马克俭院士课题组以常规筒体为基础，提出了一种以工业石膏为墙体的钢筋混凝土空间网格盒式成束筒结构，该新型结构具有较强的抗侧刚度，使得建筑的使用空间可自由划分，从而使其在高层、超高层建筑中具有一定的优势。目前该类型结构已成功应用于唐山建华工程质量检测有限公司办公大楼，它是我国全国第一栋石膏混凝土新结构体系的绿色环保型高层建筑。

唐山建华工程质量检测有限公司办公大楼

1 新型结构体系概念

1.1 钢筋混凝土空间网格盒式结构体系

网格式框架结构由密柱和多道层间框架梁形成，中间墙体为现浇石膏填充，如图1所示。石膏苯板填芯钢筋混凝土井字空心大板是一种无明梁的平板楼盖，由上层板、下层板、密肋梁和工业废渣（磷石膏、二水石膏）制作的石膏苯板组成（图1）。该大板与密肋楼盖的不同之处为下层板和石膏苯板填芯。上层板、下层板与密肋梁形成封闭的箱室，使上、下层板空间整体受力。

图1 网格式框架结构示意图

将横向的石膏苯板填芯钢筋混凝土井字空心大板和竖向的网格式框架相组合，在组合结构中将密肋梁和框架柱进行相应连接，从而形成钢筋混凝土空间网格盒式结构，如图2所示。该结构的空间整体性和刚度都优于常规框架结构。

图2 钢筋混凝土空间网格盒式结构示意图

1.2 新型结构

新型结构是由钢筋混凝土核心筒、外围多个网格盒式筒和石膏苯板填芯钢筋混凝土井字空心大板组成。该结构的每一层均由外围的网格盒式筒和内部的钢筋混凝土核心筒形成，如图3(a)所示。一层层地向上依次叠加形成新型超高层钢筋混凝土空间网格盒式成束筒结构，如图3(b)所示。

图3 新型结构示意图

　　下面以某拟建工程为例，对新型结构与常规框筒结构（简称常规结构）进行对比分析，并对新型结构进行静力弹塑性分析。

2 工程概况及计算模型主要设计参数

某拟建超高层建筑，其建筑平面尺寸为30.0m×25.0m（图4），内核心筒尺寸为10.0m×5.90m，高度为111.6m，共36层，层高为3.1m；地下室2层，层高为4.8m。采用PKPM 2010软件建立新型结构模型，同时为了与新型结构进行对比，也采用该软件建立常规结构模型。两种模型计算时均假定地下室顶板作为嵌固端。

图4 新型结构的结构平面布置图

在新型结构模型中，网格式框架柱柱距为2.5m×2.5m，底部标准层的柱截面尺寸为550mm×550mm，柱截面沿高度分别在第10层、20层和30层依次发生变化，顶部标准层柱截面尺寸为300mm×300mm。网格式框架沿竖向将一标准层层高划分为3份，楼层框架梁的截面尺寸为300mm×450mm，层间框架梁的截面尺寸为200mm×300mm，高度由窗户控制。钢筋混凝土核心筒底部标准层外墙厚度为400mm，沿高度分2次变化，顶部标准层外墙厚度为300mm；内部墙厚全高为200mm。石膏苯板填芯钢筋混凝土井字空心大板的网格尺寸为2.5m×2.5m，板厚为400mm，密肋梁的截面尺寸为180mm×400mm，上、下层板厚度均为60mm，每个网格中间放置4块石膏苯板；考虑密肋梁上下翼缘板厚的影响，按抗弯刚度相等原则，将模型中密肋梁折算为截面尺寸为180mm×620mm的矩形梁（图5）。

图5 密肋梁等效截面

在常规结构模型中，常规结构的核心筒与新型结构一样，仅将新型结构中网格式框架和石膏苯板填芯钢筋混凝土井字空心大板进行改变。常规结构底部标准层柱截面尺寸为800mm×800mm，柱截面沿高度分别在第10层、20层和30层依次发生变化，顶部标准层柱截面尺寸为450mm×450mm。框架梁截面尺寸为350mm×600mm。楼盖按普通梁板结构设计，梁截面尺寸为400mm×600mm，板厚为130mm。常规结构的结构平面布置图如图6所示。

图6 常规结构的结构平面布置图

3 新型结构与常规框筒结构对比结果

主要计算结果见表1、图7~9。

图7两种结构的楼层位移曲线

图8框架楼层剪力系数

图9 框架剪力系数

　　由以上结果可知，与常规结构相比，新型结构整体刚度要优于常规结构，网格盒式筒使新型结构具有更大的抗侧刚度和抗扭刚度。随着楼层的增加，新型结构的变形小于常规结构的变形，呈现的弯剪型变形更明显。与常规结构相比，新型结构的网格盒式筒能够承受更多的地震剪力，其网格盒式筒与核心筒之间协同工作性能更好，空间作用强，从而使之更好地形成了双重抗震体系。

4 新型结构的静力弹塑性分析

主要计算结果见表2、图10~12。

图10 性能点处层间位移角曲线

图11 X向结构性能点状态下21层塑性铰分布图

图 12　Y向结构性能点状态下22层塑性铰分布图

由以上结果可知，在罕遇地震作用下，新型结构性能点状态下X，Y向的最大弹塑性层间位移角分别为1/465和1/419，小于高规规定的限值，具有较大安全储备。新型结构完全能够满足“大震不倒”的抗震设防要求。在新型结构中，各构件塑性铰出现的顺序依次为连梁、层间框架梁、楼层框架梁、墙肢和框架柱。网格盒式筒中的层间框架梁起到首先消耗地震能量的作用，从而避免了楼层框架梁和框架柱过早出现塑性铰。在内力重分配过程中，网格盒式筒能够很好地承担大部分剪力的增量，起到第二道抗震防线的作用。

马克俭院士团队自主创新的“多层大跨度装配整体式空间钢网格盒式结构新体系”在贵州大自然科技有限公司芯料生产厂房、贵州省博物馆新馆、中国水电顾问集团贵阳勘察设计研究院等工程中得到了应用。

贵州大自然科技有限公司芯料生产厂房

贵州省博物馆新馆

中国水电顾问集团贵阳勘察设计研究院

更多内容详见《转自：建筑结构-公众号》2015年第7期文章：《超高层钢筋混凝土空间网格盒式成束筒结构性能分析》，作者：陈佳琪，马克俭，申波（贵州大学空间结构研究中心）。

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