第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 高层建筑大跨度拱架结构设计 罗赤宇陈星林景华张小良 （广东省建筑设计研究院.
广州510010） 提要：本文提出高层建筑大跨度拱架结构的概念，闸述了拱架结构在多个项目中应用的关键技术及研 究分析重点，着重介绍了广州报业文化中心采用的钢筋混凝土筒体支承的钢管混凝土拱架结构的设计特 点及专项分析.
关键词：高层建筑大跨度拱架结构混合结构稳定分析 0引言 拱是一种主要承受轴向压力并在竖向荷载作用下产生水平推力的曲线或折线形构件.
拱结构由 于推力的存在，拱的弯矩比同跨度、等荷载的梁的弯矩要小得多，能够充分发挥构件的抗压承载能 力，是一种高效的结构，因此广泛应用于大跨度空间结构及桥梁结构中.
拱结构设计中重要的环节 是解决拱水平推力的问题，不同的跨度、矢跨比及荷载的结构可根据实际情况采用不同的结构处理 方法，拱脚支座应采用传力可靠、连接简单的构造形式”.
大跨度拱结构可利用地基基础或两侧框 架结构直接承受水平推力，也可利用拱脚拉杆平衡水平推力.
高层建筑抗震概念上要求竖向体型宜规则、均匀，结构侧向刚度宜下大上小，结构承受的水 主体结构中.
随着建筑造型的创新，更多大跨度的连廊或连体结构产生，由于桁架的腹杆对建筑空 间影响较大，在某些情况下常规的桁架结构已不满足建筑空间的要求：面作为一种造型关观的结构， 解决好抗震性能及拱脚推力等关键问题，经典的拱结构也能应用于建筑的主体结构中.
2工程应用 高层建筑结构在地震及风荷载作用下承受较大的水平力，而拱架结构应用于高层建筑主体结构 中更要合理解决拱脚推力对结构产生的附加水平力间题.
结构设计上可利用拱脚拉杆承受拉力而形 成自平衡体系，拱结构以滑动支座的方式与两侧结构形成弱连接：而采用两侧多跨框架及剪力墙结 构承受推力而形成刚性连接的整体拱架结构，则更能满足结构的整体刚度及抗震性能的要求.
近年 来，根据不同工程的建筑空间需求及技术特点，广东省建筑设计研究院已在多个高层建筑项目上进 行了大跨度拱架混合结构的设计与应用研究.
2.1名盛广场A区 名盛广场位于广州市北京路，由于项目A区建筑需跨越市政道路，形成45米跨度承托4层的大跨 度转换结构，设计上首次将桥梁拱架结构应用于建筑中（图1）.
拱架结构高度为28.2m，矢跨比为 作者箭介：罗秀宇，1972年5月出生，男，碳士，教授级高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 1/2.25，两福拱架间距离为15m，两侧再悬挑4m，平面尺寸为50m×23m（图2）.
抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为乙类.
结构设计利用两个电梯筒及设置加强横墙的双钢管混凝土组合柱作为竖向支承结构，并同时承 受大部分的拱脚推力：支承结构间混合结构拱架的拱肋采用截面为1175mm×1000mm的带约束拉杆矩 形钢管混凝土构件：拱架结构拱脚设在二、三层楼面标高处，以二、三层平面中内设预应力钢铰索 的钢箱梁作为拱架的拉杆，平衡部分的推力，其中二层钢箱梁截面为1175m×1500mm，三层截面为 1175mm×800mm，均采用厚度小于30mm的钢板，梁截面高度均能满足建筑使用要求：各层楼盖结构 以466mm×466mm方钢管及预应力钢铰线悬索拉吊于拱架上，与拱体和拉杆形成大跨度拱架结构：由 于拱的作用可使大跨度结构成为现实，同时由于各构件组合面成的巨型框架又可成为稳定的结构体 系，可承受各种使用荷载及外部作用，预应力钢较线悬索的采用则较好地解决了吊杆传力不明确的 问题并使结构的挠度得到了有效的控制.
范形钥管乳凝士棋架 楼层钢果 拉索吊杆 0006 剪力墙 内设预应力射收素的据着柔 双钢管耗获土组合柱 45000 图1钢一混凝土组合拱架结构 由于类似的结构在国内外应用较少，为了确保结构的安全及计算的准确型，计算上采用了 SAP2000、ETABS及ANSYS等程序对结构进行了较深入的分析，并进行了结构模型试验（图3）.
试 验表明拱架模型的承载力及变形能力满足设计要求，拱肋可起到很好的压力传递作用，由于拱顶竖 向荷载主要通过吊杆传递，吊杆节点及节点区的下翼缘腹板是结构的薄弱部分，需采用措施改善其 受力性能.
参考结构试验的数据，在对包括地震作用、风荷载及施工因素等各种可能出现的工况 组合进行详细分析后，针对性地采用了加厚节点板及吊杆内置拉索等措施进行结构薄弱部位的构造 加强.
根据工程完工后的结构变形实测资料，拱架最大挠度小于1/800，符合规范及使用的要求.
5000 铜板剪力境 炖形树管乳疫土棋架 双朝管湿凝土组合柱 内流预应力钢位需的钢箱梁 s666 8000 8160 6000 10045 5000 图2二层结构布置图 图3拱架结构试验
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2.2广州报业文化中心1号连廊 广州报业文化中心位于广州市海珠区，项目中的1号连廊主要功能为餐厅及培训室，屋面为花 园（图4）.
连廊结构高度为30.2m，结构跨度为76m，平面长宽比为7.6，支座筒体的高宽比为4.2， 连廊靠两端支座筒体支承，属于特殊类型的超限高层建筑.
工程抗震设防烈度为7度（0.1g），设 计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为丙类.
综合考虑结构体型特征、受力特点及建筑功能与外观等因素，通过对连廊结构选型进行方案比 选，结构设计最终确定采用钢筋混凝土筒体支承的大跨度拱架混合结构体系（图5），拱架矢跨比 约为1/5.
与常规的桁架方案相比较，本工程采用拱架结构具有如下优势：1）结构简洁合理，传力 路径更清晰：2）对建筑使用空间的影响小（尤其是5-6层）：3）结构经济性较好，桁架方案的初 步统计用钢量（不含钢筋）约为1000吨，而拱架方案则约为800吨，可节省约20%的钢材用量.
连廊主体结构由两侧筒体、拱架与楼盖主次梁钢结构组成，楼板采用钢-混凝土组合楼板.
拱肋 采用矩形钢管混凝土构件，截面为1100×600mm，主要框架梁截面为箱形梁700×600×25×25mm（内 置预应力索的拱底拉杆）、H750×350×20×25mm及H600×300×16×18mm.
楼盖设水平斜撑以加 强楼盖刚度，支座筒体内部及及其相连的一跨连廊端部楼板板厚为200mm：连廊中部其余楼板板厚 为120mm（采用LC30轻质混凝土）.
为提高支承筒体的抗剪承载力及确保节点的内力传递，两侧筒 体内置型钢框架及斜撑（图6）： 图4连廊效果图 图5连廊计算模型图 换阳箱节点 内设预应力拉常的钢量 调读质量阳范器 内置铜骨支排剪力墙 内置钢晋文撑剪方墙 图6拱架结构示意图 2.3赫基国际大厦 赫基国际大厦位于广州市琶洲，由于建筑功能的需求，塔楼与裙楼连成整体，并在塔楼与裙楼 之间形成跨度40m的大跨度连体结构.
主体结构高度为178.8m，塔楼采用框架一核心筒结构体系 （图7）.
工程抗震设防烈度为7度（0.1g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 类别为乙类.
考虑到连体跨度较大且建筑空间要求较高，经结构方案比选，确定采用传力合理又能最大程度 满足建筑使用功能的拱架结构，在三层与五层间设置钢-混凝土混合结构跨层拱架.
本工程拱架连 体结构与塔楼及裙楼连成整体，拱架顶结构高度为24.5m，矢跨比约为1/2.5，拱脚推力除通过两侧 结构承受外，拱架底部两层拉杆同时施加预应力以减小附加水平作用.
支承柱及拱肋均采用抗压承 载力高的矩形钢管混凝土构件，柱截面为1600×1200×50×50mm，拱肋截面为1000×1000×40× 40mm.拱架范围采用钢梁及组合楼盖，竖向吊柱及拱架底部两层梁存在受拉情况，均采用设置预应力 拉索的箱形钢构件.
为保证整个转换结构体系的侧向稳定性，各层平面设置了间距约2.5m的密肋梁，梁与拱架转换 构件采用刚接，拱架外侧设置了两道平面支撑，支撑与梁较接（图8）.
在楼盖构造方面，连体结 构楼板加厚为150mm，拱架GJ与各楼层梁板相交处局部区域加厚为200mm，并提高各层楼板的顺连 体跨度方向的通长板筋配筋率.
拱架各层平面的加强措施既满足了外跨悬挑及楼盖各种工况受力的 需要，又增强了结构的整体刚度.
考虑到转换构件的重要性，拱架中的关键构件均按中震弹性设计， 拱肋及支承柱同时需满足大震不屈服的抗震性能目标要求.
AF PBC1 PBC2 1021 GL1 GDZ1 21 连体部位 PBC2 图7结构模型示意图 图8 拱脚楼层结构布置图 3研究及计算分析 大跨度拱架结构的受力特点与常规的高塔式高层建筑不同，设计及分析中需要安全合理地解决 结构的抗震性能、整体稳定、拱架推力及楼盖舒适度等关键问题.
本文以广州报业文化中心的1号 连廊为例，针对两端钢筋混凝土筒体支承的钢管混凝土拱架这一特殊的结构体系，在常规结构分析 及研究的基础上，通过不同计算分析手段针对拱架结构进行了特殊的专项研究与分析.
3.1结构整体分析概况 拱架结构整体分析计算以《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3一2010）为主要依据，地震 作用计算参考场地地震安全性评估报告，小震计算取规范与安评报告的包络值，中震与大震计算按 规范的参数.
风作用分析时按广州市重现期为100年的基本风压0.6kN/m²考虑，地面粗糙度类别为
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 B类.
整体计算选用MIDAS/GEN作为弹性分析软件，PKPM-PMSAP作为复核分析软件.
针对结 构形式的特殊性、重要性，为充分考虑各种情况对结构受力特性的影响，计算分析过程中进行了多 项对比工作，如带地下室与不带地下室模型的对比、有楼板与无楼板的对比、楼盖平面内有斜撑与 无斜撑的对比、拱底拉杆施加预应力与不施加预应力的对比等.
整体分析主要结果如表1所示.
表1整体结构分析结果 计算软件 MIDAS/GEN PMSAP 计算据型数 360 36 结构总质量/t 10533 10862 第1.2阶平动周期 T;=0. 60s T;=0. 46s T;=0. 67s T=0. 48s 第1阶扭转周期 T =0. 33s T =0. 36s 基底剪力/kx x向地震 4820 4203 Y向地震 4593 4147 剪重比 X向 4. 6% 3.9% Y向 4. 4% 3. 8% 倾覆力矩/（kNn） x向地震 115903 101542 Y向地震 114289 101953 X向风 <1/20000 (4F) <1/20000（4F) 最大层间位移角 Y向风 1/6981 (4F) 1/12132 (4F) （层号） X向地震 1/5245 (5F) 1/5432 (6F) Y向地震 1/2229 (6F) 1/2405 (7F) 考虑偶然偏心最大扭转 X向 1. 356 (6F) 1. 563(7F) 位移比（层号） Y向 1. 691 (6F) 1. 634 (5F) 3.2整体稳定性分析 本项目拱架结构的整体稳定性验算主要针对拱肋进行弹性屈曲分析，采用MIDAS/GEN、PMSAP 软件，暂未考虑结构初始缺陷及材料非线性，并对楼板、水平斜撑对结构整体稳定性的贡献进行对 比及评价，MIDAS/GEN模态分析结果如图9所示，其中N为稳定安全系数. 第一模态（N=25.3） 第二模态（N=25.8) 第三模态（N=27.6) 图9拱架结构稳定分析 为了对比研究楼板、水平斜撑在结构整体稳定性上的贡献，分别建立三个对比模型：模型A（无 楼板-无水平斜撑）、模型B（无楼板-有水平斜撑）、模型C（有楼板有水平斜撑），各自进行结 构弹性屈曲分析，对前三阶屈曲模态的稳定安全系数N进行对比，具体结果如表2. 表2楼板及水平斜撑对拱肋整体稳定性的影响 稳定安全系数N 对比模型 第一阶屈曲 第三阶届曲 无楼板 无水平斜撑 6.0 7.1 8.9 有水平斜撑 16.3 16.3 22.3 有楼板有水平斜撑 25. 3 25.8 27.6
