中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：貴陽201大廈為鋼結(jié)構(gòu)超高層，本建筑采用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式：鋼偏心支撐筒懸掛結(jié)構(gòu)體系，塔樓高寬比較大，并率先在國內(nèi)將懸掛結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超高層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。本文主要介紹201大廈的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。
關(guān)鍵詞：貴陽201大廈 偏心支撐 懸掛鋼結(jié)構(gòu) 超高層
1工程概況
貴陽201大廈（觀光綜合樓）位于貴陽市金陽區(qū)，屬于貴陽國際會議展覽中心城市綜合體的一個子項，建筑總高度為201m，地上高43層，地下2層。結(jié)構(gòu)大屋面高156m，高寬比為6.7，共有33層，其中裙房有2層，首層高8m，二層為5.5m， 31層和32層層高為6m，其余各層均為4.5m。設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計地震加速度為0.05g，場地土類型為Ⅰ類。安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，耐久性為50年。
圖1為貴陽201大廈的建筑效果圖，從圖中可知，建筑底部為通透的視覺空間，塔樓分3個子結(jié)構(gòu)段，每子結(jié)構(gòu)段立面上沿四周螺旋上升，核心筒在建筑上部逐漸收縮，以供觀光之用。
為了不至于因建筑造型而破壞結(jié)構(gòu)體系的完整性和合理性，本樓采用了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式：鋼偏心支撐筒懸掛結(jié)構(gòu)體系，在國內(nèi)首次將懸掛結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超高層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。
本建筑結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力明確，可以看做是鋼偏向支撐筒（“十”字形）加懸掛子結(jié)構(gòu)的結(jié)合體（詳圖2）。豎向荷載傳遞：懸掛子結(jié)構(gòu)的豎向荷載由吊掛構(gòu)件傳至核心筒，所有豎向荷載由核心筒12根鋼管混凝土柱傳至基礎(chǔ)；水平荷載傳遞：風(fēng)荷載或地震作用經(jīng)由由樓板傳至核心筒，由鋼偏向支撐筒全部承擔(dān)。在以上作用傳遞過程中，樓板都參與其中并扮演重要角色，因此，樓板的平面整體性就顯示出來。
2 結(jié)構(gòu)體系
圖2為典型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖，圖中H區(qū)為由12根鋼管混凝土柱及偏心支撐組成了結(jié)構(gòu)整個結(jié)構(gòu)的骨架：“十”字形偏心支撐筒，周邊的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為子結(jié)構(gòu)區(qū)域。這樣的布置，即保證了建筑的外立面螺旋上升的需求，內(nèi)部空間使用得以保證：H區(qū)主要為交通核心，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為辦公空間；同時，結(jié)構(gòu)不會因外立面的劇烈變化而影響的受力模式，更不會破壞整體性和合理性。
圖1 建筑效果圖(貴陽201大廈鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
圖2 典型標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖(貴陽201大廈鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
2.1 偏心支撐筒
“十”字形鋼偏心支撐筒由12根鋼管混凝土柱及鋼偏心支撐組成（詳圖3），在單斜偏心支撐與柱的間隔處，恰可以作為建筑開門之用，為滿足建筑交通功能，結(jié)構(gòu)偏心支撐布置呈不同方向布置（傾斜）；而八字形偏心支撐也能滿足建筑外觀立面的美學(xué)訴求（詳圖4），結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性也基本不變。
圖3 偏心支撐筒平面
圖4 偏心支撐立面（部分高度）
為增加“十”字支撐筒的45oC斜向抗側(cè)力性能和提高結(jié)構(gòu)整體性，在支撐筒的樓層位置周邊設(shè)置四根梁，與原來的偏心支撐的梁一起組成一個環(huán)形，而外圍鋼管混凝土柱近似“均勻”分布于圓環(huán)上，最大限度保證支撐筒在任何角度方向抗力水平大致相當(dāng)。
在結(jié)構(gòu)上部，支撐筒逐漸收縮，直至最后只剩中心的4根柱組成的小筒，在滿足建筑觀光功能用途的同時，結(jié)構(gòu)也不會因此而增加負(fù)擔(dān)。
圖5子框架空間示意
2.2子結(jié)構(gòu)框架
在支撐筒四個角部分別布置了15m×15m無柱辦公空間（詳圖5，圖6），第①、②吊掛段為每段8層，第③吊掛段為3層（詳圖8）。子結(jié)構(gòu)柱在吊掛層以下處于受拉狀態(tài)，吊掛層以上處于受壓狀態(tài)，根據(jù)外立面的螺旋上升布置，柱受拉與受壓層數(shù)略有不同，由于子結(jié)構(gòu)柱都采用鋼柱，這個問題影響并不明顯（除多驗算柱的受壓穩(wěn)定外）。
圖6 子框架平面
2.3懸掛體系的實現(xiàn)
懸掛體系主要由吊掛桁架加上腰桁架來實現(xiàn)的（圖7），具體來說，每個子結(jié)構(gòu)3榀吊掛桁架，一道L型腰桁架，其中對角的吊掛桁架每2個子結(jié)構(gòu)相互平衡，桁架構(gòu)件貫通，其余兩榀桁架與“十”字形支撐筒對齊，且也是兩兩子結(jié)構(gòu)相互平衡。
在子結(jié)構(gòu)外圍，吊掛桁架末端，用腰桁架將每兩吊掛桁架連系起來，組成一個空間的吊掛層結(jié)構(gòu)單元。圖8所示為吊掛段的最高子結(jié)構(gòu)和最低子結(jié)構(gòu)的豎向位置，以及吊掛桁架，腰桁架位置。
當(dāng)然，在子結(jié)構(gòu)工作過程中，與支撐筒相連的鋼梁也會有懸挑作用，他們與吊掛桁架，腰桁架一道，完成了子結(jié)構(gòu)豎向荷載的傳遞。
圖7吊掛層空間示意圖
圖8吊掛段結(jié)構(gòu)位置圖
2.4平面剛性樓板假定
如前所訴，結(jié)構(gòu)的大部分工作狀態(tài)及關(guān)系已經(jīng)交代，但保證要結(jié)構(gòu)各構(gòu)件穩(wěn)定，子結(jié)構(gòu)與支撐筒一起協(xié)調(diào)工作，則少不了平面內(nèi)的荷載傳遞及位移協(xié)調(diào)。由圖2所示，子結(jié)構(gòu)與支撐筒間環(huán)梁處有約10.6m長的樓板且此處無開洞，可以滿足剛性樓板假定。同時，樓板也為吊掛桁架的受壓弦桿及腰桁架的弦桿提供了可靠的平面外穩(wěn)定保證。
3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)
3.1鋼管混凝土柱
超高層建筑豎向荷載很大，本樓柱最大設(shè)計軸力約7萬kn，如此大的荷載對柱來說是個很大的考驗。本樓柱采用鋼管混凝土柱，由于其內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可以大幅提高柱的受壓承載力。
26層及以下以及31~34層（為了與吊掛桁架相匹配）采用Φ1200×40-Z15鋼管混凝土柱，27~30層采用Φ1200×32鋼管混凝土柱，35層及以上采用Φ800×24鋼管混凝土柱，鋼管材質(zhì)均為Q345B，鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C50。在鋼管混凝土外圍包一定厚度（最薄處150）混凝土用于防腐及防火形成1500×1500方柱截面，外包混凝土為C30，不計入承載力計算。
圖9為底層鋼管混凝土柱的內(nèi)力包絡(luò)圖，從圖中可以看出，柱截面的選取是合適的。鋼柱在節(jié)點(diǎn)區(qū)采用內(nèi)環(huán)加勁肋；對角線的三角形掛桁架由于桿件鋼板尺寸較厚，采用環(huán)板貫通，柱斷開的節(jié)點(diǎn)設(shè)計方式，這樣的設(shè)計方式既保證外包混凝土及節(jié)點(diǎn)板易于施工，也保證結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件的傳力明確。
圖9 底層鋼管混凝土柱1200×40內(nèi)力包絡(luò)圖(貴陽201大廈鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計)
3.2鋼偏心支撐
本樓偏心支撐有單斜偏心支撐和八字形偏心支撐兩種（詳見圖3、圖4），采用構(gòu)件截面見下表1。由于本樓支撐數(shù)量相對較少，因此每個偏心支撐所承擔(dān)的水平力相對較大，為保證風(fēng)及小震下彈性設(shè)計，消能梁及支撐截面較大，由表1可以看出。由于消能梁段不能有對接焊縫及補(bǔ)強(qiáng)措施，單斜支撐處消能梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計仍然采用傳統(tǒng)的剪力板設(shè)計方式（詳圖10），剪力板與柱采用坡口T型焊縫，剪力板與消能梁腹板采用雙面角焊縫，三面圍焊，焊腳高16mm。由于角焊縫焊角高度較大，施工是應(yīng)特別注意質(zhì)量控制。梁的對接接頭則位于消能梁段外側(cè)，這樣既保證了施工及運(yùn)輸方便，又使消能節(jié)點(diǎn)區(qū)有很好的施工質(zhì)量及延性保證。而八字形消能梁節(jié)點(diǎn)則完全工廠加工，現(xiàn)場用支撐拼接及梁拼接（消能區(qū)外側(cè)）。
表1 偏心支撐主要構(gòu)件尺寸
圖10 消能梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計
3.3懸掛結(jié)構(gòu)及附屬部分
本結(jié)構(gòu)的另一個設(shè)計重點(diǎn)是懸掛結(jié)構(gòu)，懸掛結(jié)構(gòu)分為吊掛桁架，腰桁架及被吊掛子框架，由于子框架為普通鋼框架結(jié)構(gòu)，此處就不多做敘述。
①、②吊掛段對角線的三角形掛桁架由于負(fù)荷大，采用王字行截面，截面（斜拉桿及下弦受壓桿）尺寸為800(325)×700×50×50(50)，③吊掛段為H800x700x30x40。桁架下弦受壓，在受壓穩(wěn)定驗算時，不考慮樓板的約束作用，僅當(dāng)板約束作為安全儲備，桁架高度2層樓高，即9m高。
與支撐筒對齊的吊掛桁架構(gòu)斜拉桿為H800×400×40×40（①，②掉掛段）H400×300×24×30（③吊掛段），下弦受壓桿為H600×400×40×40（①，②掉掛段），H600×300×32×32（③吊掛段），桁架高度2層樓高。腰桁架弦桿為H400×400×20×24，H400×400×16×24兩種截面，腹桿為H400×400×32×32, H400×400×24×24兩種截面，桁架高度為一層高，及4.5m高，利用
樓板恰可保證桁架的整體穩(wěn)定性。
3.4樓板設(shè)計
本樓樓板主要采用壓型鋼板樓板，壓型鋼板僅作模板使用，主要受力由其上混凝土板承擔(dān)，樓板用栓釘與鋼梁保持連接， 以保證能滿足剛性樓板假定。
對于吊掛桁架下弦層，由于下弦桿受壓力較大，會對樓板產(chǎn)生比較大的應(yīng)力。故本層樓板采用后澆的施工方式，減小重力荷載對本層樓板產(chǎn)生應(yīng)力，并將加厚為150mm，配筋為Φ12@150雙層雙向拉通，以防止樓板開裂。
4結(jié)語
1）建筑與結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，結(jié)構(gòu)體系并未因建筑體型新穎而遭受破壞。
2）在重力荷載作用下結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)自平衡。
3）樓板在本結(jié)構(gòu)中的重要性不容忽視。
4）結(jié)構(gòu)體系還有創(chuàng)新空間。
參考文獻(xiàn)
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