大型公建項目結構設計選型研究

摘 要：針對北京某大型公建項目結構設計選型過程中的關鍵問題進行研究。通過結構體系選型研究，選定了鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒為結構體系；通過對混凝土樓板、鋼筋桁架樓承板、壓型鋼板等組合樓板的分析研究，選定樓板體系；對23m的轉換桁架進行專項分析，確定了桁架的形式及抗震性能目標。

關鍵詞：混合結構；鋼管混凝土；鋼筋桁架樓承板；壓型鋼板；轉換桁架；抗震分析

1 工程概況

大吉片公建項目CD地塊位于北京西城區菜市口。地上建筑面積17.2萬m2，總共約26萬m2。在地塊內，地下連成一整體地下室，地上C、D兩棟各自分開。C、D棟均為地上17層的辦公樓，建筑高度為69m。建筑輪廓是東西向約92.5m，南北向55m。地下五層，埋深約為23m。地下室功能為人防地下室、商業、停車場和設備房。

項目由金融街投資建設，方案設計單位為美國SOM建筑設計公司，施工圖設計單位為北京市建筑設計研究院。

該項目具有樓板局部不連續（通高中庭），抗側力構件不連續（為了營造首層大堂無柱空間，采用23m桁架轉換上部柱子）兩項超限。同時由于受施工各種因素制約，采用的混合結構體系較為特別，因此本文對項目結構設計選型過程中的難點及關鍵問題進行分析總結。

2 結構體系選型研究

針對北京8度區，69m高，9m柱距、外框到核心筒12m進深的辦公樓，通常采用的結構體系為混凝土框架-核心筒。由于本項目位于二環邊，場地狹窄，施工不便，項目定位高端，要求設計LEED金級及綠色二星，因此最終選擇鋼結構外框，出于結構剛度及成本考慮，最后在鋼骨柱框架-鋼筋混凝土核心筒和鋼管柱框架-鋼筋混凝土核心筒中二選一。

二者的區別在于外框柱的形式，從結構設計角度，兩種柱形式都能滿足結構安全，均可采用，但鋼骨混凝土柱相比鋼管混凝土柱，型鋼用量小，后續裝修容易。鋼管混凝土柱對柱內混凝土約束大，受力性能更好，承載力也更大，柱截面會略小，施工中不用支模，無須配筋，不需要在鋼梁上開穿筋洞，施工簡便，施工周期短，但是鋼管內混凝土質量難以保證，對施工有較高要求，而且后期需要防火、防腐等維護成本。

從造價角度，經過測算，一個標準層內，鋼管柱的型鋼貴17.76萬，但是能節約15萬元的柱鋼筋、混凝土1萬元和4.3萬元的柱模板，同時鋼管柱的節點板要增加造價4萬元，及防火涂料5.7萬元，總共鋼管柱方案造價要貴7.18萬元，因此整個項目約貴250萬元。

從施工角度，采用鋼管混凝土柱，減少了柱子綁鋼筋、支模板的施工工序，柱混凝土可以三層澆筑一次，且柱內混凝土澆筑與鋼梁及壓型鋼板安裝互不影響，交叉施工少，另外如采用十字勁性柱施工，梁柱節點位置支模復雜，柱箍筋需穿過鋼梁，在鋼梁加工階段還需考慮提前開孔的要求，綜合工序穿插及工藝，采用鋼管柱能夠比鋼骨柱每層減少工期約3天左右，總共能縮短30天工期。

綜合設計、施工、造價意見，兩種柱形式總費用相差不大，鑒于項目的工期壓力，為充分體現鋼結構施工的工期優勢，最終采用矩形鋼管混凝土柱。

3 地上樓板體系選型研究

鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結構體系，相對應的樓板形式，目前常用的有全混凝土樓板、閉口型壓型鋼板、鋼筋桁架樓承板這三種樓板形式。

閉口型壓型鋼板和全混凝土樓板是兩種成熟的樓板形式。

鋼筋桁架樓承板，是將樓板中的鋼筋在工廠采用設備加工成鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與鍍鋅鋼板在工廠焊接成一體的組合模板。在使用階段，鋼筋桁架與混凝土共同工作，承受使用荷載，鍍鋅鋼板不參與受力。鋼筋桁架樓承板因其現場鋼筋綁扎量減少60～70%，以及最大無支撐間距可達4m以上（壓型鋼板大多為3m），能設計成雙向板等優勢，這兩年在大城市辦公項目得到試行推廣。

本項目板跨為3m左右，樓板厚度120mm，采用C30混凝土。三者的優劣勢從設計、施工角度對比如表1所示。

從造價角度，通過三種方案的經濟性對比，價格上是鋼筋桁架樓承板>閉口型壓型鋼板>混凝土樓板。鋼筋桁架樓承板比閉口型壓型鋼板要貴約17元/m2，約為4%。市場調查發現，目前能提供鋼筋桁架樓承板的供應商不多，而且大多在浙江，具有日后供貨不足、運輸困難、價格壟斷的風險。

綜上所述，閉口型壓型鋼板比鋼筋桁架樓承板略便宜，鑒于本項目的施工現場狹窄，堆料困難，以及采用新技術的風險評估，最終采用閉口型壓型鋼板的樓板形式。

4 轉換桁架的研究

23m跨的轉換桁架在3和4層，一共高兩層，上托15層的樓板荷載。為滿足建筑使用要求，取消桁架四層跨中支撐（見圖1）。轉換桁架做為重點結構構件，撓度控制為1/2000，抗震性能目標定為中震彈性/中震不屈服（抗剪彈性、抗彎不屈服），桿件應力比按0.9控制。計算滿足要求后采用的截面為上下弦桿H1000×800×35×45，中弦H1100×800×30×30，腹桿H1000×800×40×40，豎桿BOX800×800×30×30，框支柱截面為BOX1200×1200×45×45。

5 結 論

（1）針對鋼骨柱和鋼管柱的優缺點對比，綜合設計、施工、造價多方面考慮，選定了鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構體系。

（2）結合本項目特點，對全混凝土樓板、閉口型壓型鋼板和鋼筋桁架樓承板三種樓板形式進行對比分析，確定閉口型壓型鋼板的樓板形式。

（3）對8度抗震的23m轉換桁架進行抗震分析，抗震性能目標定為中震彈性/中震不屈服（抗剪彈性、抗彎不屈服），桿件應力比按0.9控制，撓度控制為1/2000。滿足了抗震設防要求。

參考文獻

[1]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，2011.

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[3]徐培福，戴國瑩.超限高層建筑結構基于性能抗震設計的研究[J].土木工程學報，2005，38（1）：1～10.