高烈度區超高層結構選型探討

洪朝德

摘要：高烈度地區建筑結構因地震作用大，常出現結構梁柱截面過大現象，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構、鋼結構及混合結構三種結構類型進行經濟分析。

關鍵詞：高烈度區；超高層；鋼結構；結構選型

前言

本工程位于昆明。是綜合體項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的長方形缺角）。邊長43.4m。核心筒長20m、寬17。4m。外框柱柱距為8m～18m，距核心筒壁約12.6m。

工程設計概況：抗震設防烈度8度、設計地震分組為第三組。設計基本地震加速度值0.20g，建筑場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.65s；基本風壓值Wo=0.33kN/m2（50年），地面粗糙度B類，體形系數u=1.40。

根據高檔辦公樓建筑使用要求并結合結構受力需要。采用框架一核心筒結構是較為合理結構體系。中部核心筒落地。外圍稀疏布置的框架可滿足高檔辦公樓大面積景觀視野的需求。考慮到所在場地抗震設防烈度高、場地類別等級高而導致地震作用較大的特點。采用普通鋼筋混凝土結構、鋼結構及混合結構三種結構類型進行技術經濟分析。

1.結構選型

1.1普通鋼筋混凝土結構（框架-核心筒結構）

現澆鋼筋混凝土框架-核心筒結構。為常見的超高層結構形式之一，造價經濟。技術成熟，施工簡單。但由于高烈度區水平地震作用較大。為滿足規范要求側剛限值和軸壓比。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，內框架梁300x700，次梁200x700，樓板厚度100。

加強層：需在第18層及29層設置兩層加強層以增強抗側剛度。

1.2鋼結構（框架-核心筒結構）

鋼結構的框架-核心筒結構。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，結構梁采用H型鋼。鋼結構施工不需支撐模板。施工速度快。由于規范對鋼結構側剛限值較混凝土結構有很大放松。可以很大程度上縮小柱截面。明顯增加實用面積。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。內框架梁：HN600x200（250）x12x20，

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

加強層：需在第18層及29層設置兩層加強層以增強抗側剛度。

1.3混合結構（框架-核心筒結構）

混合結構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構。混合結構方案結構梁采用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足不了側剛要求。因此外圍框架柱改用截面較大的型鋼混凝土柱以滿足計算要求。具體如下：

框架柱：底部型鋼混凝土柱1500x2200（設置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。

內框架梁：HN700x400x12x30。

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

加強層：需在第18層和第29層及頂層設置三層加強層以增強抗側剛度。

2.經濟比較

2.1結構經濟指標及造價估算

估算時綜合單價按：混凝土550元/m3，鋼筋采用HRB500級為5500元/t，型鋼10000元/t。

根據建模計算。對三種結構類型的鋼筋含量、混凝土用量及型鋼含量等工程量指標進行估算。典型樓層的造價估算見下表。

2.2實用面積比較

以柱截面面積最大的方案一為基準。比較各方案柱截面節省的實用面積。并以實用面積15000元/m2的商業價值估算其對建筑綜合造價的影響如下表。

2.3考慮基礎影響的造價

根據地質報告。考慮采用剛性樁復合地基上的筏板基礎。按此估算基礎造價差異。

根據估算，方案一（鋼筋混凝土結構）采用復合地基+筏板的基礎綜合造價約為140元/m2；方案二（鋼結構）采用復合地基+筏板的基礎綜合造價約為85元/m2：方案三（混合結構）采用復合地基+筏板的基礎綜合造價約為120元/m2。

2.4三種方案經濟指標及結構造價匯總

2.5經濟比較結論

方案一結構綜合造價最低；方案二鋼結構約增加造價32%，每平方米約增加339.4元：方案三混合結構約增加造價47%。每平方米約增加496元。

按以往類似項目經驗。鋼筋混凝土高層結構一般標準層工期在5～7天/層。混合結構每層約能節省2天。鋼結構則每層約節省3天。工期縮短。投資可提前回收。會帶來部分經濟效益。

綜上所述。考慮到鋼結構方案相對混合結構方案造價低。相對鋼筋混凝土結構方案可縮短工期、增加建筑的實用面積。本工程采用鋼結構方案綜合經濟效益相對較高。

3.結語

高烈度區采用常見的普通混凝土結構會導致梁柱截面較大，影響了建筑的使用效率和美觀性。混合結構增加造價的同時，對梁柱截面優化有限，性價比低。而鋼結構在經濟性和建筑實用率上都能得到兼顧。為本工程首選的結構類型。