合肥某裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑設(shè)計(jì)

吳 楊 （安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強(qiáng)度高、施工速度快、抗震性能好、占用面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀等一系列優(yōu)點(diǎn)，與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)可重復(fù)利用，符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，是一種環(huán)保建筑，易于產(chǎn)業(yè)化。在國家大力提倡節(jié)能減排的政策形勢(shì)下，我國建筑業(yè)正向著綠色建筑和建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展轉(zhuǎn)型。《國務(wù)院關(guān)于深入推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的若干意見》（國發(fā)〔2016〕8號(hào)）提出：“積極推廣應(yīng)用綠色新型建材、裝配式建筑和鋼結(jié)構(gòu)建筑?！薄栋不帐∽》亢统青l(xiāng)建設(shè)事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃綱要》也提出：“大力發(fā)展裝配式建筑。推進(jìn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)試點(diǎn)示范，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化綜合試點(diǎn)城市和示范基地建設(shè)，支持公租房、安置房（含貨幣購買項(xiàng)目）按照建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化方式建造。”隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速，鋼結(jié)構(gòu)建筑不僅在工業(yè)建筑中得到發(fā)展，在民用建筑中發(fā)展也較為迅速。

2 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目位于安徽省合肥市，用地面積約 1.38萬㎡，建筑容積率 3.5，建筑密度45%，綠地率20%。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包含辦公、社區(qū)中心及配套設(shè)施，總建筑面積約7.05萬㎡。整個(gè)項(xiàng)目包括多層裙房、A座辦公樓和B座辦公樓三個(gè)單體（圖1），裙房的主要功能為社區(qū)中心、文體活動(dòng)中心及配套設(shè)施，地上5層，地下2層，建筑總高度 21.800m；A、B座辦公樓主要功能為辦公，A座辦公樓地上22層，地下2層，建筑總高度 93.300m，B座辦公樓地上11層，地下2層，建筑總高度47.100m。建筑的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.10g，基本風(fēng)壓為 0.35kN/m2，地面粗糙類別為B類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期Tg=0.35s。根據(jù)招標(biāo)文件的要求，該項(xiàng)目的施工和建設(shè)，須采用裝配式建筑技術(shù)，裝配率須達(dá)到50%以上。

圖1 多層裙房、A座和B座辦公樓剖面示意圖

3 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于須采用裝配式建筑技術(shù)，且裝配率須達(dá)到50%以上。針對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)兩種設(shè)計(jì)方案，從各自的優(yōu)缺點(diǎn)、技術(shù)難度、裝配式建筑技術(shù)方案等角度進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

項(xiàng)目若采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，裙房為多層建筑，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，A、B座辦公樓為高層建筑，采用裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。為了滿足50%裝配率的要求，豎向構(gòu)件中，部分框架柱需采用預(yù)制柱，剪力墻采用現(xiàn)澆；水平構(gòu)件中，部分框架梁采用疊合梁，樓板采用疊合板，板厚取140mm，其中預(yù)制板底板為60mm，現(xiàn)澆面為80mm；外墻為全幕墻設(shè)計(jì)，內(nèi)隔墻采用輕質(zhì)隔墻；其他構(gòu)件，如樓梯、空調(diào)板等，均需采用全預(yù)制構(gòu)件。

通過試算，裙房柱截面約為500mm×500mm，由于裙房功能復(fù)雜，柱配筋種類較多；A座辦公樓底層柱截面約為1000mm×1000mm，B座辦公樓底層柱截面約為800mm×800mm。若采用預(yù)制柱，裙房中，柱截面種類較多，不利于標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)和施工，A座辦公樓預(yù)制柱截面較大，每根柱子的重量約5～9t，吊裝費(fèi)用高，難度大，預(yù)制梁與預(yù)制柱交接處節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，鋼筋碰撞嚴(yán)重，安裝精度要求高，施工難度大。

通過調(diào)研，目前省內(nèi)已經(jīng)完工的采用預(yù)制柱的多層裝配式框架結(jié)構(gòu)僅有兩棟建筑，分別為安徽海龍建筑工業(yè)有限公司的辦公樓（4層）和安徽裕祥建筑科技有限公司的模具用房（3層），且目前國內(nèi)并沒有已經(jīng)完工的100m高左右的裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)均較為匱乏。

3.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)方案

項(xiàng)目若采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，50%的裝配率較為容易實(shí)現(xiàn)。地上部分，多層裙房和B座辦公樓采用鋼框架結(jié)構(gòu)，A座辦公樓采用鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)，鋼柱延伸至地下的部分均采用鋼骨混凝土柱。裙房鋼柱采用矩形鋼管柱，A、B座辦公樓鋼柱采用矩形鋼管混凝土柱，鋼梁均采用焊接H型鋼，柱間支撐采用矩形鋼管，從經(jīng)濟(jì)性考慮，樓板、樓梯、空調(diào)板等采用現(xiàn)澆板，外墻為全幕墻設(shè)計(jì)，內(nèi)隔墻根據(jù)需要可采用輕質(zhì)隔墻或砌塊。

通過試算，裙房柱截面約為500mm×500mm；A座辦公樓底層柱截面約為700mm×700mm，內(nèi)填混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40-C50，B座辦公樓底層柱截面約為600mm×600mm，內(nèi)填混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。鋼柱長(zhǎng)約12m一根，鋼梁約9m一根，構(gòu)件重量輕，施工方便簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)均較為成熟。

通過反復(fù)對(duì)比，最終該項(xiàng)目選擇裝配式鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)方案，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

①與預(yù)制柱、預(yù)制梁相比，鋼柱、鋼梁自重輕，設(shè)計(jì)和施工技術(shù)較為成熟，降低了投資風(fēng)險(xiǎn)，且施工簡(jiǎn)便，周期短，可以盡早投入使用，雖然鋼材價(jià)格相對(duì)較高，但綜合技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)、工期等多項(xiàng)因素，鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更大；

②鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能較好，鋼材比混凝土材料強(qiáng)度高，塑性和韌性好，在地震作用下具有良好的延性和耗能性能。

4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系及布置

本項(xiàng)目多層裙房和B座辦公樓采用鋼框架結(jié)構(gòu)，A座辦公樓采用鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011）和《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 50936）的相關(guān)規(guī)定，裙房、A座和B座辦公樓的抗震等級(jí)均為三級(jí)，A、B座辦公樓的鋼框柱抗震等級(jí)為二級(jí)。裙房柱截面主要為500mm×500mm，梁截面主要為 H550×200×14×20和 H550×200×10×16；A座辦公樓柱截面主要為□700×700×20～□700×700×30，梁截面主要為 H600×250×14×24和 H600×250×16×36，柱間支撐采用人字形斜桿，主要布置在樓電梯間周邊，截面為□180×180×24和□220×220×24；B座辦公樓柱截面主要為□600×600×18～□600×600×24，梁截面主要為H600×250×16×30和 H500×200×14×25。A座辦公樓典型的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖2所示。

4.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值

本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用YJK計(jì)算分析軟件，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算嵌固部位為地下室頂板，地面粗糙度類別為B類，基本風(fēng)壓取0.35kN/㎡，由于A座辦公樓高度較高，屬于對(duì)風(fēng)荷載比較敏感的建筑，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按照基本風(fēng)壓的1.1倍采用，水平地震影響系數(shù)最大值取0.08，阻尼比裙房和B座辦公樓取0.04，A座辦公樓取0.03，中梁和邊梁剛度放大系數(shù)分別取 1.5和 1.2，A、B座辦公樓結(jié)構(gòu)分析模型如圖3、4所示。

圖2 A座辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖3 A座辦公樓結(jié)構(gòu)模型

圖4 B座辦公樓結(jié)構(gòu)模型

4.2 計(jì)算結(jié)果和主要控制參數(shù)

經(jīng)過反復(fù)計(jì)算和調(diào)整，三棟塔樓的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，簡(jiǎn)述如下。

①軸壓比：A、B座辦公樓的矩形鋼管混凝土柱軸壓比控制在0.7以內(nèi)。

②周期比：裙房第一自振周期為1.2s，第二自振周期為 1.0s，周期比為0.83；A座辦公樓第一自振周期為 3.9s，第二自振周期為 3.4s，周期比為 0.87；B座辦公樓第一自振周期為3.1s，第二自振周期為 2.6s，周期比為 0.84。

③應(yīng)力比：柱應(yīng)力比控制在0.80以內(nèi)，主梁的應(yīng)力比控制在0.90以內(nèi)，次梁的應(yīng)力比控制在0.95以內(nèi)。

④位移角:裙房層間最大位移角為1/500，A座辦公樓層間最大位移角為1/650，B座辦公樓層間最大位移角為1/550，滿足《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99）的規(guī)定，且留有一定富余。

⑤位移比：裙房最大位移比為1.28，A座辦公樓最大位移比為1.23，B座辦公樓最大位移比為1.22。

5 主要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，直接決定著鋼結(jié)構(gòu)體系的受力性能和安裝效率。該項(xiàng)目梁柱連接節(jié)點(diǎn)采用栓焊連接（圖5），鋼柱與鋼梁通過腹板上的高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，梁端翼緣與鋼柱采用全熔透坡口焊進(jìn)行連接；鋼柱柱腳采用外包式柱腳（圖6），柱腳由鋼柱腳和外包混凝土組成，位于基礎(chǔ)頂面以上，外包混凝土厚度為200mm，高度貫穿兩層地下室，從基礎(chǔ)頂面至地下室頂板，外包部分的鋼柱翼緣表面設(shè)置栓釘。

圖5 梁與柱栓焊連接節(jié)點(diǎn)

圖6 外包式柱腳節(jié)點(diǎn)

6 結(jié)語

本文通過某裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)公共建筑的設(shè)計(jì)，對(duì)比了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式鋼結(jié)構(gòu)兩種設(shè)計(jì)方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)、設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)難度及裝配式建筑技術(shù)方案，重點(diǎn)介紹了鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和主要設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)公共建筑的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。