楊冠男（廣州瀚華建筑設(shè)計(jì)有限公司）

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及某工程結(jié)構(gòu)選型研究

楊冠男
（廣州瀚華建筑設(shè)計(jì)有限公司）

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑高度越做越高，建筑平面布置越來(lái)越復(fù)雜多變，建筑立面也越來(lái)越多樣化，結(jié)構(gòu)選型及后續(xù)設(shè)計(jì)的難度越來(lái)越大。本文對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的幾個(gè)關(guān)鍵控制指標(biāo)介紹，總結(jié)出結(jié)構(gòu)典型特點(diǎn)及關(guān)鍵難點(diǎn)。并通過(guò)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從具體的某工程案例著手分析結(jié)構(gòu)幾個(gè)重要影響因素綜合比，多方收集資料指出選型中突出問(wèn)題為選型建議，與大家共同研究學(xué)習(xí)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)體系

1　引言

住宅、酒店、寫(xiě)字樓等高層建筑的建設(shè)已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今社會(huì)建設(shè)活動(dòng)的主流。類似于懸臂構(gòu)件，高層建筑結(jié)構(gòu)在水平荷載如風(fēng)荷載及地震作用作用下位移比較大，豎向荷載并非控制結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。而且隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，位移會(huì)很快增加，過(guò)大的變形嚴(yán)重影響居住及辦公的舒適度，甚至影響其使用功能。過(guò)大的變形也容易損傷甚至破壞結(jié)構(gòu)非受力構(gòu)件及部分受力構(gòu)件，威脅到生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，設(shè)計(jì)的合理化、選型的科學(xué)性對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)而言十分重要。

2　高層建筑結(jié)構(gòu)選型概述

建筑師綜合考慮建筑功能、實(shí)用性及其美觀性，采用豐富的平、立面布置形式使建筑與周圍環(huán)境相互協(xié)調(diào)。然而對(duì)于高層結(jié)構(gòu)的選型及后續(xù)設(shè)計(jì)而言，不規(guī)則的平面形式是巨大的難題。在滿足建筑設(shè)計(jì)的要求下，我們需要不斷探索研究各類技術(shù)及經(jīng)濟(jì)因素，確保高層建筑社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)性。選型往往在最初階段就應(yīng)考慮到后續(xù)的設(shè)計(jì)深化、施工難度、以及使用和后期維護(hù)等問(wèn)題，避免設(shè)計(jì)出不合理、經(jīng)濟(jì)效益低甚至發(fā)展不安全的建筑，對(duì)社會(huì)造成不必要的浪費(fèi)和不良的影響。

3　結(jié)構(gòu)體系的選擇

結(jié)構(gòu)選型要根據(jù)建筑功能、建筑高度、安全性經(jīng)濟(jì)性等綜合考慮，主要采用的結(jié)構(gòu)體系有以下幾種：

3.1框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)是指由梁柱等構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的體系，框架結(jié)構(gòu)對(duì)不同抗震等級(jí)采用不同構(gòu)造措施，注意“強(qiáng)剪弱彎”、“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的實(shí)現(xiàn)，保證足夠的延性。

3.2剪力墻結(jié)構(gòu)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)體系是指鋼筋混凝土墻體承擔(dān)豎向和側(cè)向荷載的體系，片狀構(gòu)件承載力大且平面內(nèi)剛度大，但是相對(duì)的剪切變形也較大、平面外剛度小，墻不適宜太密否則墻體能力不能充分利用且結(jié)構(gòu)自重大。

3.3框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系

框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系是指框架和剪力墻整體共同抗側(cè)向力的結(jié)構(gòu)體系，簡(jiǎn)稱框剪結(jié)構(gòu)。變形曲線在水平力作用下呈S型，框架較好的延性、帶邊框的剪力墻較抗側(cè)力剛度、連梁良好的耗能性能，使得框剪結(jié)構(gòu)具有多道抗震防線，抗震性能較好。

3.4筒中筒結(jié)構(gòu)體系

筒中筒體系是指建筑中部實(shí)腹筒和建筑外圍的空腹筒通過(guò)樓蓋連成整體工作的結(jié)構(gòu)體系。筒中筒體系普遍用于建筑高度高且平面有近于圓形、方形包括正多邊形、長(zhǎng)短邊之比不大于1.5的矩形大樓，但是筒中筒結(jié)構(gòu)密集柱柱距過(guò)小，經(jīng)常需要采用桁架、連續(xù)拱、預(yù)應(yīng)力大梁等水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件來(lái)擴(kuò)大底部密集柱的柱距。

3.5框架核心筒體系

框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，其外圍的框架柱數(shù)量較少，傾覆彎矩以及剪力大部分由核心筒承擔(dān)，核心筒與框架形成整體后共同承受荷載，這種體系的關(guān)鍵是核心筒抗側(cè)力構(gòu)件，要實(shí)現(xiàn)雙重抗側(cè)力體系必須采用一定的措施。

3.6板柱-剪力墻體系

板柱-剪力墻體系是指?jìng)?cè)向與豎向荷載由剪力墻與板柱框架共同承擔(dān)的結(jié)構(gòu)體系。板為體系中主要的水平構(gòu)件，剪力墻與柱承擔(dān)全部豎向荷載以及水平地震作用，其缺點(diǎn)就是抗側(cè)剛度較小。

4　某工程結(jié)構(gòu)選型對(duì)比分析

項(xiàng)目主樓高232m，共56層，核心筒尺寸26m×15.15m，平面尺寸為寬45m×39.6m，，y向梁跨度12m，x向梁跨度9m，核心筒高寬比15.1，整體高寬比5.9。此項(xiàng)目為超高層結(jié)構(gòu)，選型較為復(fù)雜。綜合結(jié)構(gòu)受力要求以及建筑使用功能，初步確定兩種方案：1、鋼筋混凝土核心筒加鋼管混凝土柱的混合結(jié)構(gòu)；2、常規(guī)的框架核心筒結(jié)構(gòu)。兩種方案均設(shè)置加強(qiáng)層滿足規(guī)范要求的位移角。

4.1結(jié)構(gòu)分析結(jié)果對(duì)比

表1為兩種方案的自振特性分析結(jié)果，可以看出，兩種結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力性能較為接近，Y、X向平動(dòng)分別為第一、二振型，第三周期為扭轉(zhuǎn)；混合結(jié)構(gòu)周期相對(duì)較小，兩種體系扭轉(zhuǎn)周期比均小于規(guī)范要求的0.85。兩種方案在地震作用下的最大層間位移角為1/1274與1/1112，混合結(jié)構(gòu)剛度略大于混凝土結(jié)構(gòu)方案。

表1　自振特性

表2為兩種方案的框架剪力與彎矩承載率、剛重比、剪重比，分析表明，兩個(gè)方案主要抗側(cè)力構(gòu)件為核心筒。地震作用下，兩種方案X向較為Y向框架所承擔(dān)的剪力與彎矩大，兩種方案剛重比均大于規(guī)范要求1.4，整體穩(wěn)定性滿足要求。剪重比混合結(jié)構(gòu)略大于混凝土結(jié)構(gòu)，但兩者均不滿足規(guī)范要求，需按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，混凝土結(jié)構(gòu)方案以及混合結(jié)構(gòu)方案豎向構(gòu)件軸壓比均能滿足規(guī)范限值的要求，同時(shí)框架柱的軸壓比也控制在一個(gè)比較小的范圍。此外還進(jìn)行了風(fēng)振舒適度驗(yàn)算，兩者頂點(diǎn)峰值加速度均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2　框架剪力與彎矩承擔(dān)率、剛重比、剪重比

4.2施工周期與成本估算

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土結(jié)構(gòu)的施工周期平均每層為6.11天；而純鋼框架結(jié)構(gòu)的施工周期平均每層為5.91天；超高層混合結(jié)構(gòu)的施工周期平均每層為4天。若采用混合結(jié)構(gòu)，每層施工的時(shí)間比混凝土結(jié)構(gòu)要快2.11天，取1.5天計(jì)算，此項(xiàng)目將提前2到3個(gè)月時(shí)間竣工。

表3　上部結(jié)構(gòu)造價(jià)估算

表3為根據(jù)兩種方案估算的造價(jià)表，可以看出，混合結(jié)構(gòu)方案要略高于混凝土結(jié)構(gòu)方案，但綜合施工管理費(fèi)用以及社會(huì)效益后，采用混合結(jié)構(gòu)方案此工程將提前投入使用，為業(yè)主節(jié)省利息，并為業(yè)主提前帶來(lái)租金的收入，經(jīng)初步核算，所帶來(lái)的收益基本與造價(jià)持平。采用混合結(jié)構(gòu)，其鋼管混凝土柱承載力較大，在高軸壓比的情況下延性較好，且柱截面相比于混凝土柱要小，節(jié)省建筑使用面積，且鋼管能充當(dāng)模板，無(wú)需支模，給施工帶來(lái)方便。由于混合結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)相對(duì)較輕，樁基礎(chǔ)費(fèi)用較省?；旌辖Y(jié)構(gòu)梁截面相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)較小，可為建筑提供更多空間。綜合考慮，此工程采用混合結(jié)構(gòu)方案。

5　結(jié)論

本文介紹了結(jié)構(gòu)體系的類型，并結(jié)合實(shí)際，選用兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比，最終選擇有利項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)方案。在滿足建筑設(shè)計(jì)的要求下，我們需要不斷探索研究各類技術(shù)及經(jīng)濟(jì)因素，確保高層建筑社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)性。結(jié)構(gòu)選型應(yīng)考慮到后續(xù)的設(shè)計(jì)深化、施工難度、以及使用和后期維護(hù)等問(wèn)題，避免設(shè)計(jì)出不合理、經(jīng)濟(jì)效益低甚至不安全的建筑，避免造成浪費(fèi)和不良的影響?！?/p>

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