某商务楼钢框架―钢筋混凝土核心筒结构设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇某商务楼钢框架―钢筋混凝土核心筒结构设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】湖南某商务楼结构体系采用钢框架-钢筋混凝土核心筒（剪力墙）结构，主楼3～5层设有超大悬挑楼层。根据工程特点分析了核心筒及剪力墙、悬挑结构的结构方案设计，并以SATWE软件为主，ETABS中文版进行复核对风荷载作用下的结构抗侧力进行计算分析，大悬挑部分采用平面框架模型补充计算分析，分析结果表明各项指标均满足规范要求。

【关键词】钢框架-钢筋混凝土核心筒；大悬挑结构；结构计算；抗侧力分析；

1、工程概况

湖南某商务楼，总建筑面积66500m2，主楼总层数为38层，高为126.22m；裙楼为4层，高为20.35m，地下室共2层。主楼在层2～6范围内设有总层数为3～5层的大悬挑楼层，悬挑尺寸至主楼边缘算起为20～32m。层2楼面～屋顶层在建筑平面的中心区域均设置大开洞形成中庭。

结构设计标准：设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，地基基础设计等级为甲级，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306―2001）的规定，本工程所在地地震动峰值加速度

2、结构体系

为尽可能缩短工期，同时便于主楼大悬挑结构的设计，结构体系采用钢框架-钢筋混凝土核心筒（剪力墙）结构，核心筒及剪力墙采用现浇钢筋混凝土结构，框架柱采用矩形钢管混凝土柱，框架梁及楼面次梁采用H型钢梁，楼板采用现浇板及现浇板-压型钢板组合楼板。±0.000层及以下部分梁板采用普通钢筋混凝土结构，钢管混凝土框架柱在地下层1处过渡为型钢混凝土柱，地下层2为普通钢筋混凝土柱。

2.1核心筒及剪力墙的布置

标准层平面呈不规则的椭圆形，典型柱网尺寸为6.0m×6.0m。在结构平面的上、下两端各布置一个核心筒或剪力墙区，下端区域的核心筒为主楼部分的主要核心筒，结构平面上端在层9以下布置另一个核心筒，该核心筒在层9楼面以上渐变为4片钢筋混凝土剪力墙。上述核心筒及剪力墙一方面作为主体结构的主要抗侧力构件，同时作为大悬挑结构的主要嵌固端。核心筒及剪力墙分别布置于结构平面的两端，减小了结构质心、刚心的偏心距，使整体结构具有较大的抗扭刚度。图1，2分别为主楼层4及标准层结构平面布置图。

2.2悬挑结构布置

悬挑楼层的结构形式采用5榀跨层钢结构悬挑桁架GHJ-1～GHJ-5（图1），GHJ-1沿建筑外轮廓柱网布置，悬挑尺寸为32m，桁架杆件自桁架根部（轴④处）一直向内跨延伸至轴①处；GHJ-2沿轴1E布置，悬挑尺寸为25.5m，桁架弦杆直接伸入核心筒剪力墙内；GHJ-3沿轴F布置，悬挑尺寸为31.0m，桁架弦杆在轴④处分支为两根杆件后分别伸入核心筒的剪力墙内；GHJ-4，GHJ-5分别沿轴K，M布置，悬挑尺寸为23.5，19.6m，两榀桁架的弦杆进入主楼后，经过一定角度的转折，桁架弦杆伸入结构的另一核心筒剪力墙内。图3为桁架弦杆的分支以及弦杆在核心筒内的延伸锚固，图4，5为受力较大的桁架GHJ-3，GHJ-4立面图，图6为桁架弦杆与核心筒端柱的连接做法。

为了加强桁架平面内的刚度，桁架主杆件的汇交节点均采用刚性连接节点。由于主杆件的节点处有较多平面内及平面外的杆件汇交，为了满足刚性连接的要求，同时便于节点与周边杆件的连接处理，桁架的节点大多采用铸钢件节点，周边杆件与铸钢件节点之间采用坡口焊等强连接。桁架平面内的一些仅承受楼面荷载的次要杆件（如GHJ-3中层3，5楼面梁、GHJ-4中层5楼面梁等）与桁架斜腹杆的连接均采用铰接。各榀桁架间以钢框架梁及现浇楼板相连，GHJ-3，4的间距为24m，而相邻桁架的间距为4.8m及6.0m，为减小桁架平面外框架梁对桁架的不利影响，24m跨大梁与桁架竖杆的连接采用铰接，其余跨框架梁与桁架竖杆的连接采用刚接。桁架间在适当部位设置平面外的人字形或交叉形支撑，加强悬挑桁架平面外的稳定性。

2.3主楼结构使用材料及主要构件尺寸

柱、剪力墙混凝土强度等级：C40～C35（受当地商品混凝土供应条件限制，最高只能做到C40）；梁、板混凝土强度等级：C30；型钢及钢板：层15楼面以下（含）：Q345GJBZ15（t≤40mm），Q345GJBZ25（t>40mm），层15楼面以上：Q345GJB，Q235复GJB；铸钢件：G20Mn5。

矩形钢管混凝土柱：1400×1400×60（壁厚）～700×700×20；剪力墙厚度：600～200；框架梁：H800×300×12×30，H600×300×10×16；悬挑桁架上弦杆：矩形钢管1200×500×50～ 700×500×30；悬挑桁架下弦杆：矩形钢管800×600×80～800×500×50；悬挑桁架斜杆：矩形钢管800×600×80～500×500 ×30；悬挑桁架竖杆：矩形钢管600×600×50 ～500×500 ×30。

3、主楼结构计算

本工程结构整体分析以SATWE软件为主，同时采用ETABS中文版进行复核，大悬挑部分采用平面框架模型补充计算。

3.1整体结构计算

SATWE计算中，悬挑桁架水平杆件以梁单元输入，由于部分桁架的上、下弦杆为倾斜布置，上、下弦杆上的较多节点都不在楼层标高处，该部分弦杆需简化为楼层标高上的水平梁杆件。竖杆以柱单元输入，斜杆以斜柱单元输入，桁架所在各楼层的楼板需考虑弹性楼板假定（弹性膜），结构整体计算的风荷载按规范取值。

大悬挑楼层对主体结构产生较大的倾覆弯矩，该倾覆弯矩与风荷载产生的倾覆弯矩将共同作用于主体结构。由于本工程的特殊性，SATWE在整体抗倾覆验算中存在一些不足，因此，主楼的抗倾覆验算按以下方法进行补充计算（图7）：

式中：γ为抗倾覆安全系数；Mr为结构抗倾覆弯矩，Mr=∑GiLi，Gi为各楼层结构自重标准值，此时，悬挑区域以外的楼面活荷载均取0，Li为各楼层质心至倾覆计算点（主楼外轮廓线处）的水平距离，对抗倾覆有利时，取正值，不利时取负值；Mov为风荷载作用下的倾覆弯矩标准值。

按照上述方法算得的抗倾覆安全系数远小于SATWE计算的结果，但仍满足设计要求，基底也没有出现拉应力（表1）。

3.2整体分析主要结果

主楼整体计算的主要指标见表1，由表可见，两种程序计算的结果比较接近，且各项指标均满足规范要求。表2为悬挑桁架的杆件最大应力比及挠度值，由表可见，整体计算的桁架杆件应力比以及位移数值均较小。

3.3大悬挑结构补充计算

大悬挑结构除采用整体模型进行计算外，同时还采用平面模型进行补充计算，计算程序采用STS软件。平面框架计算模型的优点是桁架平面内的几何图形不用简化，各杆件完全按照桁架施工图中的形式输入，所有杆件单元均采用柱单元，各杆件的面内、面外计算长度可准确定义，截面设计时直接按压弯或拉弯构件进行设计，不考虑楼板的作用。由于在平面框架计算中不能输入剪力墙构件，为了比较准确地模拟核心筒对悬挑桁架的侧向约束刚度，需按等效侧向刚度原则将核心筒等效为框架-支撑结构。表3为各榀桁架的杆件最大应力比及挠度值。

3.4铸钢件节点的有限元分析

根据《铸钢节点应用技术规程》（CECS235：2008）要求及以往工程经验，对铸钢件节点应进行承载力验算，验算方法为采用ANSYS软件进行弹性有限元分析。分析结果表明，铸钢件节点的最大折算应力均满足规程中的限值要求，铸钢件节点具有足够的承载力.

3.5计算结果在桁架施工图中的应用

桁架施工图设计时，桁架杆件的截面设计以较大的平面模型计算结果为主；桁架间的框架梁与桁架竖杆的连接一般为刚接，根据平面模型的计算结果，桁架间存在一定的位移差，为减小由该位移差在桁架间的框架梁内产生的附加内力，该框架梁的一端在施工期间采用铰接（仅将腹板连接），待桁架卸荷后再将翼缘与柱进行焊接；桁架端部位移计算值较大，桁架在制作时需进行起拱，起拱值取平面计算模型恒载作用下位移值的80%。

4、结语

对于超大悬挑结构，悬挑结构形式采用钢结构桁架比较合适；桁架结构计算时除采用空间模型进行整体计算外，同时采用平面模型进行验算是偏于安全的；本工程钢桁架节点大量采用铸钢节点，铸钢件重量对桁架自重的影响不能忽略，经计算铸钢件自重对桁架自重的放大系数为1.1～1.2；超大悬挑结构对主体结构抗倾覆验算的影响较大，抗倾覆验算时需同时考虑竖向荷载及风荷载的共同作用。

工程桁架卸荷过程中及卸荷完成后，监测单位对悬挑桁架及主体结构进行了位移、杆件应力等监测。根据监测结果，卸荷完成12d后桁架下弦各节点的竖向位移值仅为2～5mm（挠度相当于1/5000左右），主楼在层36轴④/F处的水平位移值为15mm（相当于主楼倾斜1/9050），竖向挠度值及主楼倾斜值远小于计算值。目前悬挑区域的大部分恒荷载已完成施工，因此可以预见，在使用阶段悬挑桁架的变形值以及主楼的倾斜值也将是比较小的，完全可以满足使用功能的要求。

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]JGJ 3―2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2011.

[3]PKPM多高层结构计算软件应用指南[M]. 北京： 中国建筑工业出版社，2010.

[4]CECS 235： 2008 铸钢节点应用技术规程[S]. 北京： 中国计划出版社，2008.