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【摘 要】随着世界经济和科学技术的不断发展,建筑业有了突飞猛进的发展,城市化进程加速发展,城市土地资源越来越紧张,全国各地的高层建筑不断涌现.环保和节能意识的也不断增强,人们对自然力有了更加深刻的认识,对于空间的利用观念也逐渐发生了变化.作为土建工作设计人员,必须充分了解高层建筑结构设计特点及其结构体系,应用新型材料、新型结构体系和设计理念的超高层建筑正展现出自己的强大生命力.本文主要介绍超高层建筑体系目前的发展形式及未来发展.
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【关 键 词】超高层建筑结构体系
前言：近十年,中国超高层建筑（高度超过120米）的建设速度迅速增长,超高层建筑不但可以更好的解决大城市由于人口不断增长带来的用地紧张,为使用者提供更舒适的工作居住环境,更可以成为地区的标志性景观,显示一个国家经济和科学技术的实力.
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一、工程概况
现以一栋30层写字楼为例：（含两个避难层）、一栋2层商业附楼和3层地下室组成,总建筑面积90149m2,屋面结构高度132.80m,停机坪结构高度143.20m.
二、结构设计总体构思
1.结构选型
本工程采用钢筋混凝土框架-核心筒结构,虽然其结构承载能力和抗变形能力比筒中筒结构差,但避免了结构竖向抗侧力构件的转换,满足了建筑立面效果和使用要求.为解决建筑首层层高10.0m、结构高度超限及减小柱截面等问题,下部若干层采用钢管混凝土组合柱,楼盖采用现浇普通钢筋混凝土梁板体系.
承载力和水平位移计算时,基本风压均按重现期为100年的0.90kN/m2取值.由于结构侧向位移不满足限值要求,在第30层利用建筑避难层,设置了钢筋混凝土桁架的结构加强层,结构加强层是一把双刃剑,虽然可提高结构抗侧移刚度,也使得结构竖向刚度突变,所以结构加强层及相邻层按《高规》要求进行了加强处理.
2.超限措施
本工程结构平面形状规则、刚度和承载力分布均匀,竖向体型也规则和均匀、结构抗侧力构件上下连续贯通,除结构高度超过适用限值外,其它指标通过调整后均达到未超限.
由于结构高度超限、而且首层层高10.0m,超限应对措施把首层及下部若干层的结构抗侧力构件作为加强的重点：1～15层框架柱采用钢管混凝土组合柱（钢管混凝土叠合柱结构技术规程CECS188：2005）、1～2层核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱、首层抗震等级提高一级.钢管混凝土柱有着卓越的承载能力和变形能力,但其防腐和防火材料不仅造价较高还有时效性,需考虑今后的维修保养,钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱可弥补这方面的缺陷.核心筒剪力墙四角附加型钢暗柱,以解决由于首层层高较大,使得剪力墙端部应力集中的问题,并提高剪力墙的承载能力和抗变形能力.
3.钢管混凝土组合柱的梁柱节点
在工程中往往仅在框架柱中采用钢管混凝土,而框架梁则采用普通钢筋混凝土,钢管混凝土柱和钢筋混凝土梁的连接节点成为工程中难点之一.目前常用的连接节点有：钢牛腿法、双梁法、环梁法、钢管开大洞后补强法及纯钢筋混凝土节点法等,本工程采用在钢管上开穿钢筋小孔的连接节点,为连接节点的设计提供多一种选择.
3.1钢管开小孔的连接节点构造
钢管上开穿钢筋小孔的连接节点做法要点如下：
（1）钢管开小孔：小孔直径D等于钢筋直径+10mm,小孔水平间距等于3×D,小孔垂直间距等于2×D.
（2）钢管水平加强环：梁顶面和梁底面各设置一道,环板宽度：钢管混凝土柱时,取0.10倍钢管直径、钢管混凝土叠合柱时,取65～100mm；环板厚度等于0.5t且≥16mm（t为钢管壁厚）.
（3）钢管竖向短加劲肋：紧贴水平加强环,肋宽等于环板宽-15mm,肋厚等于环厚,长度为200mm,布置在梁开孔部位的两侧和中间.
（4）梁钢筋尽量采用直径较大的HRB400级钢筋,以减少钢管开孔数量.在钢管混凝土叠合柱时,部分梁钢筋可以在钢筋混凝土柱区域穿过.
3.2钢管开小孔连接节点的优点
（1）钢管开小孔后对钢管截面削弱不大,梁钢筋穿过小孔后剩余的缝隙很小,钢管对管芯混凝土的约束力基本没减少,不影响钢管混凝土柱的承载能力和变形能力.
（2）梁钢筋直接穿过钢管后,梁可以可靠的传递内力,梁长范围内的刚度保持不变,结构受力分析与实际相同.（钢牛腿法和钢管开大洞后补强法,在梁端范围内有相当长度的型钢,使得梁刚度急剧变化）.
（3）在设置水平加强环和竖向短加劲肋补强后,钢管在节点区是连续的,节点的刚性不受影响,满足“强节点弱构件”的要求.
（4）现场施工较方便,即使圆弧形梁钢筋也可顺利穿过.
（5）节点补强所用材料比钢牛腿法和钢管开大洞法减少很多,造价较低.
为进行钢管开小孔后分析研究,1996年中国钢结构协会钢-混凝土组合
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4.核心筒外墙的连梁设计
核心筒外墙的连梁纵筋计算超筋是非常普遍的情况,《高规》对连梁超筋有专门的处理措施,而且研究文献也不少,但计算模型的选取也是重要因素之一.
《高规》规定,跨高比小于5时按连梁考虑,即连梁属于深弯梁和深梁的范畴,其正截面承载力计算时,已不能按杆系考虑,也就是已不符合平截面假定,但许多分析软件仍然把连梁按杆系计算,其计算偏差当然是很大了.
按“强墙弱梁”和“强剪弱弯”原则进行连梁设计时,虽然《高规》对连梁设计有具体要求,但这个“弱”要到什么程度,还是取决于设计者的理解和经验.
本工程核心筒外墙的连梁按《高规》要求进行设计,除连梁均配置了交叉暗撑外,对非底部加强部位剪力墙的边缘构件也进行了加强处理,以满足“多道抗震防线”和“强墙弱梁”的要求.总之：（1）钢管混凝土叠合柱及钢管混凝土组合柱有卓越的承载能力和变形能力,还可弥补钢管混凝土柱的防腐和防火材料造价较高及时效性方面的缺陷.（2）钢管按一定的构造要求开穿钢筋小孔,对钢管截面损伤不大,梁钢筋直接穿过钢管,使得梁内力可以可靠的传递.适当设置水平加强环和竖向短加劲肋,钢管混凝土柱的承载能力和变形能力不会降低,节点刚性得以保证.模型试验已经证实该方法的可靠性,工程实践已经证实该方法的可行性.大大节约梁柱节点所用钢材,施工方便.（3）连梁属于深弯梁和深梁的范畴,正截面承载力计算时,不能按杆系模型计算.
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三、结束语
随着经济和科学技术的不断发展,高强度材料和高效施工方法的出现,建筑结构正在向着更高、更合理有效的受力体系和更经济的满足使用功能需要等方向发展.超高层建筑的未来,可能并不是越来越复杂的结构形式,反而是结构工程师们尽量用最简单的方法来实现复杂和具体的使用目标.但是在设计中所考虑的因素却不仅仅是过去简单的经济安全,还包括考虑环保、节能等可持续发展观念和舒适度、多功能等人性化要求.这些新的设计因素将使未来的超高层建筑为人类提供更有效、更舒适的工作生活空间.
参考文献
[1]蔡绍怀：《钢管混凝土结构的计算与应用》.中国建筑工业出版社1989.
[2]钟善桐：《钢管混凝土结构》.黑龙江科学技术出版社1994.
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