老艷妍

摘 要：結(jié)構(gòu)選型是高層建筑中的重要組成部分，為了使建筑的安全性和穩(wěn)定性得以保證，有效地促進(jìn)高層建筑項目的發(fā)展。本結(jié)合工程案例，對高層辦公樓的結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了分析，介紹了該項目結(jié)構(gòu)體系的方案比選與選型思路，為有關(guān)單位及工作人員提供一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)選型；框架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)性能；結(jié)構(gòu)變形

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，高層建筑規(guī)模不斷發(fā)展。而結(jié)構(gòu)選型作為高層建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，對結(jié)構(gòu)功能、社會效益、建筑造價等都將產(chǎn)生影響。對此，為了使建筑物的安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性得以保證，就要做好其結(jié)構(gòu)的選型。

1.工程概括

某高層辦公建筑地上22層，裙房2層，設(shè)1層地下室，為人防及設(shè)備用房。裙樓的2層層高均為6.0m，三層～二十一層層高4.5m，屋面層高約5.1m，建筑總高度約102.6m。裙房層平面長90m，平面寬62.3m。建筑剖面示意圖如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)層長88.8m，寬28.2m，如圖2所示。方案1為鋼框架結(jié)構(gòu)，豎向構(gòu)件為鋼管混凝土柱，水平構(gòu)件為鋼梁，樓蓋為鋼筋桁架樓承板。方案2為鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)，是在鋼框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上于適當(dāng)位置增加柱間中心支撐。方案3為鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，是在鋼框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加鋼筋混凝土剪力墻核心筒。方案4為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)的廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，豎向構(gòu)件及水平構(gòu)件均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，基本地震加速度為0.05g，建筑場地類別為II類，場地特征周期Tg=0.40s?；撅L(fēng)壓為0.75kN/m2（50年），地面粗糙度為B類。

2.結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中非常關(guān)鍵的第一步。成功的設(shè)計必須依據(jù)工程的具體要求，選擇一個經(jīng)濟(jì)合理、切實可靠最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。該項目的主要需求：①建設(shè)工期緊張，土建施工階段盡快介入裝修工程；②辦公室結(jié)構(gòu)布置靈活，便于后期使用功能調(diào)整；③項目場地的風(fēng)荷載較大，對舒適度要求較高；④盡量控制工程造價。結(jié)合該辦公樓的需求，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段對比分析了以下4個方案。

2.1鋼框架結(jié)構(gòu)

考慮到建筑功能布置及后期室內(nèi)裝修風(fēng)格靈活改變，建筑專業(yè)傾向于優(yōu)先采用純鋼框架結(jié)構(gòu)，不僅施工速度快，材料環(huán)保，還可為綠色節(jié)能建筑加分。但框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較弱，在強(qiáng)風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移和風(fēng)振加速度較大，使用者容易產(chǎn)生風(fēng)振不舒適感。當(dāng)房屋層數(shù)較多、水平荷載較大時，梁、柱截面尺寸將大到超出經(jīng)濟(jì)、合理范圍。因此鋼框架結(jié)構(gòu)體系一般僅適用于30層以下的高樓結(jié)構(gòu)。建造于地震區(qū)，更不得超過20層。

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，6度區(qū)框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度為110m，框架抗震等級為四級。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，6度區(qū)框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度為70m，框架抗震等級為三級。該辦公樓高度為102.6m，經(jīng)初步分析鋼框架結(jié)構(gòu)體系不是較優(yōu)方案。

2.2鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)

鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)是以框架體系為基礎(chǔ)，沿房屋縱向、橫向或其它主軸方向，在不影響建筑平面使用功能及立面效果的前提下，根據(jù)水平力的大小，布置一定數(shù)量的豎向支撐。因豎向支撐與框架的相互作用，增加了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，較大減小了結(jié)構(gòu)變形。根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，6度區(qū)框架-支撐結(jié)構(gòu)的最大適用高度為220m，結(jié)構(gòu)抗震等級為四級。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，6度區(qū)框架-支撐結(jié)構(gòu)的最大適用高度為220m，框架抗震等級為三級。經(jīng)初步分析鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)是可行方案。

2.3鋼框架-鋼筋砼核心筒結(jié)構(gòu)

框架-核心筒結(jié)構(gòu)利用建筑樓層中心位置的電梯井或設(shè)備井布置鋼筋混凝土核心筒形成立體構(gòu)件，具有較大的抗推剛度。與樓層外圈鋼框架為剛接時，芯筒承受著大部分的水平荷載，鋼框架承受小部分的水平荷載。在結(jié)構(gòu)中設(shè)置一定數(shù)量鋼筋混凝土剪力墻核心筒，就會大幅度地減小水平荷載下的結(jié)構(gòu)變形，滿足使用要求。

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，6度區(qū)框筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度為300m，結(jié)構(gòu)抗震等級為四級。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，6度區(qū)框架-核心筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度為220m?？蚣芸拐鸬燃墳槿墸诵耐部拐鸬燃墳槎?。經(jīng)初步分析鋼框架-鋼筋砼核心筒結(jié)構(gòu)是可行方案。

2.4鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)以平面布置靈活，抗側(cè)剛度大，結(jié)構(gòu)變形小等優(yōu)勢，是我國高層辦公樓建筑廣泛使用的經(jīng)典結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，6度區(qū)框架核心筒結(jié)構(gòu)的最大適用高度為150m。框架抗震等級為三級，核心筒抗震等級為二級。經(jīng)初步分析鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)是可行方案。

3.結(jié)構(gòu)指標(biāo)比較分析

概念設(shè)計階段，探討上述4個結(jié)構(gòu)選型的可行性，必須通過建模計算分析各項指標(biāo)，進(jìn)行綜合比較優(yōu)選。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用何種結(jié)構(gòu)體系、何種結(jié)構(gòu)材料直接影響到建筑的結(jié)構(gòu)性能及經(jīng)濟(jì)合理性等。結(jié)合工程需求，本文主要從周期比、位移比（位移角）、樓層水平剪力、結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)材料、施工工期等關(guān)鍵指標(biāo)對4個方案進(jìn)行比較分析。該工程分析程序采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（YJK1.8版本）。

3.1周期比

周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)，是概念設(shè)計中加強(qiáng)抗扭剛度的基本要求，顯示了結(jié)構(gòu)布置的合理性程度。周期比是結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)第一周期與平動第一周期的比值。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》A級高度高層建筑結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1不應(yīng)大于0.9。表1列出了4個不同結(jié)構(gòu)方案計算的前3個振型的自振周期。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》提供的根據(jù)建筑層數(shù)估算高層建筑基本自振周期的計算式子。endprint

鋼結(jié)構(gòu)：

T1=（0.10～0.15）n（1）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)：

T1=（0.05～0.10）n（2）

式中n為建筑總層數(shù)。該工程n=22，則估算鋼結(jié)構(gòu)基本自振周期為2.2s～3.3s，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自振周期為1.1s～2.2s。

由表1可知，4個結(jié)構(gòu)方案的周期比均小于0.9，滿足規(guī)范要求。鋼框架結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的自振周期計算值均比規(guī)范給出的估算值偏大較多。鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)與鋼框架-鋼筋砼核心筒結(jié)構(gòu)兩者的自振周期計算值接近，且計算值與估算值較吻合，說明兩者結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較適宜。

3.2位移比（位移角）

位移比是控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的重要指標(biāo)，是指樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移與本樓平均值的比值，位移比間接控制了結(jié)構(gòu)剛度。該工程平面較為規(guī)則，位移比基本滿足規(guī)范要求。表2列出了4個結(jié)構(gòu)方案計算的層間最大位移角。根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，按彈性方法計算的樓層層間最大水平位移與層高之比不宜大于1/250。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，框架結(jié)構(gòu)與框架-支撐結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值均為[1/300]，鋼框架-鋼筋砼核心筒及鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值均為[1/800]。

由表2可知，框架結(jié)構(gòu)在梁柱截面較大、用鋼量較大的前提下，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度仍較弱。Y向的最大位移角為1/347，臨近規(guī)范的限值[1/300]。鋼框架-鋼筋砼核心筒結(jié)構(gòu)及鋼筋砼框架-核心筒結(jié)構(gòu)的兩個方向的剛度不均衡，X向剛度比Y向剛度大較多，X向的最大位移角較小，而Y向的最大位移角已超過限值[1/800]。鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)X向與Y方向的結(jié)構(gòu)剛度較接近，位移角相近也符合規(guī)范要求，可見在適當(dāng)位置增加適量支撐，可以明顯地改善鋼框架的結(jié)構(gòu)性能。

3.3樓層剪力

圖3給出了4種結(jié)構(gòu)方案分別在X向、Y方向地震作用下的樓層剪力。由圖3～圖4中可知，4種方案的樓層地震剪力分布較均勻，結(jié)構(gòu)豎向布置比較規(guī)則。在水平地震作用下，鋼框架與鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)的樓層地震剪力較接近。鋼框架-鋼筋砼核心筒與鋼筋砼框架-核心筒結(jié)構(gòu)的樓層地震剪力比前兩者大較多，X向、Y向的基底剪力約為前兩者結(jié)構(gòu)的1.4～1.5倍。

3.4結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

結(jié)構(gòu)自重減輕不僅可以降低建筑的地震作用，減小抗側(cè)力構(gòu)件的截面，還可以降低基礎(chǔ)造價和地基處理費用，以及材料的運輸和吊裝費用等。表3給出了4種結(jié)構(gòu)方案統(tǒng)計的恒載總質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)層單位面積質(zhì)量對比情況。由表3可知，鋼框架與鋼框架-中心支撐的質(zhì)量基本接近。鋼框架-鋼筋砼核心筒與鋼筋砼框架-核心筒結(jié)構(gòu)的質(zhì)量約為前兩個方案的25倍～1.4倍。

表1 周期振型列表

表2 層間最大位移角

表3 結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

表4 豎向構(gòu)件材料統(tǒng)計

圖3 X向地震作用下的剪力（kN）

圖4 Y向地震作用下的剪力（kN）

3.5結(jié)構(gòu)材料對比

水平樓板的混凝土用量及含鋼量基本相近，表4僅統(tǒng)計豎向抗側(cè)力構(gòu)件的材料（不含樓板）。由表4可見，鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)比純鋼框架結(jié)構(gòu)僅增加了中心支撐桿件約300t。鋼框架-鋼筋砼核心筒結(jié)構(gòu)比鋼框架增加了混凝土約3474m3及鋼筋約400t。二者比較，鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)使用材料更省且工藝更簡單，而鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)的混凝土用量顯著增加。

3.6建設(shè)工期對比

鋼結(jié)構(gòu)因絕大部分構(gòu)件可在工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、加工，施工耗材少，現(xiàn)場安裝施工作業(yè)面多，安裝速度快，鋼結(jié)構(gòu)施工速度比鋼筋混凝土約快1.5倍。通常鋼結(jié)構(gòu)約每3d～4d完成一層，而鋼筋混凝土約每5d～6d完成一層。該工程若采用鋼結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)封頂可以節(jié)省工期約45d。而且鋼結(jié)構(gòu)不用考慮砼養(yǎng)護(hù)時間，主體鋼結(jié)構(gòu)安裝可以與裝修工程同步進(jìn)行，節(jié)省了裝修工期。

4.討論

本文從6個關(guān)鍵因素對高層辦公樓進(jìn)行了4種不同結(jié)構(gòu)方案的計算與分析。對比結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 對比結(jié)果匯總表

由表5可知，方案1鋼框架結(jié)構(gòu)剛度較弱，變形較大。方案3與方案4剛度分布不合理，X向剛度比Y向大較多，X向位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，而Y向位移角已超限，結(jié)構(gòu)用鋼量及混凝土量增加，施工工藝復(fù)雜，工期顯著增加，耗材又耗工。方案2鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)是在框架體系上適當(dāng)?shù)夭贾靡欢〝?shù)量的豎向支撐，在主體結(jié)構(gòu)用鋼量增加較少的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度明顯提高，結(jié)構(gòu)性能及結(jié)構(gòu)變形均滿足規(guī)范要求。建筑材料及建設(shè)工期等綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也符合業(yè)主預(yù)期要求。

5.結(jié)束語

總之，根據(jù)建筑的具體需求，考慮結(jié)構(gòu)主要設(shè)計指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系尤為重要。經(jīng)4個方案對比分析可見該辦公樓采用方案2，即鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)型式，其結(jié)構(gòu)方案比選經(jīng)驗可供類似供參考借鑒。

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