超高層建筑群塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

何世鐵

（一方設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣東 陽(yáng)江 529500）

1 項(xiàng)目概況

本塔樓的平面呈正方形，地上部分高度約為195.2m，地上38 層，地下5 層，主屋面高度為164.8m。塔樓立面分成五個(gè)相對(duì)扭轉(zhuǎn)的模塊單元，下部六層為一模塊單元、其他模塊以八層為一單元，模塊單元之間的扭轉(zhuǎn)角度為6°。地面第一個(gè)單元左下角設(shè)置四層高的邊庭，其余單元從右下角開(kāi)始按逆時(shí)針依次設(shè)置六層高的邊庭，造成邊庭角部立柱不連續(xù)。邊庭外墻采用雙層單索幕墻。

2 荷載條件

（1）建筑物抗震設(shè)防類別乙類，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度；設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g；場(chǎng)地類別為Ⅲ類，地震分組為第一組。

（2）基本風(fēng)壓值W0=0.60kN/m2（100 年一遇），用于主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；W0=0.55kN/m2（50 年一遇），用于幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地面粗糙度為B 類。主體結(jié)構(gòu)的體型系數(shù)取1.4；屋頂塔架部分體型系數(shù)取0.2。

（無(wú)核心筒部分）和0.92（有核心筒部分）。

（3）基本雪壓值S0=0.35kN/m2（50 年一遇）。

（4）活荷載如下：商店為5.0kN/m2；停車庫(kù)為4.0kN/m2；塔樓辦公區(qū)域?yàn)?.0kN/m2（按《建筑物及其他結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計(jì)荷載》中國(guó)際甲類寫(xiě)字樓荷載標(biāo)準(zhǔn)取值，含隔墻、吊頂?shù)群奢d）。

3 結(jié)構(gòu)體系

2 號(hào)塔樓采用雙重抗水平力結(jié)構(gòu)體系，即核心筒（一重）和周邊外框架（二重）組成。核心筒與外框架柱之間通過(guò)樓層的主梁和位于設(shè)備層（避難層）的加強(qiáng)桁架聯(lián)系在一起，并因此提高抗水平力（風(fēng)作用及地震作用）的能力。外框架柱為矩形鋼管混凝土框架柱，框架梁為工字鋼梁。

4 樓面結(jié)構(gòu)體系

（1）鋼筋混凝土核心筒內(nèi)的樓面結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板。

鋼筋混凝土核心筒與外圍柱之間由工字鋼梁連接，樓面結(jié)構(gòu)考慮采用鋼筋桁架模板系統(tǒng)。

主要構(gòu)件截面和材料的選用：①樓層及墻、柱、加強(qiáng)桁架信息如表1 所示。②樓層鋼梁、支撐結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件如表2 所示。

（2）工字鋼梁、支撐斜桿、加強(qiáng)桁架、支撐柱材質(zhì)為Q345B，箱形截面混凝土柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40～C30。

5 反應(yīng)譜法主要計(jì)算結(jié)果（程序SETWE）

動(dòng)力反應(yīng)譜分析運(yùn)用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的方法進(jìn)行。分析包括了足夠的振型，使建筑物質(zhì)量參與度超過(guò)90%，每一振型的峰值反應(yīng)均采用CQC 法組合。分析了多方向的水平地震效應(yīng)[1]。

（1）周期、地震力與振型輸出文件。

計(jì)算得到前6 階模態(tài)的振動(dòng)周期結(jié)果。

第3 振型對(duì)應(yīng)的周期T3=2.434 為扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期，第1 振型對(duì)應(yīng)的周期T1=3.8433 為平動(dòng)為主的第一周期，二者之比T3/T1=2.285/6.457=0.633<0.9，說(shuō)明該建筑不屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的建筑。

（2）反應(yīng)譜法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)位移結(jié)果如表3 所示。

表3 反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

由表3 可看出，層間位移角均滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于層間位移角不宜超過(guò)1/755 的要求[2]。

主體結(jié)構(gòu)最大位移146.58mm，建筑物高度164.8m，二者比值為1/1124，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求[3]。

地下5～地下2 層地震作用下的剪重比均在正常范圍內(nèi)，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.5 條規(guī)定的最小地震作用2.26%的要求；地下5～地下2 層地震剪力不滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》5.2.5 條要求，需要調(diào)整。

（3）結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合評(píng)價(jià)。

本工程屬于平面及立面不規(guī)則的超限高層建筑。由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取了較為合理的結(jié)構(gòu)布置，并對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱處采取了有效的構(gòu)造措施，從而減小了體型不規(guī)則帶來(lái)的不利影響，使得結(jié)構(gòu)仍具有良好的抗震性能，計(jì)算結(jié)果滿足現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程的要求。

從結(jié)構(gòu)的三維整體分析結(jié)果來(lái)看，結(jié)構(gòu)沿高度方向的剛度基本是均勻變化，無(wú)明顯突變[4-5]。

6 結(jié)構(gòu)體系中采用兩種不同材質(zhì)構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)性比較

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)使用材料的最合理性，2 號(hào)塔樓采用兩個(gè)方案計(jì)算比較，即矩形鋼管混凝土框架柱-鋼筋混凝土簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)體系、勁性鋼骨混凝土柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系。兩個(gè)方案的平、立面結(jié)構(gòu)布置相同。以下從造價(jià)、建筑構(gòu)件尺寸、單方基礎(chǔ)主結(jié)構(gòu)自重、施工工期及施工對(duì)周圍環(huán)境影響等綜合因素作全面、系統(tǒng)地分析不同材料對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)劣。初步分析結(jié)果如下。

6.1 工程量分析

（1）矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系計(jì)算所得工程量如表4 所示。

表4 矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系計(jì)算所得工程量

（2）鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系計(jì)算所得工程量如表5 所示。

表5 鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系計(jì)算所得工程量

6.2 結(jié)構(gòu)造價(jià)分析

各結(jié)構(gòu)材料費(fèi)如表6 所示。

表6 各結(jié)構(gòu)材料費(fèi)

由表6 可知，從材料總體造價(jià)比較，采用矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)比采用鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)要高3211.84 萬(wàn)元。

7 結(jié)構(gòu)工期

矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)因框架柱、梁為工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)吊裝，其在工期、對(duì)周圍環(huán)境影響這方面的優(yōu)勢(shì)明顯，而鋼骨框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)的造價(jià)低但工期長(zhǎng)30%，時(shí)間成本相對(duì)要高，工期效益就顯得較低。施工工期對(duì)整體成本的影響主要體現(xiàn)在“時(shí)間即是成本”的關(guān)系上。施工工期的縮短，可使建筑物提早投入使用，縮短貸款建設(shè)的還貸時(shí)間，并且能提早出租增加租金收益，另外，矩管框架柱-鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)建筑品質(zhì)及精確度也較高。

8 結(jié)語(yǔ)

因此，業(yè)主對(duì)2 號(hào)塔樓結(jié)構(gòu)材料方案進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可綜合上述比較，從總體經(jīng)濟(jì)效益上考慮兩個(gè)方案的優(yōu)劣。鋼結(jié)構(gòu)成本較混凝土結(jié)構(gòu)成本高，但是綜合構(gòu)件尺寸、基礎(chǔ)造價(jià)、施工周期，鋼結(jié)構(gòu)方案占有一定優(yōu)勢(shì)。