合银广场大厦的钢结构与工程实例

1.建筑概况

广州市于2000年建成的合银广场大厦，地面以下4层，地下室底板面标高为-16.3m；地面以上56层，屋面标高为208m，屋面以上另有小塔楼4层，顶面标高为221m。地下室为停车场，地上1～10层为商场、餐厅，第11、27、42层为避难层，第12、28、43层为设备层，其余楼层均用于办公。本工程按7度进行抗震设防。

大厦的建筑平面近似梯形，长向为56.3m，短向的两条边长分别为24.4m和43m。大厦中部的高宽比，长向和短向分别为3.8和6.3。

2.结构体系

根据建筑物的使用功能分区和楼面布局，大厦主体结构采用型钢混凝土芯筒-钢管混凝土框架体系。楼面中心部位设置由纵向和横向型钢混凝土墙体组成的芯筒；楼面外圈采用由钢管混凝土柱与钢筋混凝土梁构成的框架，纵向柱距为8.6m，横向柱距为7m和11.25m。大厦典型楼层的结构平面见图5-159a。

作为大厦主要抗侧力构件的芯筒，平面尺寸较小，芯筒的横向高宽比值达到17.5，抗推刚度显然不足。为了加强芯筒与框架的整体性，使外圈各框架柱均能更充分地参与抵抗倾覆力矩，以减小结构的顶点侧移和最大层间侧移，分别于大厦的第11、27、42层，顺芯筒横墙方向设置4棍整个楼层高的伸臂钢桁架，与对应框架柱连接，形成刚臂；并沿外围框架周圈设置整个楼层高的钢桁架，形成环梁。图5-159b为该三个楼层的伸臂钢桁架与外圈钢桁架的平面布置。图5-160为大厦的结构剖面。

图5-159 广州合银广场的结构平面

a）典型层 b）加劲层

3.构件及节点设计

（1）外圈框架柱的钢管采用Q345A级钢，钢管的最大截面尺寸为φ500mm×24mm，最小尺寸为φ800mm×10mm。各楼层框架柱所用钢管的具体规格列于表5-54。

（2）钢管内灌筑高性能混凝土，其强度等级：从基础面至第12层，为C70；第13层至屋面，为C60～C45。配制混凝土时，掺入磨细矿渣和Ⅰ级粉煤灰的复合粉及高效减水剂，水灰比控制在0.38～0.42，坍落度约为22cm。

（3）钢管混凝土柱与钢筋混凝土框架梁的连接，在比较分析了变宽度梁节点、上下加强环板节点、双梁节点、环梁节点等多种节点形式后，最后决定采用施工比较方便的钢筋混凝土“环梁节点”（图5-161）。环梁截面宽度等于框架梁截面宽度，环梁截面高度等于框架梁截面高度加50mm，环梁顶面钢筋取框架梁端顶面钢筋的0.7～0.8倍；另在钢管柱外表面贴焊两道环形钢筋，以传递梁端剪力。节点模型在低周往复荷载作用下的试验结果表明，破坏面发生在框架梁与环梁的交界处，先是梁端纵向钢筋屈服，最后是环梁发生破坏；但4个试件均未发生剪切破坏，表明钢管壁外环形钢筋与环梁接触面混凝土的局部承压强度足够。试验数据还指出，环梁节点具有良好的塑性变形能力和较大的耗能容量，4个试件的位移延性系数，最小为3.9，最大达到12。

图5-160 广州合银广场大厦的结构剖面

表5-54 各楼层框架柱的钢管截面尺寸 （单位：mm）

图5-161 钢管混凝土柱的钢筋混凝土“环梁节点”

（4）为控制芯筒剪力墙的轴压比不大于0.6，第13层以下，在芯筒的各个墙肢内设置型钢暗柱（图5-162）。芯筒墙体的厚度，由底部的900mm或1200mm向上逐段减小至顶部的500mm或600mm。浇筑芯筒墙体的高性能混凝土的强度等级，20层以下为C60，21层以上为C55～C45。墙内型钢暗柱采用Q345A级钢板拼焊成的方形钢管，截面外包尺寸为600mm×600mm，壁厚由底部的24mm变化至13层的10mm。

4.伸臂钢桁架(www.xing528.com)

图5-162 芯筒内型钢暗柱的平面布置

（1）第11、27、42层等加劲层内的伸臂梁和外圈环梁，若采用实腹式钢筋混凝土梁，由于它的巨大剪切刚度，一是形成刚性层，使该楼层抗推刚度远大于上、下楼层，造成楼层刚度突；二是因为该层外圈环梁巨大剪切刚度而承担该楼层剪力的很大一部分，使上层芯筒所承担剪力的一大部分，要通过该层楼板传递至加劲层的外圈环梁，然后再通过加劲层的楼板回传至芯筒，使加劲层及其上、下层的楼层剪力在芯筒和外圈环梁之间的分配出现大幅度的波动。此种现象对于需要抗震设防的高楼是很不利的。所以，本工程各加劲层的伸臂梁和外圈环梁全部采用钢桁架，在同样具有很大竖向刚度的同时，水平剪切刚度要减小很多，避免了加劲层上、下楼层的层间刚度的突变。

（2）三个加劲层的伸臂钢桁架均采用华伦式桁架（图5-163），其上、下弦采用焊接方形钢管，其截面尺寸分别为400mm×800mm×30mm和400mm×600mm×25mm，斜腹杆也都采用400mm×500mm×22mm焊接方形钢管。伸臂钢桁架两端与外框架的钢管混凝土柱和芯筒墙体内型钢暗柱的连接，均采取刚性连接。因为14层以上芯筒的各个部位未设置型钢暗柱，所以，于第17、42层两个加劲层及其上、下各一层，在芯筒墙体与伸臂钢桁架相连的部位，增设型钢暗柱。

图5-163 加劲层伸臂钢桁架的杆件截面和连接节点

（3）加劲层的顶面和底面楼板，即伸臂钢桁架上、下弦处的现浇钢筋混凝土板，加厚为180mm，加劲层上、下各一层的楼板也适当加厚为150mm。此外，与伸臂钢桁架相连的剪力墙水平钢筋也适当加强。

（4）为了减弱重力荷载作用下钢管混凝土柱与芯筒钢筋混凝土墙体不等压缩量在伸臂钢桁架中引起的附加应力，设计图上注明，待主体结构封顶时再将钢桁架腹杆的连接完全焊透。

5.结构分析结果

（1）本工程采用SATWE、TAT、TBSA5.0等多种程序对大厦结构进行风荷载或地震作用下的弹性分析，计算结果表明满足规范要求，各项具体数值列于表5-55和表5-56。

表5-55 广州合银广场大厦的自振周期 （单位：s）

表5-56 风、地震作用下合银广场大厦的结构分析结果

（续）

（2）对于大厦设置加劲层的效果也进行了对比分析，地震作用下，未设置加劲层时，x方向结构的最大层间侧移为1/510，设置三道加劲层后，最大层间侧移降为1/630。其他各项对比指标也列于表5-56。

（3）本工程还委托清华大学运用“层模型”弹塑性地震反应时程分析程序TAMS，对大厦结构进行7度设防罕遇地震作用下的弹塑性有限元分析。按照所选地震波应与设计反应谱在统计意义上一致的选波原则，选用了建筑场地人工波、Taft波、El Centro（EW）、（NS）波，并将地震波的峰值加速度调至大震时的数值2.17m/s²。地震持时：人工波，取20s；实测波，取30s。

弹塑性时程分析的主要结论是：①人工波作用下，最大层间侧移角为1/280，发生在第56层，顶层为1/410；三条实测波作用下的最大层间侧移角发生在顶层，分别为1/66，1/88，1/136；②杆件屈服主要发生在梁端，虽有少数柱端屈服，但没有形成同一楼层所有竖向杆件两端均屈服的倒塌机制；③各条波作用下的层间位移“延性比”都不太大。说明，在罕遇烈度地震作用下，结构总体上是安全的。