高烈度區(qū)超高層結(jié)構(gòu)選型探討

洪朝德

摘要：高烈度地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)因地震作用大，常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)梁柱截面過(guò)大現(xiàn)象，影響了建筑的使用空間和美觀性。本文以某棟擬建于昆明的171m超高層辦公樓為例，分別采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

關(guān)鍵詞：高烈度區(qū)；超高層；鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)選型

前言

本工程位于昆明。是綜合體項(xiàng)目中最高的一棟辦公樓，地上41層，帶3層地下室，建筑高度171m。建筑平面呈正方形（正方形平面四角有3.9x5.6m的長(zhǎng)方形缺角）。邊長(zhǎng)43.4m。核心筒長(zhǎng)20m、寬17。4m。外框柱柱距為8m～18m，距核心筒壁約12.6m。

工程設(shè)計(jì)概況：抗震設(shè)防烈度8度、設(shè)計(jì)地震分組為第三組。設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.20g，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，特征周期為0.65s；基本風(fēng)壓值Wo=0.33kN/m2（50年），地面粗糙度B類(lèi)，體形系數(shù)u=1.40。

根據(jù)高檔辦公樓建筑使用要求并結(jié)合結(jié)構(gòu)受力需要。采用框架一核心筒結(jié)構(gòu)是較為合理結(jié)構(gòu)體系。中部核心筒落地。外圍稀疏布置的框架可滿(mǎn)足高檔辦公樓大面積景觀視野的需求。考慮到所在場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度高、場(chǎng)地類(lèi)別等級(jí)高而導(dǎo)致地震作用較大的特點(diǎn)。采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

1.結(jié)構(gòu)選型

1.1普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（框架-核心筒結(jié)構(gòu)）

現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。為常見(jiàn)的超高層結(jié)構(gòu)形式之一，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。技術(shù)成熟，施工簡(jiǎn)單。但由于高烈度區(qū)水平地震作用較大。為滿(mǎn)足規(guī)范要求側(cè)剛限值和軸壓比。框架柱截面較大，具體如下：

框架柱：普通鋼筋混凝土柱。截面1800x2500。往上逐漸收至800x1200。

核心筒：普通鋼筋混凝土核心筒。厚度從底部800、400逐步收小到上部的400、300。

樓蓋體系：普通鋼筋混凝土梁板式。外框梁x向400x1200、Y向400x1200，內(nèi)框架梁300x700，次梁200x700，樓板厚度100。

加強(qiáng)層：需在第18層及29層設(shè)置兩層加強(qiáng)層以增強(qiáng)抗側(cè)剛度。

1.2鋼結(jié)構(gòu)（框架-核心筒結(jié)構(gòu)）

鋼結(jié)構(gòu)的框架-核心筒結(jié)構(gòu)。核心筒采用圓鋼管混凝土柱及鋼桁架組成。外框柱采用圓鋼管混凝土柱，結(jié)構(gòu)梁采用H型鋼。鋼結(jié)構(gòu)施工不需支撐模板。施工速度快。由于規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)側(cè)剛限值較混凝土結(jié)構(gòu)有很大放松。可以很大程度上縮小柱截面。明顯增加實(shí)用面積。框架柱截面較小。具體如下：

框架柱：外框φ1000x50、0800x40，往上逐漸收至φ600x20。

核心筒：內(nèi)筒鋼管柱直徑從底部φ800往上逐漸收至φ600。

斜桿：口350x350x20x20（口450x450x25x25）。

外框架梁：HN800x300x15x20。內(nèi)框架梁：HN600x200（250）x12x20，

次梁：HN600x200（250）x12x20、HN450x200（150）x9x14。

加強(qiáng)層：需在第18層及29層設(shè)置兩層加強(qiáng)層以增強(qiáng)抗側(cè)剛度。

1.3混合結(jié)構(gòu)（框架-核心筒結(jié)構(gòu)）

混合結(jié)構(gòu)是型鋼和混凝土一起使用。包括外圍鋼框架或型鋼混凝土、鋼管混凝土框架與鋼筋混凝土核心筒所組成的框架一核心筒結(jié)構(gòu)。混合結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)梁采用H型鋼。核心筒采用剪力墻。若外圍框架柱采用截面較小的圓鋼管混凝土柱滿(mǎn)足不了側(cè)剛要求。因此外圍框架柱改用截面較大的型鋼混凝土柱以滿(mǎn)足計(jì)算要求。具體如下：

框架柱：底部型鋼混凝土柱1500x2200（設(shè)置4%型鋼）。

核心筒：普通鋼筋混凝土核心筒，厚度從底部800、400逐步收小到上部的400、300。

外框架梁：HNl200x400（300）x50x20。

內(nèi)框架梁：HN700x400x12x30。

次梁：HN600x200（250）×10x20、HN450x150x9x14。

加強(qiáng)層：需在第18層和第29層及頂層設(shè)置三層加強(qiáng)層以增強(qiáng)抗側(cè)剛度。

2.經(jīng)濟(jì)比較

2.1結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及造價(jià)估算

估算時(shí)綜合單價(jià)按：混凝土550元/m3，鋼筋采用HRB500級(jí)為5500元/t，型鋼10000元/t。

根據(jù)建模計(jì)算。對(duì)三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的鋼筋含量、混凝土用量及型鋼含量等工程量指標(biāo)進(jìn)行估算。典型樓層的造價(jià)估算見(jiàn)下表。

2.2實(shí)用面積比較

以柱截面面積最大的方案一為基準(zhǔn)。比較各方案柱截面節(jié)省的實(shí)用面積。并以實(shí)用面積15000元/m2的商業(yè)價(jià)值估算其對(duì)建筑綜合造價(jià)的影響如下表。

2.3考慮基礎(chǔ)影響的造價(jià)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告。考慮采用剛性樁復(fù)合地基上的筏板基礎(chǔ)。按此估算基礎(chǔ)造價(jià)差異。

根據(jù)估算，方案一（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）采用復(fù)合地基+筏板的基礎(chǔ)綜合造價(jià)約為140元/m2；方案二（鋼結(jié)構(gòu)）采用復(fù)合地基+筏板的基礎(chǔ)綜合造價(jià)約為85元/m2：方案三（混合結(jié)構(gòu)）采用復(fù)合地基+筏板的基礎(chǔ)綜合造價(jià)約為120元/m2。

2.4三種方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)造價(jià)匯總

2.5經(jīng)濟(jì)比較結(jié)論

方案一結(jié)構(gòu)綜合造價(jià)最低；方案二鋼結(jié)構(gòu)約增加造價(jià)32%，每平方米約增加339.4元：方案三混合結(jié)構(gòu)約增加造價(jià)47%。每平方米約增加496元。

按以往類(lèi)似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu)一般標(biāo)準(zhǔn)層工期在5～7天/層。混合結(jié)構(gòu)每層約能節(jié)省2天。鋼結(jié)構(gòu)則每層約節(jié)省3天。工期縮短。投資可提前回收。會(huì)帶來(lái)部分經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述。考慮到鋼結(jié)構(gòu)方案相對(duì)混合結(jié)構(gòu)方案造價(jià)低。相對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案可縮短工期、增加建筑的實(shí)用面積。本工程采用鋼結(jié)構(gòu)方案綜合經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高。

3.結(jié)語(yǔ)

高烈度區(qū)采用常見(jiàn)的普通混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致梁柱截面較大，影響了建筑的使用效率和美觀性。混合結(jié)構(gòu)增加造價(jià)的同時(shí)，對(duì)梁柱截面優(yōu)化有限，性?xún)r(jià)比低。而鋼結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)性和建筑實(shí)用率上都能得到兼顧。為本工程首選的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。