吳 楊 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

鋼結構具有自重輕、強度高、施工速度快、抗震性能好、占用面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀等一系列優(yōu)點，與混凝土結構相比，鋼結構可重復利用，符合可持續(xù)發(fā)展的目標，是一種環(huán)保建筑，易于產(chǎn)業(yè)化。在國家大力提倡節(jié)能減排的政策形勢下，我國建筑業(yè)正向著綠色建筑和建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展轉型?！秶鴦赵宏P于深入推進新型城鎮(zhèn)化建設的若干意見》（國發(fā)〔2016〕8號）提出：“積極推廣應用綠色新型建材、裝配式建筑和鋼結構建筑。”《安徽省住房和城鄉(xiāng)建設事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要》也提出：“大力發(fā)展裝配式建筑。推進裝配式混凝土結構、鋼結構試點示范，推動產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化綜合試點城市和示范基地建設，支持公租房、安置房（含貨幣購買項目）按照建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化方式建造。”隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鋼產(chǎn)量增長迅速，鋼結構建筑不僅在工業(yè)建筑中得到發(fā)展，在民用建筑中發(fā)展也較為迅速。

2 項目概況

某項目位于安徽省合肥市，用地面積約 1.38萬㎡，建筑容積率 3.5，建筑密度45%，綠地率20%。項目建設內(nèi)容包含辦公、社區(qū)中心及配套設施，總建筑面積約7.05萬㎡。整個項目包括多層裙房、A座辦公樓和B座辦公樓三個單體（圖1），裙房的主要功能為社區(qū)中心、文體活動中心及配套設施，地上5層，地下2層，建筑總高度 21.800m；A、B座辦公樓主要功能為辦公，A座辦公樓地上22層，地下2層，建筑總高度 93.300m，B座辦公樓地上11層，地下2層，建筑總高度47.100m。建筑的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度峰值為0.10g，基本風壓為 0.35kN/m2，地面粗糙類別為B類，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類場地，特征周期Tg=0.35s。根據(jù)招標文件的要求，該項目的施工和建設，須采用裝配式建筑技術，裝配率須達到50%以上。

圖1 多層裙房、A座和B座辦公樓剖面示意圖

3 裝配式混凝土結構和裝配式鋼結構方案對比

本項目設計的重點和難點在于須采用裝配式建筑技術，且裝配率須達到50%以上。針對裝配式混凝土結構和裝配式鋼結構兩種設計方案，從各自的優(yōu)缺點、技術難度、裝配式建筑技術方案等角度進行了對比。

3.1 裝配式混凝土結構技術方案

項目若采用裝配式混凝土結構，裙房為多層建筑，采用裝配整體式框架結構，A、B座辦公樓為高層建筑，采用裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結構。為了滿足50%裝配率的要求，豎向構件中，部分框架柱需采用預制柱，剪力墻采用現(xiàn)澆；水平構件中，部分框架梁采用疊合梁，樓板采用疊合板，板厚取140mm，其中預制板底板為60mm，現(xiàn)澆面為80mm；外墻為全幕墻設計，內(nèi)隔墻采用輕質隔墻；其他構件，如樓梯、空調板等，均需采用全預制構件。

通過試算，裙房柱截面約為500mm×500mm，由于裙房功能復雜，柱配筋種類較多；A座辦公樓底層柱截面約為1000mm×1000mm，B座辦公樓底層柱截面約為800mm×800mm。若采用預制柱，裙房中，柱截面種類較多，不利于標準化的生產(chǎn)和施工，A座辦公樓預制柱截面較大，每根柱子的重量約5～9t，吊裝費用高，難度大，預制梁與預制柱交接處節(jié)點復雜，鋼筋碰撞嚴重，安裝精度要求高，施工難度大。

通過調研，目前省內(nèi)已經(jīng)完工的采用預制柱的多層裝配式框架結構僅有兩棟建筑，分別為安徽海龍建筑工業(yè)有限公司的辦公樓（4層）和安徽裕祥建筑科技有限公司的模具用房（3層），且目前國內(nèi)并沒有已經(jīng)完工的100m高左右的裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結構，設計和施工經(jīng)驗均較為匱乏。

3.2 裝配式鋼結構技術方案

項目若采用裝配式鋼結構，50%的裝配率較為容易實現(xiàn)。地上部分，多層裙房和B座辦公樓采用鋼框架結構，A座辦公樓采用鋼框架-中心支撐結構，鋼柱延伸至地下的部分均采用鋼骨混凝土柱。裙房鋼柱采用矩形鋼管柱，A、B座辦公樓鋼柱采用矩形鋼管混凝土柱，鋼梁均采用焊接H型鋼，柱間支撐采用矩形鋼管，從經(jīng)濟性考慮，樓板、樓梯、空調板等采用現(xiàn)澆板，外墻為全幕墻設計，內(nèi)隔墻根據(jù)需要可采用輕質隔墻或砌塊。

通過試算，裙房柱截面約為500mm×500mm；A座辦公樓底層柱截面約為700mm×700mm，內(nèi)填混凝土強度等級為C40-C50，B座辦公樓底層柱截面約為600mm×600mm，內(nèi)填混凝土強度等級為C40。鋼柱長約12m一根，鋼梁約9m一根，構件重量輕，施工方便簡單，設計和施工技術均較為成熟。

通過反復對比，最終該項目選擇裝配式鋼結構技術方案，主要有以下幾點優(yōu)勢：

①與預制柱、預制梁相比，鋼柱、鋼梁自重輕，設計和施工技術較為成熟，降低了投資風險，且施工簡便，周期短，可以盡早投入使用，雖然鋼材價格相對較高，但綜合技術、風險、工期等多項因素，鋼結構的優(yōu)勢更大；

②鋼結構的抗震性能較好，鋼材比混凝土材料強度高，塑性和韌性好，在地震作用下具有良好的延性和耗能性能。

4 裝配式鋼結構體系及布置

本項目多層裙房和B座辦公樓采用鋼框架結構，A座辦公樓采用鋼框架-中心支撐結構。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011）和《鋼管混凝土結構技術規(guī)范》（GB 50936）的相關規(guī)定，裙房、A座和B座辦公樓的抗震等級均為三級，A、B座辦公樓的鋼框柱抗震等級為二級。裙房柱截面主要為500mm×500mm，梁截面主要為 H550×200×14×20和 H550×200×10×16；A座辦公樓柱截面主要為□700×700×20～□700×700×30，梁截面主要為 H600×250×14×24和 H600×250×16×36，柱間支撐采用人字形斜桿，主要布置在樓電梯間周邊，截面為□180×180×24和□220×220×24；B座辦公樓柱截面主要為□600×600×18～□600×600×24，梁截面主要為H600×250×16×30和 H500×200×14×25。A座辦公樓典型的標準層結構平面布置圖如圖2所示。

4.1 主要設計參數(shù)取值

本工程結構設計采用YJK計算分析軟件，結構整體計算嵌固部位為地下室頂板，地面粗糙度類別為B類，基本風壓取0.35kN/㎡，由于A座辦公樓高度較高，屬于對風荷載比較敏感的建筑，承載力設計時按照基本風壓的1.1倍采用，水平地震影響系數(shù)最大值取0.08，阻尼比裙房和B座辦公樓取0.04，A座辦公樓取0.03，中梁和邊梁剛度放大系數(shù)分別取 1.5和 1.2，A、B座辦公樓結構分析模型如圖3、4所示。

圖2 A座辦公樓標準層結構平面布置圖

圖3 A座辦公樓結構模型

圖4 B座辦公樓結構模型

4.2 計算結果和主要控制參數(shù)

經(jīng)過反復計算和調整，三棟塔樓的各項指標均滿足規(guī)范要求，簡述如下。

①軸壓比：A、B座辦公樓的矩形鋼管混凝土柱軸壓比控制在0.7以內(nèi)。

②周期比：裙房第一自振周期為1.2s，第二自振周期為 1.0s，周期比為0.83；A座辦公樓第一自振周期為 3.9s，第二自振周期為 3.4s，周期比為 0.87；B座辦公樓第一自振周期為3.1s，第二自振周期為 2.6s，周期比為 0.84。

③應力比：柱應力比控制在0.80以內(nèi)，主梁的應力比控制在0.90以內(nèi)，次梁的應力比控制在0.95以內(nèi)。

④位移角:裙房層間最大位移角為1/500，A座辦公樓層間最大位移角為1/650，B座辦公樓層間最大位移角為1/550，滿足《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》（JGJ99）的規(guī)定，且留有一定富余。

⑤位移比：裙房最大位移比為1.28，A座辦公樓最大位移比為1.23，B座辦公樓最大位移比為1.22。

5 主要節(jié)點設計

鋼結構設計中，節(jié)點設計十分關鍵，直接決定著鋼結構體系的受力性能和安裝效率。該項目梁柱連接節(jié)點采用栓焊連接（圖5），鋼柱與鋼梁通過腹板上的高強螺栓進行連接，梁端翼緣與鋼柱采用全熔透坡口焊進行連接；鋼柱柱腳采用外包式柱腳（圖6），柱腳由鋼柱腳和外包混凝土組成，位于基礎頂面以上，外包混凝土厚度為200mm，高度貫穿兩層地下室，從基礎頂面至地下室頂板，外包部分的鋼柱翼緣表面設置栓釘。

圖5 梁與柱栓焊連接節(jié)點

圖6 外包式柱腳節(jié)點

6 結語

本文通過某裝配式高層鋼結構公共建筑的設計，對比了裝配式混凝土結構和裝配式鋼結構兩種設計方案各自的優(yōu)缺點、設計和施工的技術難度及裝配式建筑技術方案，重點介紹了鋼框架結構和鋼框架-支撐結構的設計方法和主要設計節(jié)點，對裝配式鋼結構公共建筑的設計有一定的指導作用。