180m超高層建筑結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化研究

王煥林

（廣州市建設(shè)投資發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510000）

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

結(jié)構(gòu)方案階段的結(jié)構(gòu)體系以及平面布置，對造價(jià)的影響最大。對超高層建筑來說，控制結(jié)構(gòu)成本，關(guān)鍵在于方案階段找出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布置以及結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟如下。

1.1 對全樓整體進(jìn)行減重設(shè)計(jì)

對全樓整體進(jìn)行減重設(shè)計(jì)：1）樓面荷載精細(xì)化輸入。2）計(jì)算參數(shù)設(shè)置檢查。3）水平樓蓋體系構(gòu)件截面的擇選。

1.2 主體抗扭動力特性敏感性分析

建筑結(jié)構(gòu)的主體動力特性是反映主體本身所固有的動力性能，主要包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等動力特性參數(shù)。在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主體的抗扭動力特性參數(shù)代表了結(jié)構(gòu)本身所固有的動力性能，這是由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)，構(gòu)造連接等因素決定的。在結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、材料及構(gòu)造基本確定的情況下，著重從結(jié)構(gòu)剛度的2個(gè)方面進(jìn)行分析：1）主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系敏感性分析。2）豎向構(gòu)件剪力墻、連梁、框架梁、框架柱的分布及截面選擇。

1.3 中等延性構(gòu)造設(shè)計(jì)

對豎向構(gòu)件剪力墻采用中等延性構(gòu)造，將水平地震影響系數(shù)最大值提高一度取值，并考慮風(fēng)與地震荷載的組合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，對剪力墻的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，在達(dá)到滿足性能要求的情況下，剪力墻的構(gòu)造抗震等級可以按常規(guī)設(shè)計(jì)的抗震烈度降低一度且不低于6度進(jìn)行抗震等級設(shè)計(jì)。

該文主要對180m超高層建筑的主體結(jié)構(gòu)抗扭動力特性敏感性方面進(jìn)行分析探討，以期從中找出最適合項(xiàng)目自身特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)體系。

2 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化方法

超高層建筑的結(jié)構(gòu)通常相比普通建筑來說具有獨(dú)特性，單憑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，難以找到結(jié)構(gòu)體系的最優(yōu)解。因此，需要使用結(jié)構(gòu)模型計(jì)算軟件，得到結(jié)構(gòu)中每種構(gòu)件對體系的貢獻(xiàn)值，據(jù)此調(diào)整構(gòu)件尺寸和材料分布，使其在滿足相關(guān)指標(biāo)的條件下，達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能。

在對構(gòu)件進(jìn)行分析時(shí)，需要設(shè)計(jì)人不斷地去調(diào)整構(gòu)件尺寸或者材料的變量及區(qū)間。對超高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系來說，比較重要的構(gòu)件是豎向構(gòu)件（剪力墻）、連梁、框架梁、框架柱（SRC柱）等，根據(jù)構(gòu)件的重要性，對截面尺寸進(jìn)行分類分檔，將參數(shù)輸入計(jì)算模型中，得到不同的計(jì)算結(jié)果，并進(jìn)行對比擬合，從而得到結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系敏感性結(jié)果。

2.1 豎向構(gòu)件核心筒剪力墻厚度變化的影響分析

在高層建筑結(jié)構(gòu)中，核心筒的剪力墻內(nèi)墻主要起到傳遞豎向荷載的作用，對抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)往往較小，一般不進(jìn)行詳細(xì)分段。因此主要對核心筒的剪力墻外墻厚度從下到上詳細(xì)分段，用比例縮減系數(shù)控制，輸入不同的截面尺寸，作敏感性分析。

由圖1可知以下幾點(diǎn)。1）按向風(fēng)作用下的最大層間位移角曲線：1~11層的斜率最陡，51~60層的斜率最緩和，曲線越陡，斜率越大，則對應(yīng)著最大層間位移角的數(shù)值越大，為了把最大層間位移角控制到向風(fēng)最大層間位移角基準(zhǔn)值，則說明在1~11層的低層區(qū)，剪力墻的厚度對最大層間位移角的響應(yīng)是更為敏感的，在低層區(qū)應(yīng)當(dāng)加大剪力墻厚度，在高層區(qū)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減少剪力墻厚度。2）按向小震作用下的最大層間位移角曲線：1~11層的斜率最陡，51~60層的斜率最緩和，曲線最陡的地方對應(yīng)著最大層間位移角的數(shù)值越大，為了把最大層間位移角降低到規(guī)范限制1/654，則說明在1~11層的低層區(qū)，剪力墻的厚度對最大層間位移角的響應(yīng)是更為敏感的，對最大層間位移角的貢獻(xiàn)更明顯。從低層區(qū)到高層區(qū)，剪力墻厚度應(yīng)當(dāng)實(shí)際分析，在最大層間位移角的敏感點(diǎn)做厚度的減少變化。

圖1 墻體厚度在風(fēng)和地震作用下對層間位移角的影響分析圖

核心筒剪力墻的厚度在高層低區(qū)對最大層間位移角的貢獻(xiàn)是比較敏感的，而在高區(qū)的貢獻(xiàn)則影響不大，因此對剪力墻厚度從上到下的變化，應(yīng)該做比較詳細(xì)的合理分段，以期得到的最大層間位移角限制內(nèi)的最優(yōu)截面分布。

2.2 豎框架柱（SRC柱）截面變化的影響分析

針對外框柱截面尺寸的敏感性分析，主要目的為考察截面的變化時(shí)，其抗彎剛度和軸向剛度對整體指標(biāo)的響應(yīng)靈敏度。而針對外框柱的配鋼率分析，主要著重考察柱軸向剛度對整體指標(biāo)的影響。通過輸入不同的外框柱壁厚及不同的配鋼率，做敏感性分析。

由圖2可知：1）由圖2（a）可見，在1~11層的低層區(qū)，減少外框柱壁厚，對周期的敏感程度低于12層以上的中高層區(qū)，由圖2（b）可見，從對剛度的有利貢獻(xiàn)來說，應(yīng)控制中高層區(qū)的外框柱壁厚，對整體剛度的貢獻(xiàn)更大。2）由圖2（c）及圖2（d）可見，按向風(fēng)作用及向小震作用下的最大層間位移角曲線：1~11層的斜率最陡，51~60層的斜率最緩和，曲線最陡的地方對應(yīng)著最大層間位移角的數(shù)值越大，在1~11層的低層區(qū)，外框柱壁厚對最大層間位移角的響應(yīng)是更為敏感的，在低層區(qū)應(yīng)當(dāng)增加剪力墻厚度，在高層區(qū)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小剪力墻厚度，這樣的做法對最大層間位移角的控制是最有利的。3）由圖2（e）及圖2（f）可見，在36~50層的高層區(qū)，減少外框柱剛度，對風(fēng)最大層間位移角的敏感程度是比較高的，因此在高層區(qū)，要適當(dāng)?shù)乜刂仆饪蛑膭偠龋诘椭袑訁^(qū)，其敏感程度相對低一些，可以適當(dāng)降低外框柱剛度。

圖2 外框柱壁厚及EA在風(fēng)和地震作用下對周期及層間位移角的影響分析圖

2.3 外框架梁截面變化的影響分析

通過調(diào)整外框梁截面尺寸，著重考察其抗彎剛度對整體指標(biāo)的響應(yīng)靈敏度。

2.4 連梁高度面變化的影響分析

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，連梁高度對結(jié)構(gòu)周期、剪重比、層間位移角等整體指標(biāo)參數(shù)有一定影響。兼顧連梁抗剪承載力和結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)，將連梁高度進(jìn)行增減，考察其對整體指標(biāo)的影響。

3 工程實(shí)例概況

該工程位于山東濰坊市松花江西路，為多層裙房商業(yè)、塔樓超高層辦公及酒店一體的大型城市綜合體。地下室2層，裙房3層，塔樓42層，結(jié)構(gòu)高度179.9m。結(jié)構(gòu)參數(shù)具體如下。

結(jié)構(gòu)體系：混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)；安全等級：二級；基礎(chǔ)埋深：13m。

抗震設(shè)防類別：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類；抗震設(shè)防烈度：7度0.15g。

抗震等級：框架一級，核心筒一級；高寬比：整體4.38。

核心筒9.6；基本風(fēng)壓：0.40MPa（整體指標(biāo)）；風(fēng)荷載體型系數(shù)：1.4。

3.1 核心筒剪力墻厚度梳理

通過試算，現(xiàn)原結(jié)構(gòu)方案中豎向構(gòu)件截面均偏大，可進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過墻肢截面厚度調(diào)整，降低主體結(jié)構(gòu)自重的同時(shí)，增加了建筑使用面積，見表1。

表1 核心筒剪力墻厚度調(diào)整對比

3.2 外框柱截面梳理

原方案在L1~L6層在柱內(nèi)設(shè)置型鋼。通過柱內(nèi)配鋼控制低區(qū)外框柱截面的思路基本合理。當(dāng)樓層往上時(shí)，外墻軸壓比和框架柱樓層剪力都是比限制要放松的，由于配鋼主要目的為增加柱的軸向剛度而非抗彎剛度，建議采用提高柱軸向剛度更高效率的疊合柱方案替代SRC柱方案。通過疊合柱方案的配鋼方案的調(diào)整，可以進(jìn)一步縮小外框柱截面尺寸以減低主體結(jié)構(gòu)自重，用鋼效率的提高減少了項(xiàng)目的總用鋼量，同時(shí)，增加建筑使用面積。外框柱的疊合柱方案與SRC柱方案的調(diào)整對比見表2。

表2 外框柱截面調(diào)整對比

3.3 整體計(jì)算指標(biāo)對比

由表3可見，采用YJK2.0.3結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對疊合柱方案進(jìn)行計(jì)算，得到的計(jì)算指標(biāo)同樣能滿足規(guī)范的要求，同時(shí)也接近原SRC柱方案的指標(biāo)。

表3 兩種外框柱體系模型計(jì)算參數(shù)對比

3.4 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比

由表4可見，采用疊合柱方案，與型鋼柱方案相比，混凝土單位用量可減少0.01m3/m、鋼筋單位用量4.29kg/m、型鋼單位用量可減少0.47kg/m?；炷聊壳翱砂?00元/m3估算，鋼筋可按7元/kg估算，型鋼可按12元/kg估算，則混凝土可減少7元/m3，鋼筋可減少30.03元/m，型鋼可減少5.64元//m，以上3項(xiàng)合計(jì)減少42.67元/m，按塔樓65258.55m的建筑面積計(jì)算，可減少278.45萬元的造價(jià)且增加了室內(nèi)的使用面積為隱形效益，因此從經(jīng)濟(jì)效益上分析，采用疊合柱為更優(yōu)的結(jié)構(gòu)體系。疊合柱的不利因素在于節(jié)點(diǎn)施工困難以及分期澆筑混凝土所帶來的工期加長的影響，但是隨著施工經(jīng)驗(yàn)的累加以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的完善，目前施工困難已相對減少，與型鋼柱的施工難度基本相同。對工期影響問題，如果不想影響施工進(jìn)度周期，可采用同期施工疊合柱的方式。因此從成本角度、施工角度及工期角度來說，外框體系采用疊合柱方案為較優(yōu)選擇。

表4 兩種外框柱體系經(jīng)濟(jì)性對比

4 結(jié)語

在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要從方案階段的結(jié)構(gòu)體系入手，重點(diǎn)關(guān)注基本構(gòu)件的設(shè)計(jì)，掌握設(shè)計(jì)中的每項(xiàng)原則，科學(xué)地選用合理體系，使設(shè)計(jì)達(dá)到最佳的效果。只有這樣才可以保障建筑結(jié)構(gòu)安全，降低施工成本，推動整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的發(fā)展。