目前国内200m左右的超高层建筑主要采用框架-核心筒结构体系, 这种结构以核心筒为主要抗侧力体系。在保证建筑具有良好的使用功能与安全性的同时, 追求实现节能、节材、绿色环保任务的今天, 工程师们不断探索更加合理的结构体系应用于200m左右超高层建筑中, 深圳太平金融大厦作为一栋采用强外框结构的超高层建筑, 实现了建筑的合理功能。在此基础上, 本文对这种强外框结构体系做了系统化研究, 以便进一步推广应用。

　　 以深圳太平金融大厦为工程背景, 提出了强外框结构体系的概念。强外框结构形式是一种在超高层结构中仅布置框架外框筒而内部无筒体的结构体系。它与常用的超高层框架-筒体结构体系不同^[1,2,3], 其外框 (筒) 承受结构底部的水平剪力占总水平剪力的20%以上。强外框结构体系也可有极少的混凝土剪力墙;有时内部空间也可开洞, 边缘用框架围合。强外框结构体系与传统超高层筒体结构强调的内筒作用不同, 它强调的是外框作用;外框除了承受竖向荷载外, 更重要的是承担外荷载引起的水平剪力。强外框 (筒) 结构体系特点是任一层框架部分承担的水平剪力不小于结构底部总剪力的20%, 其中强外框结构为结构底部外框承担的水平剪力为总基底剪力的20%～50%, 强外框筒结构为结构底部外框筒承担的水平剪力为总基底剪力的50%以上。

　　 强外框结构形式为框架密柱形成筒的结构, 即采用密柱强梁形成的外筒结构形式。这种结构形式和传统的筒中筒结构的区别是采用密柱强梁框架代替了混凝土剪力墙形成的筒, 这就使建筑形成了更多的自由空间。

　　 在建筑功能方面, 强外框结构具有以下优点:1) 建筑平面布置更加自由;2) 建筑采光或者通风更加合理;3) 设备管道布置受结构的约束较少。

　　 在二道防线设计方面, 传统框架-筒体结构的屈服顺序为^[4,5]“筒体连梁-筒体-外框架”;而强外框 (筒) 结构的第一道防线为强外框 (筒) , 第二道防线为内部框架, 构件屈服顺序为“外框 (筒) 梁-外框 (筒) 柱-内部框架”。

　　 在结构受力及材料使用方面, 强外框结构的优点是把有限的材料应用于建筑外围承担倾覆力矩, 受力更加合理。

　　 因此综上所述, 强外框结构形式在超高层建筑结构中的应用, 能实现良好的建筑使用功能及合理的结构受力。无内筒超高层建筑结构形式的研究、应用与推广, 是超高层建筑建设实现节能节材的重要手段。

　　 选取3个算例 (EXP1, EXP2, EXP3) 研究影响强外框结构性能的主要因素。3个算例的结构平面尺寸均为50.4m×50.4m, 共50层, 每层层高均为4 200mm, 但3个算例的框架柱柱距不同, 柱距参数见表1, 标准层结构平面布置图见图1。3个算例初始的框架柱和框架梁截面均一致, 分别见表2和表3。

　　 通过分别改变EXP2和EXP3内外框柱截面尺寸和边梁截面高度, 研究结构的侧向变形能力变化趋势以及静力弹塑性分析下结构的主要指标变化情况, 结果见图2。

　　 梁柱截面变化范围是通过梁柱线刚度比确定的。若以24层梁与角部柱线刚度比为考察对象, 梁高为变化参数 (梁截面高度由1 100mm增大到1 300mm时) , 柱网尺寸为4.2m情况时梁柱线刚度比值由0.45增大到0.74, 柱网尺寸为6.3m情况时梁柱线刚度比值由0.30增大到0.49;若柱截面高宽为变化参数 (柱截面高宽由1 200mm增大到1 400mm时) , 柱网尺寸4.2m情况下梁柱线刚度比值由0.58减小到0.31, 柱网尺寸6.3m情况下梁柱线刚度比值由0.39减小到0.21。从以上结果可看出, 算例中梁柱截面尺寸参数变化后的梁柱线刚度比都小于0.75, 根据相关研究^[6], 梁柱线刚度比小于0.75情况下, 都能实现“强柱弱梁”的屈服机制。

　　 由图2可知, 同一轴网尺寸下, 内框梁柱截面尺寸变化对结构初始刚度的影响较小;外框梁柱截面尺寸变化对结构初始刚度的影响较为明显。

　　 同一轴网尺寸下, 改变外框边梁截面高度对结构刚度的影响比改变外框柱截面尺寸的影响稍大, 从节材角度看, 仅仅改变梁截面高度比同时改变柱截面高宽来改变结构刚度更节省材料。

　　 从梁柱线刚度比角度看, 增大梁截面高度, 梁柱线刚度比由0.34增大到0.74, 而增加柱截面尺寸时, 梁柱线刚度比由0.58减小到0.21, 可见, 虽然柱子截面尺寸增大, 但梁柱线刚度比相差太大, 整体刚度并未明显增大。因此, 在控制梁柱线刚度比不大于0.75条件下, 增大梁刚度, 特别是通过增加梁截面高度来增大梁刚度, 对结构整体刚度提升相对明显。

　　 图3 (a) , (b) 给出了不同外框柱截面和不同内框柱截面的结构塑性发展过程。从图3 (a) , (b) 计算结果可以看出, 框架柱截面尺寸的改变对结构整体推覆曲线影响较小。

　　 从图3 (c) 可以看出, 在梁柱线刚度比控制在小于0.75条件下, 增大外框边梁截面高度, 结构的屈服承载力有明显的提高, 同时也可以看出外框边梁截面高度改变对结构整体初始刚度有明显影响;而增大内框边梁截面高度 (图3 (d) ) , 结构屈服后的抗侧承载力有一定的提高, 但没有增大外框边梁截面高度的效果明显, 且内框边梁截面高度改变对结构整体初始刚度基本没影响。

　　 同时对比图3结果可以看出, 改变边梁截面高度, 结构在静力推覆下的承载力变化比改变柱截面的变化大, 这也说明了在柱网固定条件下, 可通过改变边梁截面高度来提供结构抗侧承载力 (保证梁柱线刚度比小于0.75) 。同时也可以看出, 改变外框边梁截面高度对结构承载力的影响比改变内框边梁截面的效果稍微明显, 也比增大柱截面尺寸效果明显。

　　 下面进行同等抗侧刚度下不同结构经济性和抗震性能比较。以满足深圳地区的设计条件 (7度0.1g, 50年一遇基本风压0.75kN/m²) 为前提, 通过调整结构内外框柱网尺寸, 研究结构在同样水平荷载作用下变形相当时, 不同柱网尺寸结构的经济性指标, 包含混凝土用量及钢筋用量, 以及其他结构变形及受力指标。在满足设计要求的基础上, 研究内外框柱网尺寸对结构抗震性能的影响。

　　 结构平面布置形式与图1中的3种标准结构平面布置形式一致。不同的是为了能在同等水平荷载作用下得到基本一致的最大层间位移角, 改变了3个算例结构的内外框框架柱的截面尺寸以及部分边梁的截面尺寸, 以便所有算例有基本相当的抗侧刚度。风荷载和地震作用下结构X向最大层间位移角见图4, 结构X向外框承担的剪力百分比见图5。

　　 在结构侧向刚度接近的情况下, 内外框都采用密柱强边梁框体结构时, 外框承担的剪力百分比约为63%;若外框采用密柱强边梁框体结构, 而内框采用稀柱框架结构时, 外框承担的剪力百分比约为74%, 此时内部框架承担的剪力百分比较低, 主要是起竖向承重作用;若外框采用稀柱框架结构, 而内框采用密柱强边梁框体结构时, 外框承担的剪力百分比约为45%。

　　 对于结构整体延性的分析, 本文采用Perform 3D对3个算例进行静力弹塑性推覆分析。图6给出了3个算例的基底剪力-顶点位移曲线, 同时给出3个算例的推覆过程, 推覆过程为梁首先达到IO性能水准, 接着柱达到IO性能水准, 最终以构件破坏导致结构分析不收敛而结束。从整体延性来看, 外框柱距为6.3m的结构延性最好。其次, 外框柱距越小, 结构从梁达到IO水准到柱达到IO水准之间的变形较小, 这样的结果可能导致结构整体或者局部出现脆性破坏。而外框柱距为6.3m时, 结构从梁达到IO水准到柱达到IO水准之间的变形较大, 结构耗能机制合理, 结构不仅能实现“强柱弱梁”的设计理念, 也能很好地达到整体延性较高的效果。

　　 同时, 对3个算例进行7度 (0.1g) 罕遇地震作用下动力弹塑性分析, 结果如图7所示, EXP1构件损伤最大, EXP3其次, 而EXP2最小。可见, 筒效应大的结构, 其构件损伤较小, 在同等侧向力作用下, 筒体效应小的结构其构件损伤较大。

　　 在满足设计要求且结构抗侧刚度比较接近的情况下, 强外框结构和强外框+强内框结构所用的材料量基本相当, 对比弱外框结构混凝土用量约节省20%, 钢材用量约节省3% (表4) 。可见, 强外框结构可释放建筑内部空间, 且能把抗侧材料用在结构最外围, 材料利用率相对较高, 结构整体延性适中。

　　 深圳太平金融大厦紧临深圳市民中心广场西南, 为超高层综合办公楼^[7,8], 塔楼地上48层, 地下4层, 结构高度为228m, 建筑面积约为13万m²。本结构体系不依靠钢筋混凝土墙构成的核心筒承重和提供抗侧力体系, 而是采用无内筒超高层型钢混凝土 (SRC) 强外框结构体系。建筑效果图及结构平面见图8, 9。

　　 外框设计为SRC密柱高梁形式, 柱距为4.2m, 在外框西侧和北侧为满足建筑景观通透要求, 部分柱距扩大为12.6m。通过整体结构的合理布置, 减少西、北侧外框与内框架之间跨度, 使外框仍具备强大的竖向承重能力和抗侧、抗扭及抗倾覆能力, 保证整体结构的安全和变形要求。

　　 为了作进一步比较, 将标准层结构平面布置调整为如图10所示, 模型2～4分别为不同平面布置情况, 其中模型3, 4采用剪力墙内筒结构。模型2相对原模型1在内框架中间加密柱子;模型3相对原模型1, 将内框中间段以一字剪力墙替代;模型4相对模型3抽掉了部分外框柱, 同时加大外框柱截面以满足轴压比要求。将模型2～4的变形、内力和材料用量等与原模型1的结果进行对比。

　　 不同模型在风荷载和地震作用下的层间位移角见图11。图11中风荷载作用下最大层间位移角相差18%以内, 而地震作用下最大层间位移角相差7%。表5给出了不同模型计算结果和材料用量的比较。由表5可知, 外框越强, 承受剪力越多, 抵抗水平力越有效, 造价越低。原模型1比另外3个模型用材节省4%～11.5%, 布置合理的“无内筒超高层SRC强外框结构”比常规内筒外框结构体系节材10%以上。

　　 (1) 在构件截面基本一致情况下, 轴网距离对结构初始刚度影响较大。同一轴网距离下, 内框截面尺寸对结构初始刚度的影响较小;外框截面尺寸对结构初始刚度的影响较大。

　　 (2) 分析结果表明, 改变外框柱截面对结构刚度影响显著, 从节材角度看, 仅仅改变梁截面高度比同时改变柱高度和宽度来改变结构刚度, 更节省材料。

　　 (3) 外框柱距较大情况下, 外框柱截面尺寸增大到一定程度或者外框边梁截面高度减小到一定程度后, 对结构延性有明显的提高。

　　 (4) 在强外框结构推覆分析过程中, 首先是内外框沿着推覆方向的边梁先屈服, 这个过程中, 外框边梁屈服的数量比内框的多, 随着侧向力加大, 内外框边梁进入塑性阶段的数量增加, 但此时柱尚未屈服, 侧向力继续增大, 框架柱开始屈服。可见, 该体系主要通过外框和内框一部分框架梁的逐渐屈服吸收地震能量, 各构件逐渐发展的多个屈服阶段, 成为该结构体系的多道防线。

　　 (5) 无论是静力弹塑性推覆分析还是动力弹塑性分析, 强外框结构都能实现首先梁屈服, 然后是柱屈服, 接着是梁破坏, 最后是柱破坏的破坏机制。

　　 (6) 强外框结构体系把有限的材料应用于建筑外围, 承担倾覆力矩, 受力更加合理。

　　 (7) 在深圳太平金融大厦中, 强外框 (筒) 结构体系比常规筒体结构节省材料, 约节省10%左右的钢材及混凝土用量。