某地铁控制中心复杂高层建筑结构设计

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【摘要】某地铁控制中心高度为158m，地下3层，地上主体结构39层，裙楼5层，属于超高层建筑，控制大厅设置在裙楼一楼，局部抽柱转换做梁上转换；主楼35、36层外框架柱缩进2.1m， 37、38层外框架柱缩进1.8m，主楼外框柱在此处做了两次转换。本工程采用混合结构体系，结构形式为框架-混凝土核心筒体系，主楼外框架采用钢管混凝土柱，裙楼柱采用型钢混凝土柱，针对本工程的设计难点，采用PKPM-PMSAP和ETABS两种空间有限元软件进行计算分析，对基础设计、裙楼设计、主塔楼设计、加强层、转换层设计等方面的设计思路和措施进行了阐述和分析。通过研究分析，本工程采取了合理的设计方法和构造措施，解决了本工程中的设计难点，达到了技术先进、经济合理、安全适用的设计目标。

【关键词】高层建筑；框架-核心筒；转换层；加强层

Abstract： The height of a subway’s control center is 158m， with underground 3 floors， above-ground main structure 39 floors and a podium building of 5 floors， which belongs to an ultra high-rise building. The control hall is on the first floor of the podium building and partial removal column transformation is beam transformation. The external frame column of the main building’s 35 and 36 floors indents 2.1m， while 1.8m indentation for 37 and 38 floors， two transformations at here. The Project uses a hybrid structure， that is， frame-concrete core structure. The concrete-filled steel tube column is used for the main building’s external frame， steel-concrete column for the podium. For the design difficulties， PKPM-PMSAP and ETABS， two kinds of space finite element softwares， are applied to calculate. And this paper analyzes the design ideas and measures of foundation design， podium building design， main tower building design， reinforcement layer， transformation layer， etc.. By studying， this project uses reasonable design methods and structural measures， resolves design difficulties of the project and achieves the design goal of advanced technology， rational cost， safety and serviceability.

Keywords： high-rise building； frame-core； transformation layer； reinforcement layer

1、工程概况

本工程为运营控制中心大厦，地下3层、地上主体结构39层，顶层为水箱间，檐口高度为158m。六层及以上主体为办公楼，六层以下及裙房为地铁运营控制中心用房，地下建筑兼做地下车库和设备用房及地铁出入口，地下三层局部为战时专业队装备掩蔽部，平时为地下车库，建筑效果图见图1。

本工程地上裙房部分平面尺寸为62.6x51m ，主要轴网为8.6mx8.7m。主楼位于裙房的东北角，主楼部分外轮廓尺寸为41.6x39.6，由16个外框架柱和中间的混凝土核心筒组成，框架四周对称布置。核心筒平面尺寸为19.80x13.4m，外框架柱横向柱距为9.2m，纵向柱距为8.7m，纵向外框架柱至核心筒跨度为11.15m。24～38层，取消了4根角柱，为八边形。根据建筑平面和立面的设计要求，35、36层外框架柱缩进2.1m， 37、38层外框架柱又缩进1.8m，结构外框架柱进行了两次转换，各层平面图详见图3～5。裙房以上高宽比为4.54。

地下三层～地下一层层高分别为4.2m 、4.2m 、 6.8m，首层为5.1m，二～三层为4.8m，四～五层为4.5m，六～三十八层为3.9m。

本工程场地设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类，场地土类型为软弱～坚硬场地土，为中等复杂场地。

2、结构设计

根据本工程空间布置的特点、体系的比较分析以及同类工程的经验[1]，主楼结构采用钢管混凝土柱框架-钢筋混凝土核心筒的结构形式，钢管混凝土柱结构延性好，抗震性能高，可以妥善地解决高层建筑底部的“胖柱”问题，减少混凝土及钢材用量；施工便利、抗震性能好、节省造价 [2]。裙楼采用型钢混凝土柱框架结构。

2.1 建筑特点及结构设计难点

本工程地上1-5层为地铁运营控制中心，控制中心大厅和入口大厅均为跃层大空间，控制中心位于4-5层，4层楼板需要开洞；入口大厅为1-2层，根据建筑功能需求，需要在1-2层去掉2根框架柱，柱在2层顶转换。

根据建筑平面和立面的设计要求，35、36层外框架柱缩进2.1m， 37、38层外框架柱又缩进1.8m，结构外框架柱进行了两次转换。

根据初步的计算分析及结构布置，本工程在结构设计中主要存在以下技术难点[3]。

（1）塔楼偏置：主楼位于建筑平面的东北角，其质心与底盘质心偏心达20%以上。

（2）楼板不连续：一层顶板开洞累计达40.5%，开洞面积大于30%。

（3）局部竖向构件不连续：入口大厅8、9轴/D轴部位拔柱，在2层顶做型钢转换梁转换。

（4）转换层布置：结构主楼在34层设桁架转换转换层，35层边柱缩进2.1m；36层设箱形钢梁转换层，37层边柱缩进1.2m。

（5）加强层布置：通过计算分析可知由于核心筒面积较小，为解决结构整体认蚋斩绕柔的问题，在12、24避难层设桁架加强层。

根据对本工程详细的计算分析，在结构设计时针对以上问题主要通过结构有限元分析方法进行整体分析来优化布局、调节截面尺寸、调整构件的连接、设置有限刚度的加强层等措施解决本工程技术难点并加强关键部位的抗震措施，并根据要求做了工程超限审查报告。

2.2 结构设计及措施

2.2.1 主塔楼设计

（1）核心筒筒体设计

作为整个结构最主要抗侧力体系的核心筒，其截面宽度在X向和Y向相差比较大，分别为19.8m和13.6m，双向刚度不均匀。通过整体分析，分段、分级、分向调整核心筒的墙厚，强化Y向刚度，优化X向刚度，以满足结构整体刚度要求。通过弹塑性分析表明，大震作用下，在加强层处，墙体与桁架连接处最先达到塑性破坏，因此在与桁架连接处核心筒墙内增加H型钢，以增加核心筒强度和延性，并方便了与钢梁的连接，形成了抗震延性好的型钢混凝土核心筒体结构。

（2）加强层设计

利用避难层设加强层，分别位于12层和24层，每层加强层的刚度适中，加强层采用桁架结构体系，包括有限刚度的伸臂桁架和环向桁架。通过设置加强层，结构整体刚度明显增强，满足了规范对主体结构层间位移角的要求，本工程加强层的设置还具有如下优点：

多道加强层的设置使结构由于桁架转换和加强层引起的刚度突变和剪力突变减弱，满足了主体结构层间刚度突变较小的要求[4]。

主体结构四边角柱仅设置在24层以下，在12层和24层的加强层处设置环向桁架不仅增强了结构的整体刚度，而且还平衡了四周柱的受力，减小了不均匀压缩带来的不利影响。

（3）加强层与转换层的整合设计

塔楼框架柱在35层和37层两次缩进转换，柱分别向内退2.1m和1.2m， 35层处转换采用为桁架式转换结构，与12层和24层的加强层结构形式一致，起到了加强层的作用三道加强层使整个结构的刚度自下而上相对均匀布置，形成一个比较完整的复合结构体系。

2.2.2 裙楼设计

本工程1-5层为运营控制中心用房，详见图3，群楼与主楼未设变形缝脱开，主要存在如下特点：荷载大、层高高、大空间多、楼板开洞多，针对裙楼建筑空间和使用功能上的特点，主要采取如下结构设计及构造措施：

（1）型钢混凝土框架结构体系

通过对比分析，裙楼的框架柱采用型钢混凝土柱，梁为实腹钢梁。型钢混凝土柱刚度大，抗震性能好，增加了裙房框架结构的侧向刚度[5]，裙楼地下室则采用钢筋混凝土柱。

（2）裙楼与主楼结构刚度偏心处理

为增强结构抗扭刚度和平衡结构刚度中心的偏移，在裙房一～三层7/F～7/H轴之间结合建筑墙体设置抗震钢支撑，调节结构的侧向刚度。

（3）楼层局部转换设计

入口大厅处为抽空（拔柱）大跨梁系结构，一层大厅局部拔柱后在二层顶采用大跨箱型钢梁进行转换，箱型转换钢梁具有高度小、刚度大、抗震性能好的优点。

2.2.3 基础设计

主楼自重较大，天然地基已不能满足地基承载力及建筑允许变形要求，同时纯地下室、裙房与主楼荷载差异较大，地基受力不均匀。故本工程采用桩筏基础，通过筏板及设置沉降后浇带等措施，减小不均匀沉降对结构产生的不利影响。

主楼和裙房筏板连成一体，桩基按增强主体，弱化裙房的原则设计。

（1）根据勘察报告内容，第Ⅲ海相层（Q3bm）⑽层稳定的粉土、粉砂层或硬塑粘土层及第Ⅴ陆相层（Q3aal）⑾层稳定的砂层为桩基良好持力层。按强化核心筒桩基的支承刚度，相对弱化框架柱桩基支承刚度的思路，同时结合结构底板抗冲切及抗剪切验算的要求，核心筒冲切破坏锥体范围内桩长为45m，桩径800mm，桩距为3d，主楼外框架柱下布9根桩，桩长35m，桩径800，均为摩擦桩。

（2）裙房部分桩为直径800mm的钻孔灌注桩，桩长36m左右，按柱子受力大小，每个柱下设4～6根不等的桩，纯地下室部分存在抗浮问题，其下设抗拔桩。

2.3 计算结果

本工程根据规范对复杂高层结构的计算要求，采用了两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力、位移等计算。

2.3.1模态分析

本工程分别采用PMSAP和ETABS软件进行整体结构模态分析，分析结果见表1。

1） 以扭转为主的第一周期/以平动为主的第一周期 = 0.4812满足规范要求

2） X有效质量系数：96.78%

3） Y有效质量系数：96.17% 1） 以扭转为主的第一周期/以平动为主的第一周期 = 0.4134满足规范要求

2） X有效质量系数：97.10%

3） Y有效质量系数：97.38 %

2.3.2 变形计算

本工程整体结构变形计算结果见表2。

2.3.3 抗震性能化设计

本工程属于超限复杂高层建筑，根据规范要求，结构设计在常规的三水准抗震性能目标的基础上，采用的抗震性能化目标为：

（1）框架柱：中震正截面承载力弹性、斜截面承载力弹性；大震斜截面承载力不屈服。

（2）转换梁：中震正截面承载力弹性、斜截面承载力弹性；大震正截面承载力不屈服、斜截面承载力不屈服。

（3）底部加强部位剪力墙：中震正截面承载力不屈服、斜截面承载力弹性；大震斜截面承载力不屈服。

本工程根据以上抗震性能化目标进行计算并设计。

3、结 论

（1）在超限高层的结构设计中，更应注重抗震概念设计，从总体上把握结构的抗震性能，选择合适的结构体系，加强结构的抗震构造措施。

（2）考虑地铁运营控制中心的功能性需求，与办公楼合建的高层建筑，裙楼与主楼尽量不要脱开设置，以更好地满足运营控制中心的功能性需求。

（3）在超高层建筑中转换构件的设计需要选取合理的结构转换形式，且需对转换层上下特点的范围进行加强，连接部位也需要重点考虑加强。

（4）当有多个加强层时，宜沿竖向从顶层向下均匀布置；加强层水平伸臂构件宜贯通核心筒，其平面布置宜位于核心筒的转角、T字节点处，水平伸臂构件的刚度不宜太大；设置水平伸臂桁架的楼层宜考虑楼板平面内的变形，中震验算时宜考虑楼板的开裂对其刚度的影响。

（5）在加强层设置周边带状桁架可提高结构的抗侧和抗扭刚度，改善结构的平动和扭转变形，同时可以平衡周边框架柱的内力。

参考文献

[1]. 陈敖宜，王跃辉 天津市地铁大厦超高层建筑结构设计的研究 建筑结构 2006.06

[2]. 韩林海，杨有福. 现代钢管混凝土结构技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3]. 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 2010.

[4]. 高立人，方鄂华，钱稼茹. 高层建筑结构概念设计[M]. 北京：中国计划出版社，2005.

[5]. JGJ 138-2001， 型钢混凝土组合结构技术规程