超高層建筑結構選型的經(jīng)濟性和合理性分析

張俊霞

（河南省建筑科學研究院有限公司，河南 鄭州 450053）

隨著城市建設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中不斷涌現(xiàn)，包括住宅及公共建筑等。建筑結構類型的選擇，是超高層建筑結構設計的重要環(huán)節(jié)。超高層建筑結構具有抗側移能力低、水平荷載（水平風力或水平地震力）影響遠比豎向荷載大、高空作業(yè)較多等特點[1]。現(xiàn)代城市不斷發(fā)展，建筑要求越來越復雜，在超高層建筑的結構選型設計中，需要以安全性為基礎，綜合考慮建筑空間、使用功能以及經(jīng)濟性，合理選擇結構方案。文章結合某超高層建筑的具體工程，分析其結構選型的經(jīng)濟性和合理性。

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，共同構成該超高層建筑工程。

2 主樓建筑體形特點及工程技術參數(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)的抗震設防烈度為六度，基本地震加速度為0.05g。場地特征周期為0.45s。根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準》，A座劃為乙類，重點設防類；B座為丙類，標準設防類。所在地區(qū)的地面粗糙度取B類?；撅L壓為0.5 kN/m2。B座風荷載體形系數(shù)位1.35，A座為1.4（根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》，對于風荷載敏感的超高層建筑，承載力設計時，風荷載計算按基本風壓的1.1倍采用）。核心筒抗震等級A座為一級，B座為二級?？蚣芸拐鸬燃堿座為一級，B座為三級。主樓外輪廓尺寸如表1所示。

表1 主樓外輪廓尺寸

3 結構選型

A座的高度是約192m，符合《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》B級鋼筋混凝土框架-核心筒建筑的最大高度要求，滿足《高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規(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，使用混合結構、全鋼筋混凝土結構，都有可行性。根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》6度區(qū)乙類建筑B級高度的框架-核心筒結構，框架及核心筒抗震等級均為一級[2]。

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

對于A座結構選型的分析，綜合考慮使用核心筒以及建筑平面布置的特點，混凝土核心筒可以提升結構的抗側剛度，不對建筑內(nèi)部使用空間產(chǎn)生影響，并且有良好的抗壓性能，因此在選擇方案時沒有列入全鋼結構體系[3]。除鋼筋混凝土框架-核心筒結構外，針對外部框架梁、柱采用不同類型的結構構件，混合框架-核心筒結構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，高寬比遠超過《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》不宜小于1/12的規(guī)定。另外，迎風面大，外圍柱稀疏，需適當增加外圍框架的剛度支撐力度，滿足風荷載作用對結構層間舒適度、位移度的要求。

相對來說，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?；炷量箟盒阅芨撸啾然炷亮?，鋼梁的剛度依然更低。外圍框架抗側剛度較低，容易導致結構出現(xiàn)二階扭轉(zhuǎn)振型，需要增加加強層，提高抗側剛度、扭轉(zhuǎn)剛度，并且促進抗風性能的提升。計算模型梁柱截面尺寸、核心筒尺寸一樣，兩者的相關技術指標如表2所示。從表2可以看出超高層結構在6度設防烈度區(qū)，風荷載起控制作用，沒有設置加強層的結構，剛度較低，在風荷載作用下Y向?qū)娱g位移角不滿足《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》的相關限值規(guī)定，且第二周期不應以扭轉(zhuǎn)為主的扭轉(zhuǎn)振型，一般應為平動周期。根據(jù)前三階振型扭轉(zhuǎn)系數(shù)、振型周期時長，可知利用加強層，能夠有效提升結構的動力特性，加強層附近有較高的剛度，對層間位移能夠有效控制。

表2 A座鋼管混凝土柱—鋼梁—核心筒帶加強層與不帶加強層的技術指標

加強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)濟性以及施工的復雜性，外框架體系使用鋼筋混凝土結構。鋼筋混凝土結構有較大的剛度，并且能夠提高結構的扭轉(zhuǎn)性能。同時，根據(jù)實際情況，酌情在底部數(shù)層柱內(nèi)增設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)化及技術經(jīng)濟指標比較

根據(jù)以上概念設計，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，核心筒主體的側向剛度，存在明顯的差別（樓面中心是結構剛度的集中區(qū)域，存在結構易扭轉(zhuǎn)、周邊剛度差的問題），因此進行方案優(yōu)化。削弱X向（長向）剛度，可以適當在此方向墻板開洞，同時增加Y向墻板的厚度。另外，為實現(xiàn)抗扭剛度增強的目的，柱間環(huán)形框架梁的截面尺寸，也要適當增加。但要注意，不能過多削弱周邊的框架剛度，設計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，側向剛度較低，結構的周期基本相似。為提升側向剛度，需要合理增加筒體墻厚。如果核心筒的剛度增加的過大，會進入第二周期的扭轉(zhuǎn)周期。當柱、墻斷面基本接近，相比來說，混凝土框架方案經(jīng)濟性能最明顯，具有施工簡單、用鋼量較低等優(yōu)勢。雖然也有類似的方案，但節(jié)點處理復雜，鋼筋混凝土框架-核心筒方案相對更優(yōu)，對構件制作安裝、建筑使用功能影響更小。

表3 A座各方案的經(jīng)濟指標情況

5 總結

該次研究選取某超高層建筑，主要對其A座的結構選型進行選擇分析。結果表明，鋼筋混凝土框架-核心筒方案最佳，最具經(jīng)濟性和合理性。由于樓層建筑的風載、地震力都不太高，容易符合強度的要求，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，需要增加加強層，提升抗側剛度和抗扭剛度。