某高層辦公樓的結(jié)構(gòu)選型與分析

劉秋芳

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350100)

某高層辦公樓的結(jié)構(gòu)選型與分析

劉秋芳

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350100)

根據(jù)建筑的具體需求選擇合理的結(jié)構(gòu)體系尤為重要。文章結(jié)合某高層辦公樓建筑平面布局、使用功能、建設(shè)工期及工程造價(jià)等因素，比較了鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼框架-中心支撐、鋼框架-鋼筋砼核心筒、鋼筋砼框架-核心筒等4種方案。綜合對(duì)比了4種方案的結(jié)構(gòu)受力特性、變形狀態(tài)、建筑材料及施工工期等關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)果表明鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，顯見鋼結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，鋼結(jié)構(gòu)建筑存在巨大的市場潛力和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

結(jié)構(gòu)選型；鋼框架；鋼框架-中心支撐；鋼框架-鋼筋砼核心筒；鋼筋砼框架-核心筒

0 引言

根據(jù)某高層辦公樓的結(jié)構(gòu)選型與分析，表明建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不單純是結(jié)構(gòu)問題，而是一個(gè)綜合性的科學(xué)問題?？茖W(xué)合理的結(jié)構(gòu)形式，需要綜合考慮建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)的安全性及舒適性、建筑材料的綠色環(huán)保、施工技術(shù)的安全高效以及綜合的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。在日益激烈的市場競爭環(huán)境下，需要工程師能夠找到最適合具體工程需求的結(jié)構(gòu)體系?？箓?cè)力體系的選擇至關(guān)重要，滿足規(guī)范僅僅是設(shè)計(jì)的最低要求，必須不斷試算比較方可找到較佳方案。

1 工程概括

某高層辦公樓地上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)。

圖1 建筑剖面示意圖

(a)方案1:鋼框架結(jié)構(gòu)；方案2:鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)

(b)方案3:鋼框架-鋼筋混凝土核心筒；方案4:鋼筋混凝土-核心筒圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，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(jì)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(jì)是結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的第一步。成功的設(shè)計(jì)必須依據(jù)工程的具體要求，選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理、切實(shí)可靠最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。該項(xiàng)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(xiàng)目場地的風(fēng)荷載較大，對(duì)舒適度要求較高；④盡量控制工程造價(jià)。結(jié)合該辦公樓的需求，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段對(duì)比分析了以下4個(gè)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(shí)，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[1]。

根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]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(jí)為四級(jí)。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]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(jí)為三級(jí)。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》[2]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(jí)為四級(jí)。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]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(jí)為三級(jí)。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(shí)，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(huì)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》[2]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(jí)為四級(jí)。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[3]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?jí)為三級(jí)，核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)。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(jì)規(guī)范》[4]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?？蚣芸拐鸬燃?jí)為三級(jí)，核心筒抗震等級(jí)為二級(jí)。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(jì)階段，探討上述4個(gè)結(jié)構(gòu)選型的可行性，必須通過建模計(jì)算分析各項(xiàng)指標(biāo)，進(jìn)行綜合比較優(yōu)選。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)4個(gè)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(jì)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(jì)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(dòng)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》[5]A級(jí)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(dòng)為主的第一自振周期T1不應(yīng)大于0.9。表1列出了4個(gè)不同結(jié)構(gòu)方案計(jì)算的前3個(gè)振型的自振周期。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]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(jì)算式子。

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(gè)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(jì)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(jì)算值接近，且計(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)方案計(jì)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》[2]，按彈性方法計(jì)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》[3]及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[5]，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(gè)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(duì)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(jià)和地基處理費(fèi)用，以及材料的運(yùn)輸和吊裝費(fèi)用等。表3給出了4種結(jié)構(gòu)方案統(tǒng)計(jì)的恒載總質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)層單位面積質(zhì)量對(duì)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(gè)方案的1.25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(duì)比

表4 豎向構(gòu)件材料統(tǒng)計(jì)

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(duì)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(jì)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(duì)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(shí)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 結(jié)語

本文從6個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)高層辦公樓進(jìn)行了4種不同結(jié)構(gòu)方案的計(jì)算與分析。對(duì)比結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表5 對(duì)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。經(jīng)4個(gè)方案對(duì)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。

鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、延性好、自重輕，可以大大改善結(jié)構(gòu)的受力性能。鋼材具有良好的機(jī)械加工性能，適合工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和加工制作。施工速度快，工期短，大大降低了施工管理費(fèi)、設(shè)備租賃等資本投入。而且鋼結(jié)構(gòu)施工減少現(xiàn)場濕作業(yè)，減輕了揚(yáng)塵、排放廢水、噪聲等對(duì)環(huán)境的污染。鋼結(jié)構(gòu)因綠色環(huán)保、材料可重復(fù)利用等優(yōu)勢，符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求。發(fā)展工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑特別符合我國化解鋼鐵產(chǎn)能過剩、發(fā)展綠色建筑的戰(zhàn)略要求。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展前景非常廣闊，具有巨大的市場潛力與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1] 曾凡生，王敏，楊翠如，等.高樓鋼結(jié)構(gòu)體系與工程實(shí)例 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2] JGJ99-2015 高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[3] GB50936-2014 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[4] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016版)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[5] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[6] GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Structure selection and analysis of a high-rise office building

LIUQiufang

(Fuzhou Planning Design&Research Institute，F(xiàn)uzhou 350100)

It is important to choose reasonable structure system according to the requirement of the building.A high-rise office building due to the layout of the building,the use of functions,construction period and project cost and other factors,four schemes are compared,such as steel frame structure,steel frame center support,steel frame reinforced concrete core tube and reinforced concrete frame core tube .Comprehensive comparison of the four schemes of the structural characteristics of the force,deformation,building materials and construction period and other key indicators,the results show that the steel frame center support structure is the optimal structural scheme.It can be seen from this paper that the steel structure has better comprehensive economic benefits,and the steel structure construction has great market potential and development potential.

Structure selection; Steel frame; Steel frame center support; Steel frame reinforced concrete core tube; Reinforced concrete frame core tube

劉秋芳(1979- )，女，高級(jí)工程師。

E-mail:15928883@qq.com

2017-05-27

TU3

A

1004-6135(2017)09-0031-05