某超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)方案對比分析

郎文龍

(中國建筑西南設(shè)計研究院，四川成都 610041)

某超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)方案對比分析

郎文龍

(中國建筑西南設(shè)計研究院，四川成都 610041)

超高層建筑中結(jié)構(gòu)體系的選擇至關(guān)重要，將直接影響整個工程的經(jīng)濟合理性。文章對某一超高層框架核心筒結(jié)構(gòu)分別采取了以下三種結(jié)構(gòu)體系進行了整體結(jié)構(gòu)計算：鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土柱框架與鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土柱-鋼梁框架與鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，并從承載能力、抗震性能、工程經(jīng)濟效益等角度對三種方案進行了對比分析。

超高層； 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)； 方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)； 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)

1 結(jié)構(gòu)概況

本工程為擬建于成都市內(nèi)的38層辦公樓，結(jié)構(gòu)大屋面高度為177 m，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計地震分組第三組，丙類設(shè)防類別，Ⅱ類場地。擬采用框架核心筒結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)高寬比約4.44，核心筒高寬比為8.8，標準層結(jié)構(gòu)面積約1 659 m2(結(jié)構(gòu)外緣線內(nèi)面積)，核心筒圍合區(qū)面積410.04 m2，筒體圍合面積/結(jié)構(gòu)樓層面積為24.7%。底層核心筒外墻厚600 mm，核心筒外墻到外框柱間距最大值為9.35 m，外框柱間距最大值9 m。核心筒和外圍框架的抗震等級均為一級，結(jié)構(gòu)標準層平面如圖1～圖2所示。結(jié)構(gòu)地上1～3層，層高6 m，標準層層高4.2 m。

圖1 方案一/方案二注：圖1按方案一繪出，當為方案二時將框架柱改為型鋼柱。

圖2 方案三

2 三種結(jié)構(gòu)方案的計算分析

每種結(jié)構(gòu)體系均按整體結(jié)構(gòu)進行了風荷載和地震作用的計算，并使其整體指標符合相關(guān)規(guī)范和規(guī)程的要求。計算中控制位移角的需要，底層鋼筋混凝土核心筒的厚度須達到600 mm厚，并根據(jù)需要往上逐漸收進。模型力學嵌固端均取為基頂，帶五層地下室，為了指標比較方便均不帶裙房。回填土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)統(tǒng)一取為50 MN/m4。

2.1 方案一

結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架核心筒。

(1)模型截面選取如表1。

(2)計算結(jié)果如表2。

(3)部分參數(shù)說明及計算結(jié)果解讀。

框架部分按側(cè)向剛度分配的地震剪力最大值大于結(jié)構(gòu)底部總地震剪力的10 %，核心筒抗震等級可不用提高。計算中中梁和邊梁剛度放大系數(shù)分別取為2和1.5。核心筒和外圍框架底部混凝土強度等級為C 60。由計算可見，雖然框架柱截面已經(jīng)取到1 250 mm×1 700 mm，但是軸壓比仍然比較大，已經(jīng)超過規(guī)范的最大限值，而設(shè)計中擬加強柱箍筋設(shè)置而不再繼續(xù)加大柱截面。地上一層層高6.0 m，1.7 m寬的柱子已經(jīng)形成短柱，對抗震非常不利。

表1 方案一模型截面尺寸 mm

表2 方案一計算結(jié)果

2.2 方案二

結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土柱鋼筋混凝土梁框架與鋼筋混凝土核心筒。

(1)模型截面選取。

核心筒、主梁及次梁截面同方案一，底層型鋼柱截面1 200 mm×30 mm×40 mm×800 mm×250 mm，往上逐漸縮小至1 000 mm×20 mm×30 mm×600 mm×250 mm。

(2)計算結(jié)果如表3。

表3 方案二計算結(jié)果

(3)部分參數(shù)說明及計算結(jié)果解讀。

由于只有框架柱采用了型鋼而框架梁為鋼筋混凝土梁，此種結(jié)構(gòu)體系不宜視為混合結(jié)構(gòu)[1]，故地震作用阻尼比取為0.05，風荷載計算阻尼比取為0.04[1]。框架柱最大截面已經(jīng)減小到1 200 mm×1 200 mm，較混凝土結(jié)構(gòu)面積減少了32 %，且最大軸壓比也比混凝土柱小，抗震性能得到顯著改善。

2.3 方案三

結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土柱-鋼梁框架與鋼筋混凝土核心筒。

(1)模型截面選取如表4。

表4 方案三模型截面尺寸 mm

(2)計算結(jié)果如表5。

表5 方案三計算結(jié)果

(3)部分參數(shù)說明及計算結(jié)果解讀。

外框柱通過鋼梁和壓型鋼板混凝土樓板與中間核心筒緊密的聯(lián)系，故外圍框架可視為無側(cè)移框架，框架柱計算長度系數(shù)按鋼結(jié)構(gòu)附錄中無側(cè)移框架取。中鋼框梁剛度放大系數(shù)取為1.5、邊梁為1.25[2]。鋼梁跟外框柱采用剛接，與核心筒采用鉸接，這樣做主要是考慮到如果與核心筒剛接的話核心筒構(gòu)造和施工復雜，而且剛接使核心筒與外框柱間由豎向位移差導致的內(nèi)力二次分配問題比較尖銳。鋼材采用Q345，底層混凝土采用C50，套箍指標θ=1.89。對于圓鋼管混凝土柱無軸壓比限值要求，只需滿足一定的長細比即可，而一般的建筑結(jié)構(gòu)其長細比均小于限值。

3 方案對比分析

三種方案的有關(guān)指標列于表6。下面從受力、抗震、施工工藝和綜合經(jīng)濟效益四個方面做比較分析：

(1)從受力角度看，無疑方案三是最優(yōu)的，這已經(jīng)被國內(nèi)外眾多工程案例和試驗所證明。鋼管混凝土柱中外圍鋼管對核心混凝土起到了套箍作用，使得脆性的混凝土體現(xiàn)出延性受力特性，三向受壓狀態(tài)下的核心混凝土抗壓強度有了大幅提高。鋼管混凝土柱承載力為鋼管加核心混凝土單獨承載力之和的1.7倍左右，其單位面積所獲得的承載力最高。而且鋼管混凝土柱并沒有軸壓比限值，本工程中鋼管混凝土柱最大軸壓比為0.76，如果需要的話完全可以使其截面進一步減小。

(2)方案三由于采用了鋼梁，其總質(zhì)量較方案一和二有大幅的減少，底層地震剪力也相應減小很多，對抗震更有利。方案一中為了減小軸壓比，最后采用了1.7 m的柱，但過大的截面使得底部的框架柱皆成為短柱，增加了受剪脆性破壞的可能，對抗震極其不利。

(3)從施工難易程度看顯然方案一是被所有施工單位所接收的最普通的工藝。不過隨著超高層建筑的日益增多，混合結(jié)構(gòu)的應用也越來越多，國內(nèi)對混合結(jié)構(gòu)的研究也日趨成熟。2010版《高規(guī)》在原型鋼混凝土混合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了方鋼管和圓鋼管混合結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，且給出了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點的計算和施工構(gòu)造。混合結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)在已經(jīng)被很多施工單位所掌握。型鋼混凝土施工除了進行鋼結(jié)構(gòu)安裝和焊接等外，還需混凝土結(jié)構(gòu)的施工，施工工序多，程序復雜。

(4)對于整個工程來說，其工程經(jīng)濟效益除了考慮工程本身土建造價之外還要考慮建筑有效使用面積、工程施工工期等導致的經(jīng)濟效益。方案二的用鋼量最多，最少的是混凝土柱，次少的為圓鋼管柱，這是因為規(guī)范上要求型鋼混凝土柱要同時配置一定數(shù)量的縱筋和箍筋。由表6可見方案三柱截面面積僅為方案一的30%，一層便多出有效使用面積23.83 m2，本辦公樓總38層，柱子截面的減小可增加有效使用面積近600 m2，這對寸土寸金的城市核心地段是個非常可觀的經(jīng)濟價值。柱子截面的減小同時可增加地下室停車場停車位數(shù)量。方案三的柱軸力為方案二的85 %左右，同時混凝土用量和結(jié)構(gòu)總重量都比方案二少很多，這將有利于地基處理和基礎(chǔ)截面的減小。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于無需支模，其施工速度比混凝土結(jié)構(gòu)快。一般如本工程規(guī)模大小的辦公樓，如果混凝土結(jié)構(gòu)7 d施工一層，則鋼管結(jié)構(gòu)可以做到5 d一層，38層節(jié)省90 d的工期，既節(jié)省了支模的費用又降低了工程的時間成本。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是最適合做逆作業(yè)法施工的結(jié)構(gòu)體系，如果采用逆作業(yè)法施工可更進一步縮短施工工期。表6中混凝土樓層梁高為700 mm，一般辦公樓設(shè)備管道為300～400 mm高，加起來就是1 000 mm高。采用鋼梁可以做成蜂窩狀或腹板開槽穿過設(shè)備管道，一層可以節(jié)省凈空300 mm左右，38層可以總共減少11.4 m。由此可看出方案三的綜合經(jīng)濟效益優(yōu)勢突出。

表6 三種方案有關(guān)指標比較

4 總結(jié)

超高層建筑中結(jié)構(gòu)體系的選用直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)受力性能和整個工程的經(jīng)濟效益，是設(shè)計方和投資方需要重點考慮的問題。本文通過三種結(jié)構(gòu)方案的計算，從受力性能和經(jīng)濟效益等方面做了對比分析。具體采用何種結(jié)構(gòu)體系往往跟投資方的投資策略、當?shù)氐氖┕に健⒉牧瞎鹊缺姸嘁蛩赜嘘P(guān)，應綜合統(tǒng)籌考慮。作為設(shè)計方可以通過精心的設(shè)計，充分挖掘結(jié)構(gòu)的潛力，設(shè)計出技術(shù)先進經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)。

[1] JGJ 3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[2] CECS 159：2004矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[3] CECS 28：2012鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

[4] YB 9082-2006鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]

郎文龍(1983～)，蒙古族，碩士，工程師。

TU973.2

A

[定稿日期]2014-10-20