摘要 摘要：某商务中心为高层双塔钢结构建筑，东塔为钢框架支撑结构，西塔为钢框架结构，东、西塔在13、14层悬挑14.5m桁架形成空中走廊。针对结构的特点，简要介绍了基础和地下室设计
摘要：某商务中心为高层双塔钢结构建筑，东塔为钢框架支撑结构，西塔为钢框架结构，东、西塔在13、14层悬挑14.5m桁架形成空中走廊。针对结构的特点，简要介绍了基础和地下室设计，重点叙述了上部结构设计中的难点：楼板温度应力、穿层柱计算长度取值、异形钢柱的分析和P-△效应的影响。计算分析结果表明结构设计满足结构的安全性要求。
关键词：温度应力,钢结构,穿层柱,P-△效应
1工程概况
某商务中心位于广东省韶关市，总建筑面积为53058m2，由两栋塔楼、三层裙房及两层地下室组成，裙房(屋面高14.7m)主要作为商业用途，西塔15层，结构高度为60.3m，东塔20层，结构高度为79.4m，地下室两层，层高为5.4m和3.9m。东西塔在13、14层悬挑14.5m桁架形成空中走廊。项目结构已封顶，现进行填充墙砌筑及幕墙安装，实景如图1所示。
2结构体系
地下1层除塔楼范围外采用无梁楼盖体系，地下室顶板采用梁板结构，地上为全钢结构，其中裙房和西塔采用钢框架结构，东塔采用钢框架-中心支撑结构，楼板采用钢筋桁架楼承板。为了减少外围钢柱的壁厚和增加抗侧刚度，东西塔塔楼外围柱采用方钢管混凝土柱，方钢管混凝土柱之间通过H型钢梁刚接形成外框架;核心筒内为了避免露柱，采用异形钢柱，钢柱之间通过钢梁刚接形成内框架，东塔高度较高，为加强东塔侧向刚度，在-1~15层设置中心支撑;外框架与内框架间通过主次梁连接，主梁与外框架柱刚接，与内框架柱铰接，将内外框架联系成整体抗侧力体系。项目结构设计参数、结构平面布置、构件截面尺寸及悬挑桁架设计见文献[1]。
3结构整体分析
结构计算采用YJK1.8.1计算，小震和风荷载作用下的计算结果见表1。由表1可见，风荷载下西塔和东塔最大位移角分别为1316(Y向)、1366(Y向)，小于《高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ99-2015》[2]规定的1250的限值。由扭转位移比可以看出，位移比最大值不超过1.4，结构的整体抗扭刚度较大。
4基础及地下室设计
商务中心地上采用钢结构，结构单位质量为920kgm2，如按混凝土框架剪力墙结构设计，则单位质量为1400kgm2，钢结构比混凝土结构轻13，东塔为20层，基础底平均压力按结构单位质量估计为230kPa左右，不大于地基承载力修正值，同时考虑到岩土勘察报告中揭露地下土存在溶洞情况，采用桩基础时将面临溶洞处理工期和费用不确定性;基础底板深度大部分9.5m，在东塔塔楼范围达到10.6m，基坑开挖的土重抵消了大部分上部荷载，基底附加压力并不大，结构沉降不大(见表1)。
综合以上原因，结构最终采用筏板基础形式，板厚600mm，西塔和东塔塔楼范围下板厚分别加厚为900mm和1100mm。在裙房和纯地下室范围需要考虑结构抗浮设计，由地质勘查报告可知，地下室底板至灰岩层之间有15m左右厚的硬塑和可塑土层，按常规锚杆计算，要达到抗浮要求，锚杆长度太长或数量较多，不经济，因而本项目锚杆采用扩大头锚杆。该类型锚杆较普通锚杆的抗拔承载力有较大提高，且适用于软弱土层，锚杆大样如图2所示。
为了减少层高，降低基坑开挖深度，减少基坑支护、排水及基础抗浮费用，项目地下1层楼板大部分区域采用无梁楼盖体系，仅在塔楼范围及变标高处采用梁板结构体系，方钢管混凝土柱与无梁楼盖柱帽连接节点采用图3形式，该节点由上下两块环板、环板之间的加劲肋板和四周伸出的工字型牛腿组成，牛腿上下翼缘分别与上下环板焊接，腹板与环板加劲板螺栓连接，牛腿的上下翼缘面积通过与该方向钢筋等强换算得出。
5上部结构难点
5.1楼板温度应力分析
项目主体为钢结构，楼板为混凝土楼板，钢结构对温度较为敏感，规范[3]规定宜考虑施工阶段和使用阶段温度作用，施工阶段混凝土浇筑过程中，大量水化热使混凝土体积膨胀，而当水化完成后，混凝土温度慢慢降低，体积收缩变小，当收缩过程受到约束时，混凝土内将产生收缩拉应力，约束越大，混凝土内拉应力越大，当拉应力达到混凝土受拉强度时，混凝土将产生裂缝。通过设置温度后浇带能解决施工阶段楼板的温度应力。使用阶段温度作用主要是考虑后浇带封闭后在结构使用周期(50年)内由于季节变化产生温差对结构内力的影响。本结构塔楼尺寸为29.1m×33.6m，裙房为105m×32.1m，塔楼尺寸较小，主要考虑裙房温度作用。
5.1.1温差取值
根据《建筑结构荷载规范：GB50009-2012》[4]附录E.4，韶关月平均最高气温为37℃，月平均最低气温为2℃，为了减小楼板温度应力，要求裙房楼板混凝土后浇带封闭温度不高于20℃。由于混凝土抗拉强度远小于抗压强度，分析只考虑降温工况楼板的拉应力，结构降温=后浇带浇注温度(20℃)-月平均最低温度(2℃)=18℃。
5.1.2混凝土干缩当量温差混凝土由于水分蒸发将引起收缩变形，一般将干缩换算成当量温差，即收缩变形相当于降低若干温度。
5.2钢管柱及穿层柱的计算长度系数
《钢结构设计规范：GB50017-2003》[3]计算柱的计算长度分无侧移和有侧移框架，无侧移计算下钢管柱计算长度系数约为1.0，而由于梁的线刚度远小于钢管柱线刚度，按有侧移计算，钢管柱的计算长度系数常常达到限值6.0，为了满足矩形钢管柱长细比不大于80的要求，柱截面往往很大而轴压比很小，安全储备过大造成材料浪费。
柱理论长度系数应该通过欧拉公式计算得出，本文根据文献[6]结论，对于一般钢管柱偏安全按长度系数2.0选取，对于穿层柱，根据欧拉公式反算。在东塔大堂取消了楼板和梁，个别柱穿越两层，柱高度达到5.1+4.8=9.9m，而在结构底部柱受到较大轴力，合理的计算长度是正确计算穿层柱稳定承载力的关键。为了得到柱的准确计算长度，在需要分析的柱的上下端加上1kN的可变荷载，荷载方向沿柱轴向，同时，由于柱内轴力的影响，柱屈曲时的变形形状与有限元分析中的梁单元的位移模式有差异，应该将需要分析的柱子细分才能得到较为准确的屈曲因子。
5.3异形柱分析
在核心筒范围，由于填充墙只有200mm厚，如果采用普通规则柱，柱体往往凸出墙面，会占用一定室内空间，既影响建筑美观，又造成使用上的不便。为此，本项目角柱采用了异形的L型柱，边柱采用T型柱，都由H型钢和T型钢焊接而成，这种截面通过在H型截面弱轴焊接T型钢，增强了H型钢弱轴方向刚度，同时可以调整T型钢高度来调整弱轴方向刚度，使钢柱建筑布置更加合理和灵活。
文献[6]对单轴对称的T型钢柱的设计有详细规定，但对L型钢柱没有给出相关计算公式，国内多位学者对L型柱做了理论研究：王明贵等人[7]对异型钢柱的弯扭屈曲进行了研究;王萌等人[8]对钢异形柱L型截面进行了受力分析并提出了改进方案;本文通过对L型柱进行有限元分析确定其承载力，底层受力较大，层高较高，L型柱受力最不利，因此选取底层受力最大的一根柱分析，按两端简支模拟，提取钢柱受力较大工况下的内力，施加于钢柱上，按壳单元模拟，钢材采用Q345钢，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，钢柱大部分应力约为210MPa，仅端部应力集中，最大239MPa，小于295MPa的设计强度。实际设计时对L型柱与钢梁连接节点部位通过加劲肋加强，保证“强节点弱构件”的要求。
6结论
本文主要介绍项目设计中的一些特点和难点及应对措施，现总结如下：
⑴对于较大楼板应进行有限元温度应力分析，找到楼层温度敏感部位，通过增加温度钢筋加强楼板抗裂能力。
⑵钢结构设计中，柱的计算长度的合理选择对设计有较大影响，对于穿层柱应该根据实际边界条件通过欧拉公式计算其计算长度系数。
⑶规范关注水平荷载下的位移及位移角，但对于单边悬挑钢结构，竖向荷载下悬挑部位对悬挑所在楼层的水平位移及位移角远大于水平荷载，同时竖向荷载产生的水平位移加大了结构的重力二阶效应，设计中注意P-△效应的不利影响。
参考文献
[1]洪磊，张立平，徐卫.某商务中心悬挑桁架结构分析与设计[J].广东土木与建筑，2018，25(5)：15-18.
[2]高层民用建筑钢结构技术规程：JGJ99-2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.
[3]钢结构设计规范：GB50017-2003[S].北京：中国计划出版社，2010.
[4]建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[5]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：11.
[6]焦柯，吴桂广.超高层结构钢管柱计算长度的分析探讨[J].建筑结构，2013，43(S1)：418-421.
[7]王明贵，张莉若，谭世友.钢异形柱弯扭相关屈曲研究[J].钢结构，2006，21(4)：35~37.
[8]王萌，樊江，焦义.钢异形柱L形截面的受力分析与改进方案[J].科学技术与工程，2012，12(10)：2483~2486.
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