高層建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)形式及材料體系選擇研究

陳 如 何 康

（1. 浙江省省直建筑設(shè)計(jì)院有限公司,浙江 杭州 310030；2.杭州元成規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310016）

0 引言

高層建筑結(jié)構(gòu)體系是指建筑的各構(gòu)件之間的組合方式，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出合適的結(jié)構(gòu)體系對(duì)于提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益及實(shí)現(xiàn)其使用功能至關(guān)重要。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員必須考慮到各方面因素，并根據(jù)這些因素進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比分析，以便選擇最為合適的結(jié)構(gòu)體系。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是使用最普遍的結(jié)構(gòu)材料類型，而混合結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)各具優(yōu)勢(shì)和缺陷[1]。本文介紹不同結(jié)構(gòu)形式體系及結(jié)構(gòu)材料體系，并對(duì)鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)體系方案進(jìn)行對(duì)比研究。

1 高層建筑不同結(jié)構(gòu)形式及材料體系對(duì)比分析

1.1 高層建筑主要的結(jié)構(gòu)形式對(duì)比分析

從結(jié)構(gòu)形式角度來看，高層建筑結(jié)構(gòu)形式體系包括框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系和筒體結(jié)構(gòu)體系。

1.1.1 框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)是一種常見且廣泛應(yīng)用于多層和高層建筑中的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)類型。它主要由梁和柱兩種構(gòu)件承擔(dān)水平和垂直荷載。框架結(jié)構(gòu)具有靈活性強(qiáng)、空間利用率高和立面形式多樣等優(yōu)點(diǎn)。然而，相對(duì)而言，框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度較弱，抗側(cè)向變形能力有限，并且建筑的高度受到一定限制。當(dāng)建筑高度超過一定限度時(shí)，其使用功能可能會(huì)受到影響。

1.1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)依靠墻體構(gòu)件來支撐豎向荷載。它具有墻體截面積相對(duì)較大、整體穩(wěn)定性能好、側(cè)向剛度和強(qiáng)度高以及卓越的抗震性能等優(yōu)點(diǎn)。剪力墻結(jié)構(gòu)也適用于作為房間分隔構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于住宅、公寓、旅館等建筑中。然而，剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于其間距受到樓板跨度的限制，難以滿足某些大空間建筑的功能需求。此外，剪力墻的自重較大，需要仔細(xì)考慮在設(shè)計(jì)中。

1.1.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是將框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，共同承擔(dān)水平和垂直荷載的一種結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系廣泛應(yīng)用于高層公共建筑，具有高空間利用率、多樣化的立面形式和良好的抗震性能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它兼顧了剪力墻對(duì)空間靈活性的局限和框架結(jié)構(gòu)的柔性問題[2]。在設(shè)計(jì)過程中，需要特別注意剪力墻的布局，避免在筒口、豎井、通風(fēng)口、電梯間和樓梯間等有縫隙存在的位置布置剪力墻。剪力墻的數(shù)量應(yīng)適中，過少影響安全，過多影響經(jīng)濟(jì)。剪力墻應(yīng)上下連續(xù)布置，以增強(qiáng)其抗扭轉(zhuǎn)性能。根據(jù)使用功能的要求，可以考慮在縱向或橫向方向上設(shè)置剪力墻[3]。

1.1.4 筒體結(jié)構(gòu)體系

筒體結(jié)構(gòu)體系是一種豎向結(jié)構(gòu)，由若干剪力墻圍成豎井結(jié)構(gòu)，用于抵抗豎向荷載和水平荷載。隨著高層建筑的不斷增加，傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足要求。筒體結(jié)構(gòu)體系以其抗側(cè)剛度大、空間受力性能強(qiáng)、抗彎抗扭性能良好、建筑層數(shù)可大幅度增加等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的一種新型體系，常用于跨度大、空間范圍廣、超高層建筑。該類結(jié)構(gòu)體系根據(jù)筒的數(shù)量、組成和布置的不同，可分為框架－核心筒、筒中筒和束筒三種結(jié)構(gòu)體系[5-6]

1.2 高層建筑主要的材料體系對(duì)比分析

從材料的角度看，高層建筑結(jié)構(gòu)材料體系包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系、鋼結(jié)構(gòu)體系和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系。

1.2.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)高層建筑中占據(jù)主導(dǎo)地位已超過200 年。它通過鋼筋與混凝土兩種材料的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，具有強(qiáng)度高、良好的受力性能、剛性好、造型美觀、成本低廉、維護(hù)成本低、可用資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于我國(guó)的多層、高層乃至超高層建筑，具有長(zhǎng)達(dá)百年的發(fā)展歷史。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用體系涵蓋了技術(shù)、理論、施工和設(shè)計(jì)等方面[4]。

1.2.2 鋼結(jié)構(gòu)體系

鋼結(jié)構(gòu)體系具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如高強(qiáng)度、截面小、輕質(zhì)量、強(qiáng)震抗沖擊性、便于施工和制造簡(jiǎn)單等。因此，在許多發(fā)達(dá)國(guó)家，高層建筑通常采用鋼結(jié)構(gòu)，以形成大跨度、高空間和多功能的建筑體系。然而，鋼結(jié)構(gòu)也存在一些缺陷。首先，經(jīng)濟(jì)性較差，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)材料的價(jià)格較高；其次，鋼結(jié)構(gòu)易受到銹蝕的影響，需要定期維護(hù)保養(yǎng)以確保使用壽命不受影響。此外，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，當(dāng)溫度超過150℃時(shí)，其強(qiáng)度和承載能力會(huì)受到影響，當(dāng)溫度超過600℃時(shí)，結(jié)構(gòu)性能將完全喪失。因此，在我國(guó)，鋼結(jié)構(gòu)體系在高層建筑中的應(yīng)用并不普遍。

1.2.3 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)集合了鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過兩種材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。鋼材具有高強(qiáng)度、延展性好、能夠形成大跨度和大空間的能力；而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較大的剛度、良好的抗震性能和抗沖擊性能等特點(diǎn)。相比于全鋼結(jié)構(gòu)，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)省了材料、降低了施工難度，經(jīng)濟(jì)性更好；相比于單一混凝土結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的抗側(cè)力性能、較輕的自重、更快的施工速度以及增加建筑使用空間的優(yōu)勢(shì)[5-6]。因此，在高層/超高層建筑、大跨度橋梁和地鐵隧道等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的連接施工技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)形式及材料體系的選擇分析

2.1 工程概況

擬建南京市某高層建筑，地下2層，地上21層。結(jié)構(gòu)高度98m，抗震設(shè)防烈度為8 度(0.20g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，50年重現(xiàn)期的基本風(fēng)壓為0.40kN/m。

2.2 組合結(jié)構(gòu)體系方案比較

組合結(jié)構(gòu)是一種由多種不同材料組成并協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)，能夠共同支撐和承載側(cè)向荷載力和豎向荷載力的影響。該工程擬選取框架－核心筒結(jié)構(gòu)形式，分析了3 種組合方案的性能和效益?？蚣埽诵耐步Y(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 框架-核心筒結(jié)構(gòu)平面圖

2.3 3種組合結(jié)構(gòu)方案性能對(duì)比分析

針對(duì)該工程概況，選取了3 種組合結(jié)構(gòu)體系方案進(jìn)行比較。方案1：鋼筋混凝土框架核心筒；方案2：型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架和鋼筋混凝土核心筒；方案3：鋼管混凝土柱-鋼梁框架和鋼筋混凝土核心筒。3種方案的相關(guān)指標(biāo)對(duì)比見表1所示。

表1 3種方案性能指標(biāo)對(duì)比

受剪承載力、抗震性能是對(duì)比分析的關(guān)鍵內(nèi)容，下面分別論述。

2.3.1 受剪承載力控制

從受剪承載力控制方面來看，方案3 是最優(yōu)的。因?yàn)樵摲桨钢械匿摴芑炷林蠓黾恿嘶炷林目箟簭?qiáng)度，通過外圈鋼管對(duì)里面混凝土的套箍作用，混凝土在三向受壓狀態(tài)下具備了延性的受力特性，使得原本脆性的混凝土更加抗壓。鋼管混凝土柱的承載力等于單獨(dú)鋼管承載力加上單獨(dú)混凝土承載力的和的1.7 倍，表面通過采用鋼管混凝土柱的結(jié)構(gòu)形式，利用外圍鋼管抵抗混凝土的負(fù)面效應(yīng)，可以在一定程度上提高承載力。所以方案3的受剪承載力最大。

2.3.2 抗震性能

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（pkpm）對(duì)3 種方案分別建模，采用SATWE 模塊分別對(duì)3 種方案的地震作用進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2。由表2可見，方案1中采用加大柱面積來減小柱軸壓比，外框柱截面已增加到1700mm，導(dǎo)致底部的框架柱接近短柱，增加了受剪力破壞的風(fēng)險(xiǎn)，降低抗震性能;方案2 中外框柱截面比方案1 減小了500mm，且柱軸壓比也減小，說明抗震性能有所提高；方案3 的鋼管混凝土柱具有更高的受剪承載力，這是因?yàn)殇摴芑炷林慕Y(jié)構(gòu)形式能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，增加了承載能力，在抗震性能方面，方案3 具有最小的底層地震剪力，表明方案3 在抗震性能方面最優(yōu)。

表2 3種方案的抗震性能計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)3種組合結(jié)構(gòu)體系方案的比較和分析，得出方案3在受剪承載力和抗震性能方面具有較好的性能。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合具體的高層建筑工程案例，從結(jié)構(gòu)形式及材料組合兩個(gè)方面分析了高層建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。對(duì)3 種結(jié)構(gòu)形式及材料組合方案進(jìn)行了對(duì)比研究，方案1 為鋼筋混凝土框架核心筒，方案2 為型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架和鋼筋混凝土核心筒，方案3 為鋼管混凝土柱－鋼梁框架和鋼筋混凝土核心筒，通過對(duì)最大地震剪力、最大層間位移角、剪重比及柱軸壓比等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算及結(jié)果對(duì)比分析，得出方案3的受剪承載力最大、抗震性能最好、經(jīng)濟(jì)效益最佳，符合該工程項(xiàng)目的性能要求。