［摘要］ 针对超高层建筑的特点，进行了结构体系的比选，比较了不同结构体系的技术经济指标。结果表明:混合结构体系造价比现浇钢筋混凝土结构高30%以上,且伸臂桁架对现浇钢筋混凝土刚度影响不显着结构。同时对梁、柱大偏心节点进行了分析和ABAQUS数值模拟。结果表明，按照标准公式计算的节点核心区抗剪强度满足要求，柱截面应力分布满足平面截面假设。节点区域梁、柱混凝土应力相差不大。偏心节点模型和非偏心节点模型的楼板均可与梁、柱配合使用。最后提出了无腋筋的大偏心节点的加固措施。
[关键词] 超高层结构；结构体系；选择分析；大偏心梁柱节点
0 前言
200m以上超高层公寓是公寓楼的发展方向之一。此类工程的主要特点是： 1）公寓内室内隔墙较多。同时，为了保证户型在室内装修阶段的适用性，尽可能采用次梁厚板结构体系，以上两个原因导致了结构自重（单位质量）单位面积包括恒载质量、活载质量和附加质量为17～21kN/m2），主体结构布置往往由刚重比、剪重比控制而不是层间位移角控制来确定; 2）由于边梁的宽度一般大于外墙的厚度，为了使边梁尽可能少地伸入室内，尽可能保证室内装饰效果，边梁必须尽量与框架柱的外缘齐平，导致梁与柱之间的节点有较大的偏心； 3）建筑平面往往较小，导致长宽比较大，结构整体刚度较低。本文以某层高240m的公寓为例，分析其方案选择等关键问题。
1 项目概况
武汉华侨城项目T7塔（图1）地上64层，大屋面标高241m，框架层标高259m，裙房4层，屋面标高15.9m，总建筑面积约73000平方米。主要功能为公寓，一至二层为商业，一层层高6m，二层层高5.5m； 3至4楼为健身中心，层高4.5m； 5层至64层除13层外，除26层、39层、52层外，其余楼层为公寓，层高为3.6m。第13、26、39、52层为避难层和设备层，层高4.5m。塔体平面尺寸为34m×29.5m，核心管尺寸为17.7m×13.1m，核心管X方向高宽比为13.6，Y方向高宽比为13.6
为18.4，高度规定[1]建议不超过12；图2和图3中的结构高宽比，单位面积质量为17～21kN/m2。外框柱间距为8.2、4.65、11.8m。该塔地下4层，主要功能为商业、停车场、设备用房。
基底周围土层主要为粉质粘土（地基承载力特征值fak=210kPa）、强风化粉质泥岩（fak=450kPa）和风化粉质泥岩（岩石地基承载力特征值fak=900kPa）。基础持力层为缓和泥质粉砂岩（fak=2000kPa）。
塔楼设有局部裙房，通过设置抗震缝与整体商业裙房隔开。塔楼采用现浇钢筋混凝土框架（部分楼层为钢筋混凝土框架柱）+钢筋混凝土核心筒体系。基础采用筏板基础，基础埋深约24m。基础平面布置见图4。
2 主要设计荷载
结构效应包括自重、二次恒载、活荷载、雪荷载、风荷载、地震作用等。
二次恒载包括建筑物表面重量、吊顶重量和隔墙重量。隔墙的输入方法为：对于梁上的隔墙，根据实际情况布置梁上的线荷载；对于地板上的隔墙 将所有隔墙的重量平均分配到相应的地板网格上。与按其实际位置采用线荷载法计算楼板上的隔墙相比，上述隔墙输入法对楼板的配筋影响很小（小于5%），且更为简单和方便。直觉的。图5显示了均匀分布的二次恒载，梁上的分区线荷载未显示。
Rowan Williams Davies & Irwin Inc. (RWDI) 工程咨询公司提供了该结构在各种工况下的 50 年围护结构等效静风荷载。风洞试验中24个工况下结构的层间位移角、层间剪力和倾覆力矩均小于荷载规范计算[2]、结构计算分析得到的相应结果风荷载根据荷载规范计算[2]。屋面结构地面粗糙度为B类；构件承载力设计采用50年一遇风压0。35kN/m2，承载力设计按其1.1倍，即0。385kN/m2；结构变形计算 取50年重现期风压为0. 35kN/m2，阻尼比为
0. 05;舒适度计算，10年重现期风压为0。25kN/m2，阻尼比为0。02；风荷载类型系数考虑风相互干扰群效应系数1. 1，风荷载类型系数为1. 1 × 1. 4 =1。 54；考虑横向风振和扭转风振[2]。
抗震设防烈度为6度，基本设计地震加速度值为0。05g，设计地震分组为1组，场地类别为II类。整体计算中等效阻尼比取0. 05。小震、中震、大震的地震运动参数分别按照地震运动参数区划图[3]和抗力规定[4]进行包络，如表 1所示。反应谱地震影响系数曲线不再变化6秒后变成一条平坦的直线。
3 结构分析
建筑结构核心筒外墙、框架柱、框架梁等关键构件安全等级为一级，其他构件（楼板次梁、楼板、连梁）安全等级为二级；关键构件的结构重要性系数为1.1，其余构件取1. 0。由于1至3层与商业裙房相连，且商业裙房建筑面积超过17000m2，因此符合商业裙楼并被选为重点设防类别。按抗震设防烈度7度采取抗震措施。 ，钢筋混凝土框架及核心筒的抗震等级为一级； 4层及以上为标准工事，按6级采取抗震措施，钢筋混凝土框架及核心筒抗震等级为二级。
4 结构选择
4. 1 结构系统选型
根据建筑方案，结构体系选择主要比较四种可行方案：方案一、圆形混凝土钢管柱+钢梁+钢筋混凝土核心筒；方案一、圆形混凝土钢管柱+钢梁+钢筋混凝土核心筒；方案2、方形混凝土钢管柱+钢梁+钢筋混凝土核心管；方案3、圆钢管混凝土柱+钢筋混凝土框架梁+钢筋混凝土核心管；方案4、钢筋混凝土柱+钢筋混凝土框架梁+钢筋混凝土核心筒。四种结构体系主要部件尺寸如表2所示。
四种结构体系的关键指标如表3所示，可见各方案均能满足规范要求。方案一、方案二采用低刚度钢梁，钢梁与核心筒之间采用铰接连接。结构整体刚度较小，需要设置较多的支腿桁架才能满足结构刚重比和剪重比的要求。方案一和方案三均使用大量钢材，且存在边梁不能与柱边平齐的问题，影响室内装修效果。
问题。仅从成本角度来看，方案4分别比前三种方案便宜32%、46%、6%，具有显着的价格优势。因此，本项目最终选择方案4作为实施方案。
4.2 增强层设置
虽然本工程层间位移角略高于规范限值，但结构自振周期已达到或接近6s。与同等高度的超高层建筑相比，层间位移角较小，但周期较长，说明结构过重。如果结构过大而刚度过小，在建筑方案已确定的前提下，可通过增设加强层来增加结构刚度。以4.1节方案4为基本方案，进一步比较增设加固层对结构体系的影响。
本项目13层、26层、39层、52层为避难层和设备层。为保证建筑立面效果，Y方向仅设置两根支腿桁架（断面H700×400×20×40）。设置腰部桁架和支腿设置如图6所示，结果对比见表4。
由表4可见，支腿桁架的设置对层间位移角和刚重比影响稍大，但对周期和剪重比影响最小。如果安装支腿桁架，在39层（约占总高度的60%）加第一个支腿的效果比在52层（约占总高度的80%）加第一个支腿的效果要好。前者对层间位移角影响稍大。然而，支腿桁架的安装对结构整体参数的影响很小，在3%以内，而支腿桁架会对施工周期产生很大的影响[5]，进而对结构的性能产生很大的影响。投资[6]。综合考虑建筑的使用功能影响，选择不设置支腿桁架。
5 梁、柱大偏心节点有限元分析
根据高规[1]6.1.7的要求，当梁、柱中心线之间的偏心距大于该方向柱截面宽度的1/4时，应采取附加梁的水平吊伸措施。通过了。但在超高层公寓中，考虑到腋加件会影响室内装饰效果，需要保证梁、柱边缘齐平，因此本文对该节点进行了分析和数值模拟。
5.1 梁柱节点选择
为了检验梁柱节点在地震作用下的受力性能和损伤情况，选取结构底角受力条件复杂的梁柱偏心节点进行详细分析，即②轴线所在的钢柱。与图 2 中的 B 轴相交。
5.2 标准公式计算
根据复合结构设计规范[7]第6.6条，对所选节点的核心区在大地震作用下进行校核。所选节点典型楼层计算结果如表5所示。
从表5可以看出，Vj2/Vj1和Vj4/Vj1的值均大于1.0。根据组合材料结构设计规范[7]的公式验证结果，节点核心区抗剪性能满足要求。顶层节点的抗剪承载力较大，底层节点的抗剪承载力较小。考虑建筑功能因素，底层1至4层商业、健身楼层适当加宽框架梁，并设置接缝腰部。
5.3 有限元模型建立
为了进一步研究偏心对梁柱节点性能的影响，利用ABAQUS软件建立了偏心和非偏心梁柱节点三维实体精细有限元模型。节点有限元分析模型下柱长度取至框架柱拐点处。上柱应为柱高的1倍，框架梁的长度应为梁跨度的1/3～1/2。有限元分析时，梁柱节点区域按弹塑性模型考虑，混凝土采用弹塑性损伤模型，钢筋、型钢采用弹塑性双线模型；接缝区域外的楼板和框架梁按弹性模型考虑。另外，钢筋混凝土柱、钢筋混凝土梁的配筋设置均按YJK小震计算。采取二层钢筋柱。配筋图如图7所示。柱混凝土强度等级为C60，梁、板混凝土强度等级为C30。
梁柱偏心节点和非偏心节点的有限元模型分别如图8（a）和图8（b）所示。
(1)具体单位
混凝土单元采用C3D8R实体单元。材料本构采用ABAQUS提供的损伤塑性（Concrete Damage Plasticity）模型，根据《混合规程》附录C2.4给出的公式计算确定材料参数[8]。
根据抗倒塌设计规范[9]第5.4.4条，结合混凝土压应力应变曲线（图9）和混凝土破坏过程[10]，采用混凝土峰值压应变εcr除以混凝土的压应力。损伤程度及其关系见表6、表7。混凝土压缩应力-应变曲线上的A、B、C、D、E 5个特征点标志着压缩阶段的不同性能。各特征点含义如下： A点为比例极限； B点为内部裂纹的发生。 ; C点为峰值应力； D点是裂纹的发生和剥落的开始； E 点是裂纹发展并贯穿截面的情况。
混凝土应变与混凝土损伤系数Dc之间存在对应关系，因此混凝土损伤程度可以用混凝土损伤系数Dc来表征[10]。混凝土损伤程度与相应Dc值的关系见表8。
(2) 螺纹钢单位
钢筋单元采用T3D2空间杆单元，仅承受拉压作用。材料本构采用双折线模型[8]。通过EMBEDED命令将钢筋插入混凝土中，不考虑钢筋的粘结滑移。模型中没有考虑额外的吊杆，这太安全了。
(3)负载
节点模型的外荷载根据YJK大地震非屈服计算计算出的构件内力确定，如表9所示。荷载控制条件为1. 0×恒载+0. 5×活荷载 - 1. 0 × Y 方向地震作用。
4）约束条件
解析模型约束楼板横向位移，柱底固定约束，如图8所示。
(5) 装载
有限元分析使用 COUPLING 命令在组件加载表面上应用点载荷。
(6)模型网格
节点有限元网格模型如图10所示。
5. 4节点计算结果
采用偏心节点和非偏心节点两种有限元模型计算得到的节点位移云图如图11所示。偏心节点最大位移为5mm，非偏心节点最大位移为5.1mm，两者均为发生在框架梁的自由端。 。
偏心缝区混凝土最大冯米塞斯等效应力为26. 8MPa，非偏心缝区混凝土最大应力为26. 4MPa。均发生在梁柱交叉区域，如图12所示，小于C60混凝土抗压强度标准值38. 5MPa。接缝区域混凝土压应力及损伤云图如图13、图14所示。大部分混凝土未损伤，仅少数应力集中位置出现压损伤。其中，偏心接头
接头最大压缩损伤系数达到0. 093 5，非偏心接头最大压缩损伤系数达到0. 11。两接头接头区域钢筋和型钢的塑性应变为0，关节区域完好，处于弹性状态，如图所示。 15.
节点核心区楼板应力云图如图16所示，从图中可以看出，无论是偏心节点楼板还是非偏心节点楼板均能与梁、柱相互作用对框架梁的轴力有一定的扩散作用。有偏心缝的楼板最大应力为4。5MPa，无偏心缝楼板的最大应力为8。9MPa。
另外，图17示出了柱截面的应力分布（以箭头的形式给出了柱截面的应力方向和大小）。从图中可以看出，主体单元的截面应力分布满足平面截面假设，即整体计算分析时管桁架钢结构吊顶构造，采用框架、柱、梁单元进行模拟是合理的。
5.5 节点建设措施
根据5.2节组合结构设计规范[7]的公式计算结果和5.4节的数值模拟结果可以看出，大偏心节点对于柱和梁都是可靠的。但考虑到偏心率较大，节点应采取必要的结构加固措施。因此，在楼板边界和框架柱范围内管桁架钢结构吊顶构造，设置较大直径的贯通水平杆，形成与柱断面高度相同的暗梁，以控制柱断面扭转。 ，见图 18。
6 结论
（1）6度区超高层结构体系中，圆钢管（方钢管）混凝土柱+钢梁+钢筋混凝土核心筒结构体系造价比现浇高出30%以上现地钢筋混凝土结构。
(2)对于刚重比和剪重比控制的长周期超高层建筑，支腿桁架的作用并不显着。
(3)大偏心梁柱节点能够满足节点核心区的剪力承载力要求，柱截面应力分布满足平面截面假设。节点区域梁、柱混凝土应力相差不大；偏心节点模型和非偏心节点模型的楼板均能与梁、柱相互作用，对框架梁的轴力有一定的扩散作用。
参考
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011。
[2]建筑结构荷载规范：GB 50009-2001[S]。 2006年版。北京：中国建筑工业出版社，2006。
[3] 中国地震运动参数区划图：GB 18306-2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015。
［4］ 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010［S］． 2016年版。北京：中国建筑工业出版社，2016。
[5]王大水，鲍连金。我国超高层建筑结构的发展与前景[J].建筑结构，2019，49(19)：11-24。
[6]王大水，周建龙，鲍连金。超高层建筑结构经济性探讨［J］.建筑结构，2012，42(5)：1-7。
[7]组合结构设计规范：JGJ 138-2016[S]。北京：中国建筑工业出版社，2016。
[8] 混凝土结构设计规范：GB 50010—2010［S］． 2015年版。北京：中国建筑工业出版社，2015。
[9]建筑结构抗倒塌设计规范：CECS 392：2014[S]．北京：中国规划出版社，2014。
[10]穿越镇海，施旭东．钢筋混凝土原理与分析［M］．北京：清华大学出版社，2003。
