高層建筑結構設計及某工程結構選型研究

楊冠男（廣州瀚華建筑設計有限公司）

高層建筑結構設計及某工程結構選型研究

楊冠男
（廣州瀚華建筑設計有限公司）

隨著社會的發展，建筑高度越做越高，建筑平面布置越來越復雜多變，建筑立面也越來越多樣化，結構選型及后續設計的難度越來越大。本文對高層建筑結構的幾個關鍵控制指標介紹，總結出結構典型特點及關鍵難點。并通過多年的設計經驗，從具體的某工程案例著手分析結構幾個重要影響因素綜合比，多方收集資料指出選型中突出問題為選型建議，與大家共同研究學習。

結構設計；結構選型；結構體系

1　引言

住宅、酒店、寫字樓等高層建筑的建設已經逐漸成為當今社會建設活動的主流。類似于懸臂構件，高層建筑結構在水平荷載如風荷載及地震作用作用下位移比較大，豎向荷載并非控制結構的關鍵因素。而且隨著結構高度的增加，位移會很快增加，過大的變形嚴重影響居住及辦公的舒適度，甚至影響其使用功能。過大的變形也容易損傷甚至破壞結構非受力構件及部分受力構件，威脅到生命財產安全。因此，設計的合理化、選型的科學性對高層建筑結構而言十分重要。

2　高層建筑結構選型概述

建筑師綜合考慮建筑功能、實用性及其美觀性，采用豐富的平、立面布置形式使建筑與周圍環境相互協調。然而對于高層結構的選型及后續設計而言，不規則的平面形式是巨大的難題。在滿足建筑設計的要求下，我們需要不斷探索研究各類技術及經濟因素，確保高層建筑社會經濟效益的最優性。選型往往在最初階段就應考慮到后續的設計深化、施工難度、以及使用和后期維護等問題，避免設計出不合理、經濟效益低甚至發展不安全的建筑，對社會造成不必要的浪費和不良的影響。

3　結構體系的選擇

結構選型要根據建筑功能、建筑高度、安全性經濟性等綜合考慮，主要采用的結構體系有以下幾種：

3.1框架結構體系

框架結構是指由梁柱等構件組成的結構所承擔的體系，框架結構對不同抗震等級采用不同構造措施，注意“強剪弱彎”、“強柱弱梁”、“強節點弱構件”的實現，保證足夠的延性。

3.2剪力墻結構體系

剪力墻結構體系是指鋼筋混凝土墻體承擔豎向和側向荷載的體系，片狀構件承載力大且平面內剛度大，但是相對的剪切變形也較大、平面外剛度小，墻不適宜太密否則墻體能力不能充分利用且結構自重大。

3.3框架剪力墻結構體系

框架剪力墻結構體系是指框架和剪力墻整體共同抗側向力的結構體系，簡稱框剪結構。變形曲線在水平力作用下呈S型，框架較好的延性、帶邊框的剪力墻較抗側力剛度、連梁良好的耗能性能，使得框剪結構具有多道抗震防線，抗震性能較好。

3.4筒中筒結構體系

筒中筒體系是指建筑中部實腹筒和建筑外圍的空腹筒通過樓蓋連成整體工作的結構體系。筒中筒體系普遍用于建筑高度高且平面有近于圓形、方形包括正多邊形、長短邊之比不大于1.5的矩形大樓，但是筒中筒結構密集柱柱距過小，經常需要采用桁架、連續拱、預應力大梁等水平轉換構件來擴大底部密集柱的柱距。

3.5框架核心筒體系

框架-核心筒結構體系，其外圍的框架柱數量較少，傾覆彎矩以及剪力大部分由核心筒承擔，核心筒與框架形成整體后共同承受荷載，這種體系的關鍵是核心筒抗側力構件，要實現雙重抗側力體系必須采用一定的措施。

3.6板柱-剪力墻體系

板柱-剪力墻體系是指側向與豎向荷載由剪力墻與板柱框架共同承擔的結構體系。板為體系中主要的水平構件，剪力墻與柱承擔全部豎向荷載以及水平地震作用，其缺點就是抗側剛度較小。

4　某工程結構選型對比分析

項目主樓高232m，共56層，核心筒尺寸26m×15.15m，平面尺寸為寬45m×39.6m，，y向梁跨度12m，x向梁跨度9m，核心筒高寬比15.1，整體高寬比5.9。此項目為超高層結構，選型較為復雜。綜合結構受力要求以及建筑使用功能，初步確定兩種方案：1、鋼筋混凝土核心筒加鋼管混凝土柱的混合結構；2、常規的框架核心筒結構。兩種方案均設置加強層滿足規范要求的位移角。

4.1結構分析結果對比

表1為兩種方案的自振特性分析結果，可以看出，兩種結構體系的動力性能較為接近，Y、X向平動分別為第一、二振型，第三周期為扭轉；混合結構周期相對較小，兩種體系扭轉周期比均小于規范要求的0.85。兩種方案在地震作用下的最大層間位移角為1/1274與1/1112，混合結構剛度略大于混凝土結構方案。

表1　自振特性

表2為兩種方案的框架剪力與彎矩承載率、剛重比、剪重比，分析表明，兩個方案主要抗側力構件為核心筒。地震作用下，兩種方案X向較為Y向框架所承擔的剪力與彎矩大，兩種方案剛重比均大于規范要求1.4，整體穩定性滿足要求。剪重比混合結構略大于混凝土結構，但兩者均不滿足規范要求，需按照相關規定進行調整。根據計算結果，混凝土結構方案以及混合結構方案豎向構件軸壓比均能滿足規范限值的要求，同時框架柱的軸壓比也控制在一個比較小的范圍。此外還進行了風振舒適度驗算，兩者頂點峰值加速度均滿足相關規范要求。

表2　框架剪力與彎矩承擔率、剛重比、剪重比

4.2施工周期與成本估算

根據相關工程經驗，混凝土結構的施工周期平均每層為6.11天；而純鋼框架結構的施工周期平均每層為5.91天；超高層混合結構的施工周期平均每層為4天。若采用混合結構，每層施工的時間比混凝土結構要快2.11天，取1.5天計算，此項目將提前2到3個月時間竣工。

表3　上部結構造價估算

表3為根據兩種方案估算的造價表，可以看出，混合結構方案要略高于混凝土結構方案，但綜合施工管理費用以及社會效益后，采用混合結構方案此工程將提前投入使用，為業主節省利息，并為業主提前帶來租金的收入，經初步核算，所帶來的收益基本與造價持平。采用混合結構，其鋼管混凝土柱承載力較大，在高軸壓比的情況下延性較好，且柱截面相比于混凝土柱要小，節省建筑使用面積，且鋼管能充當模板，無需支模，給施工帶來方便。由于混合結構上部結構相對較輕，樁基礎費用較省。混合結構梁截面相對于混凝土結構較小，可為建筑提供更多空間。綜合考慮，此工程采用混合結構方案。

5　結論

本文介紹了結構體系的類型，并結合實際，選用兩種結構方案進行對比，最終選擇有利項目的結構方案。在滿足建筑設計的要求下，我們需要不斷探索研究各類技術及經濟因素，確保高層建筑社會經濟效益的最優性。結構選型應考慮到后續的設計深化、施工難度、以及使用和后期維護等問題，避免設計出不合理、經濟效益低甚至不安全的建筑，避免造成浪費和不良的影響。●

［1］黃海，閻興華，張艷霞.鋼-混凝土混合結構在我國超高層建筑中的應用于研究 ［J］，北京建筑工程學院學報，2002，18（4）：53-57.

［2］JGJ3-2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［3］沈蒲生.高層混合結構設計與施工［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［4］顧詳林.建筑混凝土結構設計［M］.上海：同濟大學出版社，2011.

［5］李國勝，等.高層混凝土結構抗震設計要點、難點及實例［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009.