某超限高層框架-核心筒結構優化設計

鐘建敏

(蘇州九城都市建筑設計有限公司,蘇州 215123)

0 引 言

建筑結構設計優化[1]是指在滿足各種規范或某些特定要求的條件下,使建筑結構的某種指標(如剛度、重量、造價等)為最佳的設計方法。也就是要在所有可用方案和做法中,按某一目標選出最優的方法。結構設計優化是以深厚的理論基礎、良好的結構概念、豐富的工程經驗為前提;以對設計規范實質內涵的理解和靈活運用為指導;以先進的結構分析設計方法為手段對結構設計進行深化、調整、改善和提高,也就是對結構設計再加工的過程。

以某超限高層框架-核心筒結構為例,以結構剛度、重量、造價等為控制目標并滿足結構規范和超限審查要求,對原結構設計進行全方位優化,采用PKPM軟件分別對原設計和優化后的結構重量、剛度、抗震性能、造價等進行了分析與比較,結果表明,建筑結構優化對于提高設計質量、節約建設成本、增大使用空間、縮短施工工期都有重要意義。

1 工程概況

該地塊由2棟高層(3#、4#樓)和裙房組成,地下4層,3#塔樓地上33層,結構高度為151.2 m,4#塔樓地上27層,結構高度為126.2 m,裙房4層,結構高度21.7 m;底部4層(包括主樓)主要功能為商業,四層以上均為辦公。由于地面以上裙房區域未設縫,使得3#、4#塔樓在地上形成大底盤多塔樓結構,建筑效果及剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural renderings

3#、4#塔樓除高度不同,其他基本相同,僅以3#塔樓為例進行分析,3#塔樓采用框架-核心筒結構體系,結構設計基準期為50年,結構安全等級為二級,抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度為0.1g,建筑場地類別為Ⅲ類,設計地震分組為第一組,場地設計特征周期為0.53 s,抗震設防類別:底部四層(含裙房)建筑抗震設防類別為重點設防類,裙房以上為標準設防類,框架抗震等級為一級,底部四層筒體為特一級,四層以上筒體為一級。風荷載按照規范與風洞試驗較大值確定。工程地基基礎等級甲級,3#塔樓采用墻柱下樁筏基礎,樁采用后注漿鉆孔灌注樁,直徑900 mm,以⑿2粉質黏土層為持力層,單樁抗壓承力特征值為7 000 kN。

圖2 建筑剖面圖Fig.2 Architectural section

2 結構優化設計原則及主要內容

2.1 結構優化設計原則

根據原結構設計單位提供的計算資料,對荷載取值、設計參數、設計標準及計算假定的合理性提供優化意見,并對結構在風荷載、地震荷載及其它具體荷載下的響應和穩定性進行評估優化。

根據原結構設計單位提供的設計文件,評估結構體系,包括樓板、梁、柱、墻的布置和有關結構適用性、有效性及舒適度方面的設計與要求;并在滿足國家及地方相關規范法規和超限審查意見的前提下,進行了多方案的比選分析,提出經濟合理并且最終有效的結構優化方案,其中包括柱、墻、梁、板、基礎的布置及尺寸截面優化。

2.2 結構優化設計內容

2.2.1計算參數優化和荷載細化

考慮到辦公建筑內部隔墻為輕質隔墻,對自振周期折減系數、連梁剛度折減系數進行調整;柱剪跨比計算原則由簡化方式改為通用方式;框架梁端配筋考慮受壓鋼筋;梁柱重疊部分簡化為剛域。并對墻體線荷載、輕質隔墻荷載、地下室部分降板、避難層中設備用房的恒載和活載進行細化。

2.2.2框架柱優化

原設計框架柱從負二層至十八層都設有型鋼混凝土柱,型鋼柱的型鋼含鋼率3.21%～10.2%。考慮到本樓底下幾層建筑功能為商業,對框架柱大小不是特別敏感,故把型鋼混凝土柱優化為鋼筋混凝土柱,此優化后,底下幾層框架柱截面有所增加,柱配筋也相應會增大,但柱型鋼量可以減少,按《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[2](簡稱抗規)第6.3.6條規定框架-核心筒一級時框架柱軸壓比限值0.75,并根據柱3沿柱全高采用井字復合箍且箍筋肢距不大于200 mm、間距不大于100 mm,直徑不小于12 mm,軸壓比限值可增加0.10,框架柱軸壓比可提升至0.85,考慮到局部柱剪跨比不大于2,軸壓比限值應降低0.05,框架柱軸壓比限值按 0.80 考慮。豎向構件截面優化原則,對平面和豎向進行整體優化,使側向剛度沿豎向均勻變化,整體變形曲線光滑,避免形成軟弱層和薄弱層,調整豎向構件截面和混凝土強度變化標高,避免構件截面變化和混凝土強度變化在同一標高,在確保剛度前提下,使豎向構件的配筋率在一個比較經濟的范圍內。標準層平面墻柱編號如圖3所示,優化前后各樓層主要框架柱對比見表1、表2。

表1 優化前后框架柱典型截面對比Table 1 Comparison of typical section of frame column before and after optimization

表2 優化前后框架柱典型截面對比Table 2 Comparison of typical section of frame column before and after optimization

2.2.3核心筒剪力墻優化

原設計剪力墻厚度偏大,剪力墻豎向厚度變化較小,考慮到框架核心筒結構,在水平力作用下,上部樓層剪力墻的側向位移越來越大,而框架變形反而減小,這是由于框架與剪力墻協同工作,此時剪力墻對結構整體剛度的影響是負面的[3]。適當減少上部墻厚,可以減輕核心筒自重,同時使結構受力更為合理。另外核心筒的內墻對抗側剛度貢獻較小,主要承受豎向荷載,而它所支承的面積很小,可以減薄。優化前后主要墻厚對比見表3、表4。

表3 優化前后剪力墻典型截面對比Table 3 Comparison of typical section of shear wall before and after optimization

表4優化前后剪力墻典型截面對比Table 4Comparison of typical section of shear wall before and after optimization

2.2.4梁優化

在3根內框架柱與核心筒之間增加1 200 mm×600 mm寬扁梁,此方法大大增加Y向側向剛度,也減少此部位板厚。梁截面優化原則,在確保剛度前提下,優先優化截面寬度,使梁截面配筋率在0.6%～1.5%之間。由于建筑要求外框梁控制在800高,故原設計標準層平面中外框梁低中區由500 mm×900 mm改為500 mm×800 mm,高區由500 mm×900 mm改為450 mm×800 mm,塔樓辦公區域框架主梁由500 mm×700 mm改為400 mm×700 mm,塔樓辦公區域樓面次梁由400 mm×700 mm改為300 mm×700 mm,取消核心筒外圍一圈300 mm×600 mm、250 mm×500 mm次梁,由于墻厚優化,連梁寬度也相應減少,調整連梁高度,盡量使連梁跨高比控制在5左右,以降低連梁配筋率。優化前后標準層梁平面布置對比圖詳見圖4、圖5。

2.2.5樓板優化

原設計標準層核心筒內板厚150 mm優化為130 mm,核心筒外四角部板厚由140 mm優化為>110 mm,核心筒與中間內柱間板厚由250 mm優化為130 mm,其余典型板厚由120 mm優化為110 mm,樓板厚度的優化,在減少樓板的混凝土用量和自重的同時,也減少板的構造配筋用量。優化前后標準層樓板平面布置對比圖詳見圖4、圖5。

圖4 原設計標準層梁板平面布置圖(單位:mm)Fig.4 Original design standard layer beam plate layout (Unit:mm)

圖5 優化后標準層梁板平面布置圖(單位:mm)Fig.5 Plane layout of standard floor beam after optimization (Unit:mm)

2.2.6屋頂鋼結構支架

原設計文件中,屋頂支撐擦窗機的軌道梁采用鋼結構梁方案,考慮到鋼結構方案后期維護成本較高,優化后采用混凝土方案,原H700×250×14×20的鋼梁優化為400×800混凝土梁,原H400×220×8×12的鋼梁優化為250×600混凝土梁,雖然增加了部分混凝土用量和自重,但型鋼總量也得以大幅下降,總造價成本也得到相應的減少。

2.2.7筏板基礎優化

通過荷載優化和柱、墻、梁、板截面優化,大大減少了基礎荷載,并對筏板計算參數進行優化,考慮到筏板配筋與沉降計算結果影響較大,根據試樁沉降結果反算群樁沉降放大系數為6;考慮沉降后澆帶的作用,恒載加載比例為0.6;對筏板基礎計算時考慮上部剛度的影響;筏板上、下保護層厚度取為20 mm和50 mm。由于優化時,樁基礎已施工完,考慮樁頂標高問題,故未對樁基礎和筏板厚度進行優化,僅對筏板砼強度進行優化,由原設計C40改為C35,筏板沖切和剪切均滿足規范要求,并對筏板配筋進行優化。基礎筏板配筋示意范圍圖如圖6所示,優化前后基礎筏板配筋率對比見表5。

2.2.8樁基優化

通過上述優化后結構自重減少,相應樁數也可以減少;由于本工程三層地下室,開挖深度達15 m,樁基抗壓工況設計時可考慮采用最低水位下1米計算水浮力,可減少抗壓工況下樁數;根據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[4](簡稱樁基規范)第5.2.4條,按變剛度調平原則設計樁基剛度,保留原設計核心筒樁基剛度,弱化外圍框架柱樁基剛度,外圍框架柱樁基布置時考慮筏板效應確定其復合基樁的豎向承載力特征值,既可以減少樁基數量,又可減少外圍框架柱與核心筒之間的沉降差。以上優化措施可減少原設計樁數20%以上,由于優化時,樁基已施工完成,故上述優化未實施。

圖6 基礎筏板配筋示意范圍圖Fig.6 Schematic diagram of reinforcement of foundation raft

表5 優化前后基礎筏板配筋率對比Table 5 Reinforcement ratio of foundation raft before and after optimization

3 結構優化前后結構整體性能對比分析

3.1 優化前后計算結果對比

經上述優化內容優化后,結構4層以上自重與優化前相比減少約16%,4層以上的基底剪力與優化前相比減少約20%,優化前后計算結果見表6,由于自重減輕,基底剪力減少,同一樓層相同位置,優化后結構柱、墻、梁的配筋相應減小,優化前后局部混凝土構件配筋對比見圖7。

表6 3#樓優化前后單塔計算結果對比Table 6 Comparison of single tower calculation results before and after optimization of 3# building

圖7 優化前后局部混凝土構件配筋對比圖Fig.7 Comparison of reinforcement for reinforced concrete members before and after optimization

3.2 優化前后結構整體性能對比分析

3.2.1結構剛度對比

優化后結構第一自振周期比原設計大0.062 s,第二自振周期優化后為4.226 s,與優化后的第一自振周期比較接近,與原設計相比,優化后結構在X,Y的側向剛度基本接近,更加符合規范兩個方向的側向剛度不宜相差過大的要求。由于優化后結構自重減小,地震作用的基底剪力也相應減少,故在地震作用下的Y向最大位移角優化前后分別為1/898和1/889,最大位移角基本相同,說明優化前后結構的整體剛度變化不大。

3.2.2結構層剛度和位移比對比

優化前后結構的最小剛度均為1,都不存在軟弱層,優化后的樓層層間剛度更為接近;優化前后結構X,Y方向的最小樓層抗剪承載力比分別為0.92,0.94和0.93,0.95,都不存在薄弱層,優化后的最小樓層抗剪承載力比更大;優化前后結構X,Y方向的最大位移比分別為1.30,1.43和1.24,1.26,說明優化后限制結構的扭轉更好;從結構層剛度和位移對比結果可以說明優化后結構層剛度和位移比均優于優化前,豎向剛度變化更趨合理,結構的整體抗震性能優化于優化前。

3.2.3其他結構指標對比

優化前后結構的整體穩定性驗算滿足要求,均不會負應力區;優化前后結構底層框架承擔傾覆彎距比例為30%～40%,承擔剪力為15%～22%,以上樓層逐層增加,除屋頂幾層外,基本都未超過50%;優化后的結構柱局部柱的軸壓比大于優化前,對于較大軸壓比的柱和底部加強區的框架柱采用了沿柱全高采用井字復合箍且箍筋肢距不大于200 mm、間距不大于100 mm、直徑不小于12 mm的措施,保證了框架柱的延性,剪力墻由于自重的減少,優化后剪力墻的軸壓比小于優化前,延性更好。

施工圖設計時優化前后均采用單塔和雙塔整體模型包絡設計。超限審查提出的性能設計目標:底部加強部位剪力墻受剪承載力按中震彈性設計,正截面承載力按中震不屈服設計,過渡層剪力墻受剪承載力滿足中震不屈服，優化前后也均滿足要求。

3.3 風荷載作用下舒適度對比

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[5]第3.7.6條規定,高度超過150 m的高層建筑應具有良好的使用條件,滿足舒適度要求。按《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)[6]規定的10年一遇的風荷載取值計算優化前后的順風向和橫風向結構頂點最大加速度如表7所示。由表7可知,在風荷載作用下,3#樓優化前后的順風向和橫風向頂點加速度值基本相同,風荷載作用下的舒適度相當,均遠小于規范限值0.25 m/s2的要求。

表7 結構頂點峰值加速度(10年重現期)Table 7 Peak acceleration (10 year return period)

4 結構優化設計成果及效益

根據造價顧問單位提供的測算資料,和原施工圖設計相比,節約混凝土量約5 694 m3,型鋼減少1 333.5 t,鋼筋用量減少1 208 t,具體見測算表8;結構優化后可增加樓層使用面積約667 m2,具體詳見表9、表10;由于取消了原塔樓柱內的型鋼和屋頂鋼結構,采用全部現澆鋼筋混凝土結構,省去型鋼加工、制作、安裝的環節,增加了施工便利性,大大節省了施工周期。由于結構優化時樁基已施工完成,筏板厚度和樁基數量均未優化,若考慮自重減少,筏板厚度和樁數的減少,基坑開挖深度相應減少,產生的經濟效益更加可觀。

5 結 論

結構設計優化絕不是用降低安全度來換取經濟效益,也不是簡單的節約用鋼量和混凝土量,而是通過系統的、整體的優化,并根據結構受力特點合理調整構件尺寸,結構自重減輕,地震作用降低,剛度分配更趨合理,結構延性增加,結構安全度相應提高,同時也取得了增大室內使用空間、縮短施工工期和節約建設成本2 294.68萬元的效益,也可為類似工程設計提供參考。

表8 優化成果測算表Table 8 Table of optimization results

表9 框架柱優化增加的樓層使用面積Table 9 Frame column optimization to increase useable floor area m2

表10 核心筒剪力墻優化增加的樓層使用面積Table 10 Core wall to increase usable floor area m2

參考文獻

[1] 徐傳亮,光軍.建筑結構設計優化及實例[M].北京:中國建筑工業出版社,2012.

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[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50011—2010 建筑抗震設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings[S].BeiJing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

[3] 傅學怡.實用高層建筑結構設計[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,2010.

Fu Xueyi.Practical high rise building structure design [M].2nd Edition.Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 94—2008 建筑樁基技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2008.(in Chinese)

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 3—2010 高層建筑混凝土技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

[6] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50009—2012 建筑結構荷載規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50009—2012 Load code for the design of building structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2012.(in Chinese)