跟着冶炼手艺的朝上进步，超高强度钢筋（HRB500、HRB600）以及超高强度钢材（Q420、Q460、Q690）已具备在构造中利用的前提，但在现实工程中大规模利用的案例较少。本文以中信大厦超高层建筑为案例，摘用超高强钢筋和超高强钢的计划停止阐发，并与现有施行计划停止比照，研究超高强钢在高烈度区超高层构造中利用的可行性。详细而言，阐发了小震工况下，超高强度钢筋和超高强度钢材在钢管混凝土巨柱加斜撑-钢板混凝土剪力墙的筒中筒的构造系统中等强度替代时，对构造整体性能的影响。统计了筏板、桩根底、钢管混凝土巨柱、斜撑、钢板剪力墙中钢材的用量改变。计算了大震工况下，素材替代匹敌震性能的影响。摘用间接阐发应力比掌握法，针对典型巨柱截面停止阐发。颠末阐发，摘用超高强度钢筋和超高强度钢材，可使构造在称心小震和大震抗震性能要求前提下，大幅削减用钢量。因标准中钢构件宽厚比限值对超高强钢构件厚度有较大影响，比照了中国、美国、欧洲标准，整体来说处于不异量级。典型巨柱截面间接阐发成果和理论计算吻合，需共同构件试验进一步验证。美国标准中根据延性品级要求调整宽厚比要求的办法，为超高强钢替代素材时摘用更为宽松的宽厚比限值供给了参考和借鉴根据。
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中信大厦工程概略
1.1 构造系统
中信大厦塔楼地上108层，构造高度528m；地下7层，基底标高-37.8m。塔楼高度远超越中国高层建筑设想标准限值170m，为超B级高度的建筑。建筑功用由下至上别离为大堂、办公和看景平台。每个区域之间设有设备层和出亡层。地下7层次要为功用用房及车库，无人防要求。
中信大厦塔楼构造平面安插对称，平面长宽比为1:1。塔楼底部平面尺寸约为78m×78m，中上部逐步沿立面缩进，在约80层四周到达最窄，此处平面尺寸约为54m×54m，然后沿塔楼向上平面尺寸逐步扩展，顶层最宽处约为69m×69m。钢筋混凝土核心筒位于构造正中心，整体构造安插规则、对称。中信大厦构造抗侧力系统示企图见图1。
地上塔楼部门构造系统由外框筒、内部核心筒构成。外框筒为由巨柱、巨型斜撑、转换桁架以及次框架构成的巨型框架筒体构造。此中，巨柱位于角部并贯穿至构造顶部，在各区段别离与转换桁架、巨型斜撑毗连。巨柱底部平面轮廓为多边形，中部及上部为矩形，沿建筑高度向上尺寸逐步缩小，摘用多腔钢管混凝土柱。巨型斜撑设置在各区外围，沿外立面倾斜设置，为焊接箱型截面。转换桁架沿塔楼竖向在设备层及出亡层处设置，共8道，转换桁架的杆件截面次要用箱形截面。外框筒传力途径为经巨型斜撑、转换桁架、边梁柱，通过巨柱最末传至根底。次框架梁柱为铰接，不参与抗侧，外框筒构造系统见图2。
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正方形核心筒从承台面向上延伸至大厦顶层，贯串建筑物全高，底部尺寸约为39m×39m。核心筒周边墙体厚度从下至上由1200mm逐渐平均收进至顶部400mm；核心筒内次要墙体厚度则由500mm逐步内收至400mm。核心筒摘用内含钢骨（钢板）的型钢混凝土剪力墙构造，在构造底部46层范畴墙肢内设置了钢板，构成钢板混凝土剪力墙。在钢板混凝土剪力墙以上区域（47-103层）外围墙之内均增设型钢暗撑，构成钢暗撑混凝土剪力墙。
1.2 设想前提
中信大厦位于北京市向阳区。根据GB 50011—2010《建筑抗震设想标准》，本工程抗震设想次要参数如下：工程构造设想利用年限为50年，构造平安品级为一级，耐久性为100年；抗震设防分类为重点设防类（乙类），抗震设防烈度为8度，设想根本地震加速度值为0.2g；场地类别为II类，设想地震分组为第一组，场地特征周期Tg：小震、中震时为0.4s，大震时为0.45s；阻尼比ξ：小震、中震时为0.035，大震时为0.05。地基根底设想品级为甲级；建筑耐火品级为一级。次要构件抗震品级见表1，次要构件摘用的钢材材量见表2。
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计算阐发研究成果
根据项目对中信大厦地下、地上构造的阐发，能够看到，关于由钢材强度掌握的构件，超高强钢和超高强钢筋的性能得到了足够的发扬。在中信大厦项目中，根底筏板、桩根底、巨柱外壁板分腔板、核心筒剪力墙中钢板、巨型斜撑，转换桁架等构件，摘用高强钢等强替代的法例，停止告终构计算和用钢量统计。根据统计成果，在构造称心常遇地震、罕遇地震抗震性能要求的前提下，摘用高强钢素材较大水平地优化告终构的用钢量，对构造设想起到了积极的影响。钢材优化量统计详见表3-表5。
中信大厦项目做为优良的超高层工程项目，具有优良示范性的同时，也应重视到其特殊性。地上构件遵照以下超高强钢替代原则：1）钢材的承载力等强，即f1A1=f2A2；2）称心最小含钢率≥ρmin；3）称心构件宽厚比≤（b/t）max。通过计算能够看出，关于抗侧力构件，如巨柱、巨型斜撑，在本项目中摘用高强钢替代后，仍能称心常遇地震、罕遇地震工况下的抗震标准要求，以至在罕遇地震工况下，仍能连结在弹性阶段，那在其他工程项目中是不多见的。但根据抗震设想标准中匹敌震构造多道防线的设想要求，抗震相关构件，如斜撑、剪力墙连梁等，应具备充沛的让步耗能性能。如摘用高强钢，构件延性降低，抗震性能降低，与设想目标相违犯，应引起重视。肃清需要连结高度延性，不考虑高强钢素材替代的巨型斜撑，在遵照宽厚比限值的要求下，钢材优化量统计详见表3。
由表3统计可见，肃清不适宜摘用高强钢的斜撑构件，钢材优化量照旧到达1566t以上，具有优势。
同样摘用等强原则，对桩根底中的纵筋停止替代，考虑到若摘用更高强度的HRB600钢筋，因为大部门桩为轴心受压构件，混凝土在协同变形感化下提早压碎，HRB600钢筋的抗压承载力不克不及足够发扬，比拟HRB500钢筋优势不明显，故引进比原计划强度更低的HRB400钢筋做为参考比照（表4）。由表4可知，摘用HRB500钢筋计划，比拟摘用HRB400钢筋计划，在桩根底范畴中可节约约21%的钢筋用量，为1115.95t。
地下室各部门摘用差别强度钢筋对应替代后，用钢量有较大节约。为足够考虑差别钢材强度下用钢量的改变，在原计划中摘用Q390钢材的位置，复核了摘用Q345GJ钢材对用钢量的影响。各型号钢材取用设想值强度，按构件统计各部门用钢量改变，地下室构件用钢量总改变见表5。
由表5能够看出，地下室摘用超高强钢替代原计划中钢材时，用钢量优化比例较大，且因为地下室受抗震品级较低，构造前提约束相对宽松的特征，能够更大化地表现高强钢等强替代的优势。
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中、美、欧标准宽厚比限值阐发
参考有关文献及,搜集回纳总结了欧洲标准Eurocode3、欧洲标准Eurocode4、美国标准AISC 341-10中关于构件宽厚比限值的要求，并与中国标准比照，测验考试根据差别标准之间对宽厚比限值的差别要求，整理出更优化的限值。各标准对宽厚比的限值详细成果要求见表6。
由表6可知，针对本次停止素材替代的构件，美国标准、欧洲标准中部门宽厚比限值前提相对宽松，整体来说处于不异量级。美国标准中根据延性品级要求，钢构件的宽厚比要求存在差别，为高强钢替代素材时摘用更为宽松的宽厚比限值供给了参考和借鉴根据。
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高强钢利用限造及应对构想
目前高强钢利用的限造，次要集中在标准关于构件延性的要求，以及差别工程素材之间的协同工做要求。
高强钢在超高层构造利用中，能够利用在承载力掌握的构件中，能足够表现高强度素材的优势。但在类似中信大厦那种超高层建筑中，抗侧力构件良多时候处于刚度掌握或延性掌握的要求。如巨柱、斜撑、转换桁架等外框筒构件，不只需要考虑素材承载力极限值，还需要考虑构件对整体构造的抗侧刚度奉献，包管构造整体称心地震感化下位移的标准要求。剪力墙连梁等位置，在地震感化下应提早进进塑性并停止耗能，削减地震的能量输进。高强钢因为素材强度较高，在地震感化下难以提早进进让步形态耗能，不合适利用于斜撑、连梁等构件。
此外，高强钢和高强钢筋在与混凝土素材协同工做时，应考虑到与混凝土素材的弹性模量婚配问题。构造构件计算中，摘用简化的平截面假定。在该假定前提下，钢材和混凝土强度存在定值的比例关系，一味进步钢材的强度，会招致混凝土素材提早被毁坏，钢材强度不克不及足够发扬。例如在GB 50010-2010《混凝土构造设想标准》中，明白定义轴心受压构件因为和混凝土素材的协同变形感化，钢筋轴心受压承载力不该超越400MPa。因而，本项目中根底桩的更高钢筋标号宜用到HRB500，再进步标号时，一方面需要搭配更高标号的混凝土，一方面需要停止相关试验确定素材间的协同变形感化，验证高强钢材性能能否可以足够发扬。
高强钢在现实工程利用中的限造，次要来源于以下两方面：已建项目中大规模利用高强钢的工程案例相对较少；关于高强钢在工程傍边的利用，相关设想标准中相对应的条则未针对高强钢停止细化，部门条则在利用高强钢时存在不合理的取值。本研究针对中信大厦的案例停止了整体阐发，摘用间接阐发法计算钢构件的承载力和整体不变，供给了超越标准限值时，钢构造构件的计算理论根据和办法。本文很好地针对两方面问题做出回应，对高强钢在市场中的利用，起到积极的妥帖感化。
通过遵照中国标准构造要求，对原设想计划的等强代换，可包管项目在抗震、抗风前提下构造的承载力、变形称心标准要求下，较大水平节约用钢量。通过火析国外标准关于宽厚比限值的要求，比照国表里标准对宽厚比限值的取值构想，考虑根据差别的延性要求设置差别宽厚比限值的构想，可使超高强钢在工程设想中通过合理的构造得到足够发扬。通过本项目标阐发，证明高强钢及高强钢筋在超高层中的利用具有现实意义，关于关键节点构件等停止设想，能起到包管平安性能、降低工程用钢量的感化。高强钢是将来钢构造和大致积钢筋混凝土建筑开展的趋向，助力建筑业钢时代的开展。 （王厚昕 杨伟彪）
《世界金属导报》50期 B08
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