大连远洋大厦高层建筑结构概念设计

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：柱截面尺寸为：地下的钢筋混凝土柱和地上1层的钢骨混凝土柱为1.4m×1.4m，2～4层柱1.3m×1.3m，5～6层柱1.2m×1.2m，钢骨为箱形截面。钢梁为焊接H型钢，最大截面为500mm×250mm×12mm×25mm。图10-26 大连远洋大厦a）施工时照片 b）标准层平面 c）剖面核心筒正方形，边长17.6m，核心筒在6层以下为钢筋混凝土剪力墙，7层以上为钢骨混凝土剪力墙。连梁跨高比在0.6～1.2之间，在跨高比较小的连梁中采用X形配筋，以提高其延性。

1.概况

1999年建成，地下4层，地上51层，多功能建筑，屋顶总高200.8m。本工程的特点为采用了钢框架、钢骨混凝土核心筒组成的混合结构，钢结构部分是国内第一座全部国产化的结构（设计、钢材、加工制造、安装施工等全部由国内公司生产和承包）。建筑平面为截角正方形（不等边八角形），平面外轮廓38.0m×38.0m。6层以下有钢筋混凝土裙房，高层塔楼部分竖向规则。照片及平面、剖面见图10-26，按抗风及7度抗震设防设计。大连市建筑设计院和冶金部建筑研究总院合作设计。

2.结构

该结构采用框架—核心筒结构体系。

外框架布置了16根柱，是混合框架结构，组成方式如下：

1）外框架地下室二层以下为钢筋混凝土结构。

2）地下室1层及地上1～6层采用钢骨混凝土柱、钢筋混凝土梁。

3）7～9层采用钢骨混凝土柱与钢梁。

4）10层以上采用钢梁、钢柱，第10层为过渡层，在钢柱外包混凝土。

柱截面尺寸为：地下的钢筋混凝土柱和地上1层的钢骨混凝土柱为1.4m×1.4m，2～4层柱1.3m×1.3m，5～6层柱1.2m×1.2m，钢骨为箱形截面。上层钢柱也是箱形截面，最大截面为700mm×700mm×50mm，逐步减小，到45层减为500mm×500mm×25mm。钢梁为焊接H型钢，最大截面为500mm×250mm×12mm×25mm。

图10-26 大连远洋大厦（平、剖面由大连市建筑设计研究院提供）

a）施工时照片 b）标准层平面 c）剖面

核心筒正方形，边长17.6m，核心筒在6层以下为钢筋混凝土剪力墙，7层以上为钢骨混凝土剪力墙。剪力墙底部厚度为800mm，由下到上逐渐减小到400mm，剪力墙截面厚度改变与外框架截面改变错开，减少整体结构刚度的突变；筒内的分隔墙厚度400mm，由下到上不变。剪力墙轴压比控制在0.6以下，按强墙弱梁设计，要求连梁先出塑性铰，剪力墙只允许底部和顶部出铰，所以墙肢配筋较强，墙肢箍筋间距加密为100mm，截面端部有暗柱，保证剪力墙有较好的延性，罕遇地震下不倒塌。连梁跨高比在0.6～1.2之间，在跨高比较小的连梁中采用X形配筋，以提高其延性。剪力墙内的钢骨是按构造配置的，用了12根H型钢柱及型钢梁，形成小钢框架，加强了墙肢及连梁，可显著提高剪力墙的延性，同时也便于和楼板中的钢梁连接。

混凝土强度为50MPa，核心筒上部减至40MPa。

外框架与核心筒之间距离为8m，本工程未设伸臂。原因是：①对本工程而言，由于外框架刚度较小，核心筒刚度很大，设置两道伸臂（中部及顶层）减少侧移的效果只有10%左右；②设置伸臂使结构竖向刚度突变，对抗震不利；③本工程不设伸臂的结构抗侧刚度已可满足要求，而设置伸臂要多用钢材7%，大约为300～400t。对于本工程，设置伸臂的弊大于利。

楼盖在6层及6层以下采用钢筋混凝土现浇楼板，6层以上采用钢梁，用压型钢板做模板（不参加受力）浇筑混凝土，实际为现浇混凝土楼板，折合厚度115mm。

对材料的要求很严格，柱和主梁采用国产的SM490B钢材（日本规格），而且要求硫、磷含量小于日本标准，要求碳当量值在0.40以下；对40mm及50mm的厚钢板要求断面收缩率不得小于Z25级规定的容许值，经过现场焊接等施工实践，说明钢材性能很好，保证了施工质量。对于次要构件，采用Q235钢材，可降低造价。

3.自振特性

计算周期为

x方向：5.37s，1.15s，0.52s，0.32s，0.22s，0.17s

y方向：5.37s，1.21s，0.56s，0.35s，0.23s，0.19s

4.分析

采用两阶段设计方法设计结构。

在风荷载及小震作用下，用三个不同的弹性空间分析程序计算内力和位移，并考虑P—Δ效应。风荷载作用下最大层间位移角为1/588（43层、44层）；地震作用下最大层间位移角为1/670（50层）。由于核心筒刚度大，基本为弯曲型变形，最大层间侧移角接近顶部。核心筒成为内力的主要承担者，在地震作用下，6层以下核心筒承担总剪力为60%～80%，7层以上核心筒承担总剪力的比例达到90%～88%，顶层又减少至69%。由于未设伸臂，外框架承受的倾覆力矩也较小，风荷载倾覆力矩在外框架柱中产生的轴力只相当竖向长期荷载下轴力的1/12，地震作用下倾覆力矩产生的轴力所占比例更小。

用清华大学土木系弹塑性分析程序NTAMS对结构进行了弹塑性静力推覆分析和时程分析。

弹塑性静力推覆分析的水平荷载取高层结构底部剪力法计算^[14]（考虑实际质量分布）得到的荷载，构件弹塑性性能是根据构件实际尺寸、配筋及材料性能得到的。

大震作用下的弹塑性地震反应分析分别用人工波、松潘波和El Centro东西向波及南北向波共4条地震波分析，峰值加速度取220Gal（大于当地地震危险性分析所得的当地峰值加速度190Gal），为比较，还计算了中震作用，峰值加速度取120Gal。图10-27为弹塑性时程分析结果。

图10-27 大连远洋大厦弹塑性分析结果

a）层剪力包络图 b）人工波作用的层剪力分配 c）水平位移包络图 d）层间位移角包络图 e）层位移延性比包络图

（ART—人工波 ELC（EW）—ElCentro（EW）波 ELC（NS）—ElCentro（NS）波 SONGPAN—松潘波）

图10-27a为层剪力包络图，人工波的反应最大；图b为输入人工波得到的外框架和核心筒的剪力分配包络图，外框架承担的剪力很少，下部7层核心筒承担剪力约为80%以上，上部各层核心筒承担90%以上；图c为水平位移包络图；图d为层间位移角包络图，人工波的最大层间位移角为1/63（40层），El Centro波最大层间位移角为1/216（40层）；图e是地震作用下对外框架与核心筒的延性比要求，在6层以下对外框架的延性要求较高，7层以上钢框架屈服很少（延性比为1左右）；对核心筒的延性在7层以上要求较高，特别在20到40层之间，延性比要求达到5左右。

从弹塑性静力推覆分析可以知道构件塑性铰的分布情况，从出现塑性铰的情况看，核心筒连梁屈服较多，主要是20～40层的连梁屈服，个别小墙肢也有屈服现象，外框架则都在6层以下的钢筋混凝土梁上出现塑性铰，塑性铰分布与设计的意图基本吻合；由分析可见，对核心筒连梁的延性要求较高，在设计时已经采取了措施，根据弹塑性分析，又对个别墙肢构件进行了加强。

本工程的总用钢量为4788t，其中外框架为4384t，核心筒为404t，折合每平方米用钢量为79.5kg。

大连远洋大厦高层建筑结构概念设计

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