張俊霞

（河南省建筑科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450053）

隨著城市建設(shè)土地資源越來越緊張，為提高土地資源的利用率，建筑的層數(shù)不斷增加，超高層建筑在城市建設(shè)中不斷涌現(xiàn)，包括住宅及公共建筑等。建筑結(jié)構(gòu)類型的選擇，是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。超高層建筑結(jié)構(gòu)具有抗側(cè)移能力低、水平荷載（水平風(fēng)力或水平地震力）影響遠(yuǎn)比豎向荷載大、高空作業(yè)較多等特點(diǎn)[1]。現(xiàn)代城市不斷發(fā)展，建筑要求越來越復(fù)雜，在超高層建筑的結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)中，需要以安全性為基礎(chǔ)，綜合考慮建筑空間、使用功能以及經(jīng)濟(jì)性，合理選擇結(jié)構(gòu)方案。文章結(jié)合某超高層建筑的具體工程，分析其結(jié)構(gòu)選型的經(jīng)濟(jì)性和合理性。

1 工程概況

某超高層建筑，建筑用地面積大約2.7萬m2。地上、地下面積分別大約為11萬m2、3萬m2。A座為45層，B座28層。A座和B座2棟主樓與局部裙房，共同構(gòu)成該超高層建筑工程。

2 主樓建筑體形特點(diǎn)及工程技術(shù)參數(shù)

A座的總建筑面積超過8萬m2，B座的總建筑面積低于8萬m2。該超高層建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為六度，基本地震加速度為0.05g。場(chǎng)地特征周期為0.45s。根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，A座劃為乙類，重點(diǎn)設(shè)防類；B座為丙類，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。所在地區(qū)的地面粗糙度取B類?；撅L(fēng)壓為0.5 kN/m2。B座風(fēng)荷載體形系數(shù)位1.35，A座為1.4（根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)于風(fēng)荷載敏感的超高層建筑，承載力設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)荷載計(jì)算按基本風(fēng)壓的1.1倍采用）。核心筒抗震等級(jí)A座為一級(jí)，B座為二級(jí)?？蚣芸拐鸬燃?jí)A座為一級(jí)，B座為三級(jí)。主樓外輪廓尺寸如表1所示。

表1 主樓外輪廓尺寸

3 結(jié)構(gòu)選型

A座的高度是約192m，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》B級(jí)鋼筋混凝土框架-核心筒建筑的最大高度要求，滿足《高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》混合框架-核心筒，以及鋼框架-核心筒的最大適用高度要求。因此，使用混合結(jié)構(gòu)、全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，都有可行性。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》6度區(qū)乙類建筑B級(jí)高度的框架-核心筒結(jié)構(gòu)，框架及核心筒抗震等級(jí)均為一級(jí)[2]。

B座的高度是113m，符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》A級(jí)鋼筋混凝土框架-核心筒的最大高度要求。根據(jù)建筑工程經(jīng)驗(yàn)，以及建筑平立面布置特點(diǎn)，每平方米用鋼量約60～70kg的全鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性、受力性最好。其中，核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，經(jīng)計(jì)算，在地震和風(fēng)荷載作用下，周期、位移等各種整體指標(biāo)均滿足規(guī)程限值要求。

對(duì)于A座結(jié)構(gòu)選型的分析，綜合考慮使用核心筒以及建筑平面布置的特點(diǎn)，混凝土核心筒可以提升結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，不對(duì)建筑內(nèi)部使用空間產(chǎn)生影響，并且有良好的抗壓性能，因此在選擇方案時(shí)沒有列入全鋼結(jié)構(gòu)體系[3]。除鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)外，針對(duì)外部框架梁、柱采用不同類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，混合框架-核心筒結(jié)構(gòu)可分為以下幾種類型：鋼柱-鋼梁-鋼筋混凝土核心筒、鋼筋混凝土柱-混凝土梁-鋼筋混凝土核心筒、型鋼混凝土柱-混凝土梁-鋼筋混凝土核心筒、型鋼混凝土柱-鋼梁-鋼筋混凝土核心筒、鋼管混凝土柱-鋼梁-鋼筋混凝土核心筒、鋼管混凝土柱-混凝土梁-鋼筋混凝土核心筒?？紤]到框架梁按剛度所分配的彎矩并不很大，而框架柱的截面較大，因此一般不采用型鋼混凝土梁。A座的外立面呈現(xiàn)鼓形的狀態(tài)，建筑體形趨于板式，長寬比大，核心筒尺寸狹長，高寬比遠(yuǎn)超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》不宜小于1/12的規(guī)定。另外，迎風(fēng)面大，外圍柱稀疏，需適當(dāng)增加外圍框架的剛度支撐力度，滿足風(fēng)荷載作用對(duì)結(jié)構(gòu)層間舒適度、位移度的要求。

相對(duì)來說，鋼柱-鋼梁-核心筒體系外圍框架方案的剛度，在上述所有方案中是最小的，因此將鋼柱-鋼梁-核心筒體系排除[4]。相比純鋼柱，圓鋼管混凝土柱的剛度更高。圓鋼管混凝土柱連接非正交方向的鋼梁更加方便。混凝土抗壓性能高，但相比混凝土梁，鋼梁的剛度依然更低。外圍框架抗側(cè)剛度較低，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)二階扭轉(zhuǎn)振型，需要增加加強(qiáng)層，提高抗側(cè)剛度、扭轉(zhuǎn)剛度，并且促進(jìn)抗風(fēng)性能的提升。計(jì)算模型梁柱截面尺寸、核心筒尺寸一樣，兩者的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。從表2可以看出超高層結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防烈度區(qū)，風(fēng)荷載起控制作用，沒有設(shè)置加強(qiáng)層的結(jié)構(gòu)，剛度較低，在風(fēng)荷載作用下Y向?qū)娱g位移角不滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)限值規(guī)定，且第二周期不應(yīng)以扭轉(zhuǎn)為主的扭轉(zhuǎn)振型，一般應(yīng)為平動(dòng)周期。根據(jù)前三階振型扭轉(zhuǎn)系數(shù)、振型周期時(shí)長，可知利用加強(qiáng)層，能夠有效提升結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，加強(qiáng)層附近有較高的剛度，對(duì)層間位移能夠有效控制。

表2 A座鋼管混凝土柱—鋼梁—核心筒帶加強(qiáng)層與不帶加強(qiáng)層的技術(shù)指標(biāo)

加強(qiáng)層由伸臂桁架和周邊的腰桁架組成，綜合考慮伸臂桁架的經(jīng)濟(jì)性以及施工的復(fù)雜性，外框架體系使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有較大的剛度，并且能夠提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)性能。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，酌情在底部數(shù)層柱內(nèi)增設(shè)型鋼或采用鋼管混凝土柱的做法，解決底層柱軸壓比可能超限的情況[5]。

4 方案優(yōu)化及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

根據(jù)以上概念設(shè)計(jì)，初步優(yōu)化型鋼混凝土柱-混凝土梁-核心筒、鋼管混凝土柱-混凝土梁-核心筒，鋼筋混凝土框架-核心筒三種方案。三種方案只有框架柱的做法有一些不同，其他基本接近。結(jié)合周圍樓板出挑、柱網(wǎng)稀疏等因素，由于在長寬方向上，核心筒主體的側(cè)向剛度，存在明顯的差別（樓面中心是結(jié)構(gòu)剛度的集中區(qū)域，存在結(jié)構(gòu)易扭轉(zhuǎn)、周邊剛度差的問題），因此進(jìn)行方案優(yōu)化。削弱X向（長向）剛度，可以適當(dāng)在此方向墻板開洞，同時(shí)增加Y向墻板的厚度。另外，為實(shí)現(xiàn)抗扭剛度增強(qiáng)的目的，柱間環(huán)形框架梁的截面尺寸，也要適當(dāng)增加。但要注意，不能過多削弱周邊的框架剛度，設(shè)計(jì)柱截面的尺寸不能過小。

在核心筒尺寸基本相同的情況下，鋼梁體系呈現(xiàn)最大的Y向?qū)娱g位移，側(cè)向剛度較低，結(jié)構(gòu)的周期基本相似。為提升側(cè)向剛度，需要合理增加筒體墻厚。如果核心筒的剛度增加的過大，會(huì)進(jìn)入第二周期的扭轉(zhuǎn)周期。當(dāng)柱、墻斷面基本接近，相比來說，混凝土框架方案經(jīng)濟(jì)性能最明顯，具有施工簡單、用鋼量較低等優(yōu)勢(shì)。雖然也有類似的方案，但節(jié)點(diǎn)處理復(fù)雜，鋼筋混凝土框架-核心筒方案相對(duì)更優(yōu)，對(duì)構(gòu)件制作安裝、建筑使用功能影響更小。

表3 A座各方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)情況

5 總結(jié)

該次研究選取某超高層建筑，主要對(duì)其A座的結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行選擇分析。結(jié)果表明，鋼筋混凝土框架-核心筒方案最佳，最具經(jīng)濟(jì)性和合理性。由于樓層建筑的風(fēng)載、地震力都不太高，容易符合強(qiáng)度的要求，必須選擇最佳的剛度方案，有效發(fā)揮剛度的主控作用。應(yīng)用鋼筋混凝土框架-核心筒方案，外圍剛度更高。如果考慮其他因素，使用鋼梁體系，需要增加加強(qiáng)層，提升抗側(cè)剛度和抗扭剛度。