PKPM的EPSA模块同时参与比较。本工程的弹塑性静力推覆分析的结果用以确定建筑潜在的薄弱层和建筑的塑性铰的形成机制，推覆分析的曲线也用于估算罕遇地震下的弹塑性位移。

相关参数及结果

几何非线性效应：考虑P-效应

1)、ETABS的PUSHOVER分析：

分析结果：在8度罕遇地震性能点时，X向的最大层间位移角1/115（25层），Y向的最大层间位移角为1/197（26层），均满足《建筑抗震设计规范》第5.5.5条要求的1/50和《高层民用建筑钢结构技术规程》第5.5.3条规定1/70。

在性能点时塑性铰主要分布在10～28层之间的梁上，主要集中在连梁。所有支撑未出现铰，柱在底层出现铰(在对底部两层柱进行外包混凝土加强后，所有柱在大震下均不再出现铰)。铰的变形均处在B至IO区段（即直接使用阶段）。

2)、PKPM的EPSA模块PUSHOVER分析

分析结果：在8度罕遇地震性能点时，X向的最大层间位移角1/115（25层），Y向的最大层间位移角为1/197（26层），也均满足规范要求。

结构在性能点时出现了塑性铰的构件主要分布在9～30层之间的梁和支撑上，底层个别柱也出现了塑性铰(同上，在对底部两层柱进行外包混凝土后加强后，所有柱在大震下均不再出现铰)，从分析结果看来，本工程结构在罕遇地震作用下安全可靠，满足8度抗震设防要求。

针对本工程特点，其后也用PKPM的EPDA模块，选取弹性时程分析对应的地震波进行了动力弹塑性分析，结果与Push-over结果接近。

总结和体会

6.1对于钢管混凝土柱的轴压比

目前规范中并未进行规定。但此项指标是影响柱延性的重要因素，本工程参考其它相关规范及资料，也进行相应的控制。建议轴压比可按表3进行控制。

矩形钢管混凝土柱轴压比限值 表3

注：矩形钢管混凝土柱的抗震等级可按《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138-2001)第4.2.6条进行选用。

6.2对于钢管混凝土柱的非线性分析

目前软件未提供很好的解决方案。现有条件下，按文献提供的方法建立弯距-曲率滞回曲线进行分析是一个比较好的方案。

6.3 对于大型支撑之间的连梁设计

对于大型支撑之间的连梁除进行弹性阶段分析外，还应注意其在弹塑性阶段的性能情况。

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］ 薛彦涛,徐培福,肖从真,徐自国.静力弹塑性分析(PUSH-OVER)方法及其工程应用[J]. 建筑科学，2005，21（6）：1-6.

［3］ 毛华,丁洁民.某复杂高层钢结构静力弹塑性分析及性能评价[J]. 结构工程师，2006，22（1）：22-27.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。