第40卷 增刊 建 筑 结 构 2010年6月高层钢结构住宅结构设计探讨 冯 铭，杨聪武 （云南昆明钢铁集团设计院，昆明 650302） [摘要] 钢城花园高层钢结构住宅楼高37.35m，地下1层，地上12层，采用钢框架-核心筒结构体系，建筑功能、经济性、居住舒适度均较好。钢骨混凝土剪力墙、加强型梁柱节点使结构具有优越的抗震性能。 [关键词] 高层建筑；钢结构住宅；钢骨混凝土核心筒；抗震设计 Discussion on structure design of a high-rise residential building Feng Ming，Yang Congwu （Yunnan Kunming Iron & Steel (Group) Co., Ltd., Design Institute, Kunming 650302,China） Abstract：Gangcheng garden high-rise steel structure residential building is 37.35 meters height，and consists of 1 story underground and 12 ground floors. The structural system of the mansion is frame-core wall，and architectural functions，cost saving and comfortable residence are well. The seismic performance is superior for steel framed concrete core wall and strengthening beam column joint. Keywords：high-rise building; steel structure residence; frame-core wall structure; seismic design 0 引言 随着我国钢铁工业和建筑工业的迅猛发展，我国高层钢结构住宅设计和施工技术日趋成熟，武汉、青岛、济南、天津、上海等地均已开发建成一定规模的钢结构住宅小区，我国建筑业的专家学者为此做了大量的科学研究和建设实践工作，取得了丰富的经验，为钢结构住宅向全国推广奠定了坚实的基础。美中不足的是，我国较成熟的钢结构住宅小区大多集中在7度以下的抗震设防地区，而高烈度抗震设防地区开发建成的钢结构住宅小区并不多。笔者经过数年的考察学习和艰苦探索，完成了多项8度抗震设防地区钢结构住宅的设计任务，以钢城花园住宅小区结构设计为例简要介绍笔者在钢结构住宅结构设计和建设成本控制等方面的经验和体会，供同行参考，并寻求同行专家的批评和指导。 钢城花园住宅小区位于昆钢集团某子公司生活区，小区由9幢二梯八户12层钢结构住宅组成，每幢建筑地下1层、地上12层、局部13层。地下层1为停车场，层高4.2m；层1为商铺，层高3.9m；层2~12为住宅层，高3.0m；层13为楼、电梯机房，高4.5m。建筑室内外高差0.45m，建筑总高度37.35m。单幢建筑长54.６m，宽17.0m，建筑面积8769.2m2，小区总172 建筑面积730m2。 1 结构、构件及节点设计 1.1 结构体系的设计 我国大部分高层钢结构住宅的结构体系都采用钢框架-混凝土核心筒结构，其较混凝土结构有结构构件尺寸小、结构自重轻、抗震性能好等优点，较钢框架-支撑结构有侧移小、居住舒适度好、楼电梯间（混凝土核心筒）耐火性能好、火灾时有更宽裕的安全疏散时间等优点；钢框架-核心筒结构不仅能较好实现住宅的各项功能要求，而且底部楼层和地下室可为大空间的商场或停车场。钢城花园住宅小区采用钢框架-混凝土核心筒结构。 1.2 结构平面和立面布置 钢结构建筑平面和立面布置形式对建设成本影响很大，为了有效地控制建设成本，结构专业和建筑专业必须紧密结合对建筑平面和立面设计方案反复优化，努力做到在平面上纵横方向柱网尽量对齐，柱距尺寸相近，核心筒对称居中，结构传力途径简洁；在立面上剪力墙、钢柱、支撑应连续布置，不采用转换结构；建筑结构的高宽比和核心筒的高宽比要适当小于规范限值，实现核心筒钢筋配置接近构造配置。 钢城花园住宅小区工程平面布置规则对称，立面 刚度均匀变化，核心筒对中布置，结构质量和刚度中心基本重合。为有效控制建筑的扭转效应，结构设计时在轴○1~轴11、层2~12各布置一列单斜杆支撑；为○缓解层1核心筒抗剪承载力不足的困难，有效减小扭转效应，层1对应上部斜杆支撑位置布置1道250mm厚剪力墙。建筑结构的高宽比为2.19，核心筒的高宽比为4.85。 标准层结构平面图见图1，支撑施工见图2。 CL1KL2CL3CL3CL1CL2KZ2KL2KZ1KL2KZ1KL4KZ1KL4KL2KZ1KL2KZ1KL2KZ2CL3CL1KL2CL3CL1CL3CL1KZ1KL2KL2CL3KL3CL1CL3KZ1KL2KZ3KL2KL2KZ1KL2KZ1KL2CL1KL2CL1KL2CL1CL1KL2CL1CL1KL2CL1KZ1KL2CL3KZ1CL2KL2CL2KZ1KL2CL3KZ1CL1CL1 图1 标准层结构平面 图2 支撑施工示意 1.3 地下室和基础设计 《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）（简称抗规）8.1.10条，《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99—98）（简称高层钢规）3.5.32，3.5.3条规定12层以上的高层钢结构建筑应设地下室，高层 钢结构基础埋深不应少于建筑物高度H的1/15（天然基础）或1/18（桩基础）；《高层建筑钢-混凝土混合结构技术规程》(CECS230：2008)（简称高层钢-混规程）5.1.3条规定当没有地下室或地下室顶板不能作为嵌固端时钢柱的嵌固端宜取在基础顶面以下1.5倍柱截面高度处；高层钢-混规程8.1.1，8.3.4条规定高层钢结构应采用埋入式柱脚或外包式柱脚，柱脚埋入深度或外包钢筋混凝土高度不小于柱截面长边的2.5倍。 综合考虑上述规范条文对基础埋深、钢管柱脚埋置深度，底层结构计算高度的规定和地下室建设成本、销售价格等因素，笔者认为高层钢结构建筑适当设置地下室是比较经济的。 钢城花园住宅小区工程建设场地地质条件较好，可以作为浅基础或深基础持力层的土层埋深分别为建筑室内地面以下2m左右和8m左右。钢城花园住宅小区工程设一层地下室，基础采用静压预制管桩。 1.4 主要构件设计 1.4.1 钢管混凝土框架柱 钢框架-混凝土核心筒结构的框架柱应优先选用钢管混凝土柱。钢管混凝土柱是钢材和混凝土两种材料的完美结合，外围钢管的约束使混凝土处于三向受压状态，混凝土抗压强度不仅大为提高，而且混凝土的破坏特征也具有明显的塑性特征，核心混凝土的存在了外围钢管的局部屈曲，充分发挥了钢材的强度；钢管还可兼框架柱纵向钢筋、箍筋、混凝土模板等。钢管混凝土柱不仅克服了钢骨混凝土柱施工复杂、构件断面尺寸大等缺点，也克服了纯钢柱整体刚度低、局部稳定性差、材料强度不能充分发挥等不足。 钢城花园住宅小区框架柱采用钢管混凝土柱，钢管型号主要有350×12，350×10，350×8，钢材采用Q345B；钢管内混凝土强度等级从下到上逐次为C40、C35、C30。 1.4.2 楼面体系 高层钢结构住宅楼板可以采用压型钢板组合楼盖或普通钢筋混凝土楼盖。压型钢板组合楼盖因造价较高、天棚需要吊顶等原因一般用于建设工期紧张或施工没有条件设置满堂脚手架等特殊情况。一般的高层钢结构住宅应采用普通钢筋混凝土楼盖。 钢城花园住宅小区楼、屋面采用100、120mm厚钢筋混凝土楼板，楼板通过抗剪栓钉与钢梁连接成组合楼盖。地下室顶板采用180mm厚钢筋混凝土楼板。 173 ZC—1KL3KL2CL3CL5CL1CL3KL2KL2 楼、屋面梁采用焊接或轧制H型钢，钢梁型号H450×180×8×12、H450×150×8×12、H450×120×8×10、HN345、HN298、HN248等，地下室顶板框架梁采用钢骨混凝土梁、次梁采用钢筋混凝土梁。 1.4.3 钢骨混凝土剪力墙 《高层钢筋混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002） 11.2.4条，高层钢-混规程4.4.3条规定8度抗震设防时，应在楼面钢梁与钢筋混凝土筒体交接处或混凝土筒体四角设置型钢柱，楼面钢梁与钢筋混凝土筒体应采用铰接连接。 钢城花园住宅小区各幢层1~4钢筋混凝土核心筒四角、纵横墙交接处、楼面钢梁与核心筒交接处按照结构整体计算设置钢骨混凝土柱，层5~13钢梁与核心筒交接处或核心筒四角按照构造设置钢骨混凝土柱（钢骨型号为HW200、HW150、HW100），构造设置的钢骨柱不参与结构整体计算。 为了满足结构整体计算的需要，核心筒中连梁高度往往较高，跨高比较小，连梁的抗剪承载力往往不足，需要按照高层钢-混规程6.3.11，6.5.1条的规定在连梁内配置钢骨，形成钢骨混凝土连梁，连梁中的钢骨按抗剪承载力计算确定。在核心筒楼面位置无钢骨混凝土连梁时设钢骨混凝土暗梁，暗梁中的钢骨按照构造设置。 为减小钢骨混凝土暗梁、钢骨混凝土连梁中的钢骨对结构整体刚度和剪力墙混凝土浇注的影响，钢骨采用窄翼缘钢梁，钢材面积集中于腹板以提高钢骨的抗剪承载力。钢城花园住宅小区钢骨混凝土暗梁中的钢骨一般为HN150，钢骨混凝土连梁中的钢骨为H400×75×10×10、H300×75×10×10。核心筒采用C40~C30钢筋混凝土，核心筒周边墙厚由下至上分别为350、300、250、200mm，核心筒内隔墙厚200mm。 1.4.4 围护结构设计 围护墙体材料的容重和墙体厚度直接影响结构成本，填充墙材料的强度影响维护结构的安全。围护墙体材料原则上采用容重小、强度高，其隔音、隔热、保温、防潮性能满足我国现行规范要求的产品。钢城花园住宅小区内隔墙采用蒸压加气混凝土砌块，外墙和卫生间隔墙采用混凝土空心砌块。 1.5 节点设计 1.5.1 框架梁、柱节点 抗规8.3.4、8.3.6条，高层钢规8.3.5-7条规定框架梁、柱节点采用柱贯通型刚接节点，即梁翼缘与柱采用熔透焊缝连接，对应梁翼缘位置箱型柱内设置内174 隔板，内隔板与柱壁板采用熔嘴电渣焊连接。由于熔嘴电渣焊焊接热量大，当柱壁板较薄时熔嘴电渣焊的焊接热量会严重损伤钢材的力学性能。高层钢-混规程7.2.3条规定当箱型柱壁板厚度≤16mm时框架梁、柱节点形式采用梁贯通型节点。钢城花园住宅小区工程箱型柱壁板厚度≤12mm，按照CECS230框架梁、柱节点形式采用梁贯通型刚接节点。 为避免框架梁、柱节点核心区过多的现场焊缝影响节点区域的抗震性能，同时考虑钢构件的制作和运输情况，钢城花园住宅小区工程受力较大的框架梁（及支承次梁的框架梁）与框架柱节点采用带悬臂梁段的节点形式，悬臂梁段长度取两倍梁高。未支承次梁的框架梁的翼缘与框架柱的外伸式隔板现场熔透焊缝连接，框架梁、柱节点核心区及梁翼缘上下500mm的范围内所有焊缝均采用全熔透对接焊缝。框架梁、柱节点见图3。 图3 框架梁、柱节点 1.5.2 主、次梁节点设计 主、次梁节点一般采用铰接连接。连续次梁与主梁的连接节点采用刚接，次梁翼缘与主梁翼缘用对接焊缝连接，并在次梁上翼缘加盖板传递其拉应力。 1.5.3 柱脚节点 钢管混凝土柱的柱脚采用外包式柱脚，外包钢筋混凝土高度为地下室层高。钢管柱轴压力部分通过抗剪栓钉传递给外包钢筋混凝土，部分通过柱脚底板传递到基础底面，柱脚弯距由外包的钢筋混凝土承担。 2 结构整体计算分析 2.1 结构计算参数的选择 钢城花园小区住宅楼结构形式采用钢框架-混凝土核心筒结构，框架抗震等级一级，混凝土核心筒抗震等级一级，结构使用年限50年。 抗震设防烈度为8度、第二组，建筑场地类别为 Ⅱ类，特征周期0.4s，多遇地震影响系数最大值0.16，罕遇地震影响系数最大值0.9。基本风压0.3kN/m2，地面粗糙度B类。楼面恒载按实际计算；一般楼面活载2.0kN/m2，楼梯间及前室3.5kN/m2，电梯机房7.0kN/m2，停车场4.0kN/m2，阳台2.5kN/m2，上人屋面2.0kN/m2，不上人屋面0.5kN/m2。 2.2 结构计算模型 结构整体分析采用SATWE（2008版）计算。 2.3 计算结果分析 2.3.1 规范对结构整体计算结果的规定 （1）高层钢-混规程5.1.5条规定高层建筑抗震计算时，计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的90%。 （2）高层钢-混规程4.2.1、4.2.2条，JGJ3-2002中4.3.5条规定高层混合结构在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比不应大于0.85。 （3）高层钢-混规程4.1.7条规定在风荷载和多遇地震作用下，建筑高度小于150m的钢—混凝土混合结构最大弹性层间位移角不应大于1/800；在罕遇地震作用下，弹塑性层间位移角不应大于1/100。 （4）高层钢-混规程4.3.3条规定各楼层侧向刚度不应大于相邻上部楼层侧向刚度的70%，或其相邻上三层楼层侧向刚度平均值的80%。各楼层抗侧力构件的受剪承载力不应小于相邻上部楼层受剪承载力的80%。 （5）JGJ3—2002中 5.4.4条规定高层建筑框架-剪力墙结构、筒体结构的稳定满足刚重比≥10的要求。 （6）抗规5.2.5条规定抗震设防为8度时，结构任一楼层的水平剪应力系数不应小于0.032（基本周期小于3.5s时）。 2.3.2 钢城花园住宅小区结构整体计算结果 （1）结构计算振型数为15个，x方向的有效质量系数为98.05%，y方向的有效质量系数为97.70%，满足高层钢-混规程5.1.5条规定。 （2）结构第一振型x向平动，T1=0.8676，平动系数1.00；第二振型y向平动，T2=0.7513，平动系数0.62；第三振型扭转，T3=0.7043，平动系数0.38，扭转系数0.62，T3/T1=0.8349。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的x、y向最大水平位移和层间位移的比值分别为1.04、1.29，满足规范高层钢-混规程4.2.1、4.2.2条和JGJ3—2002中 4.3.5条规定。 （3）风荷载作用下x向和y向结构最大层间位移为1/9999、1/6759；考虑偶然偏心影响的地震作用下x向和y向结构最大层间位移为1/972和1/949，满足规范高层钢-混规程4.1.7条规定。 （4）各楼层侧向刚度与相邻上部楼层侧向刚度的比值的最小值为96%，各楼层抗侧力构件的受剪承载力与相邻上部楼层受剪承载力的比值的最小值102%，满足规范高层钢-混规程4.3.3条规定。 （5）结构x向刚重比为14.94，y向刚重比为20.81，结构稳定性满足规范JGJ3—2002中 5.4.4条规定。 （6）结构任一楼层的水平剪力系数最小值为0.0734，满足抗规5.2.5条要求。 3 结构抗震性能分析与抗震构造措施 3.1 钢框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析 中国建筑科学研究院和同济大学先后进行了钢框架-混凝土核心筒结构模型试验，模型试验结果表明钢框架-混凝土核心筒结构具有良好的抗震性能，能实现我国现行规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求，但是该结构在罕遇地震作用下也存在混凝土筒体延性不足、底部剪力墙部分墙体、连梁开裂，外围框架二道防线作用不显著、框架梁、柱个别节点开裂等问题。 3.2 框架柱-混凝土核心筒结构的抗震构造措施 针对上述模型试验结果，并结合美国阿拉斯加地震、日本坂神地震、中国汶川地震的震害情况，在进行钢城花园住宅小区高层钢结构住宅结构设计中采取了如下抗震构造措施： 3.2.1 提高混凝土核心筒的延性 钢城花园住宅小区各幢层1~4混凝土核心筒四角、纵横墙交接处、楼面钢梁与钢筋混凝土筒体交接处按多遇地震作用计算设置钢骨混凝土柱，层5~13钢梁与钢筋混凝土筒体交接处或混凝土筒体四角按照构造设置钢骨柱。 按照高层钢-混规程6.3.11、6.5.1条的规定，在钢筋混凝土核心筒的暗梁、连梁内配置钢骨，钢骨混凝土暗梁中的钢骨按照构造设置，钢骨混凝土连梁中的钢骨按多遇地震作用计算确定。钢骨混凝土连梁作为核心筒的塑性耗能构件设计。 3.2.2 提高钢框架的承载能力 根据JGJ3—2002中11.1.5条规定，钢框架-混凝土核心筒结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于底部总剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8 175 倍二者的较小值。钢城花园住宅小区结构设计时在轴1和轴○11层以上全高各设置一道H型钢支撑以加强钢○经验教训，反复优化结构平、立面布置，认真细致地做好构件设计和节点设计，逐步引导和促进钢结构住宅的产业化建设。只有这样才能创造出具有推广价值的设计产品。 参 考 文 献 [1] 建筑钢结构设计手册（上、下册）[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004. [2] CECS159：2004 矩形钢管混凝土结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2004. [3] YB9082—2006 钢骨混凝土结构技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2004. [4] JGJ99—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. [5] 徐培福. 复杂高层建筑结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005 [6] 程懋堃, 莫沛锵, 汪大绥,等. 高层建筑结构构造资料集[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005. 框架部分的抗震承载力。 3.2.3 实现强柱弱梁、强节点弱杆件 强柱弱梁、强节点弱杆件是我国抗震规范的基本要求，是结构实现大震不倒、塑性耗能的前提。钢城花园住宅小区结构设计中严格按照高层钢-混规程7.2.4、6.1.6、6.1.7条的要求实现强柱弱梁、强节点弱杆件的抗震构造要求。 工程中采用楔形盖板加强框架梁梁端与钢柱的刚性连接节点，钢柱内在框架梁翼缘对应位置设置厚度为16mm（较梁翼缘厚度大4~6mm）的横隔板，梁柱节点核心区及梁翼缘上下500mm范围采用全熔透坡口焊缝连接，保证强节点弱杆件的抗震设计要求。 4 结语 钢框架-混凝土核心筒结构高层住宅在8度抗震设防区不论在结构整体计算还是节点构造措施方面较6、7度抗震设防区要复杂得多。在保证安全、美观、实用的前提下要实现理想的技术经济指标，设计人员必须认真学习和总结国内外多高层钢结构住宅建设的 作者简介：冯铭，一级注册建筑师, Email：kgjtycw@126.com。 176
