袁文健

摘 要：通過(guò)對(duì)某超高層建筑結(jié)構(gòu)方案的選型分析，結(jié)合計(jì)算得出高烈度區(qū)大高寬比且核心筒偏置的超高層的建筑的結(jié)構(gòu)剛度解決辦法。

關(guān)鍵詞：超高層;型鋼混凝土框架;鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu);高寬比;核心筒偏置

一、工程概況

擬建工程位于陜西省西安市雁塔區(qū)，建筑物檐口高度141.3米，地下3層，地上38層無(wú)裙房，屬于超高層建筑。地下室為車庫(kù)和設(shè)備用房，其中地下三層和地下二層層高3.9m，地下一層層高6.45m，地上首層～四層為辦公用房，其中首層層高6m，二層層高4.5m，三、四層層高4.2m，五層及以上各層為公寓，層高均為3.6m，十三層和二十七層設(shè)有兩個(gè)避難層兼做設(shè)備層。用地面積8501㎡，總建筑面積47125㎡，其中地上建筑面積30605㎡，容積率3.6。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限50年，抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地土類別按II類，基本風(fēng)壓0.40KN/㎡（重現(xiàn)期100年），地面粗超度為B類。

二、工程難點(diǎn)

由于用地限制，本工程超高層地面以上東西方向開(kāi)間尺寸只有17.1m，南北方向進(jìn)深尺寸41.7m，平面面積707㎡，平面長(zhǎng)寬比2.44，建筑物高寬比更是高達(dá)8.29，超出規(guī)范規(guī)定值6較多，結(jié)構(gòu)東西向抗側(cè)力剛度較差。由于平面本身的限制，核心筒尺寸緊張導(dǎo)致核心筒上洞口較多較大，核心筒的完整性較差。

三、方案初選

考慮到以上工程難點(diǎn)，本建筑若采用鋼結(jié)構(gòu)體系，規(guī)范規(guī)定抗震設(shè)防烈度8度時(shí)鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的最大適用高度僅為90m，做不到超高層范圍;若采用鋼結(jié)構(gòu)框架-中心支撐或鋼結(jié)構(gòu)框架-偏心支撐建筑物高度可以分別達(dá)到180m和200m，滿足本建筑高度要求，但是鋼結(jié)構(gòu)支撐勢(shì)必破壞建筑物外立面效果，這對(duì)于追求外墻窗戶最大化的建筑專業(yè)來(lái)說(shuō)很難接受，同時(shí)由于建筑物功能定位的關(guān)系，鋼結(jié)構(gòu)需要定期維護(hù)的特點(diǎn)為業(yè)主方所不容;由是建筑物結(jié)構(gòu)體系首先排除鋼結(jié)構(gòu)。本建筑東西向抗側(cè)力剛度過(guò)于薄弱，若采用鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)按4m柱距17.1m的開(kāi)間尺寸也僅能布置5根柱子，且此密柱方案對(duì)建筑功能影響較大，柱截面尺寸也受到限制，相較于布置4根較大柱子的方案其對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力剛度的提升幅度不大，且減少一根柱子可以明顯改善空間舒適度;另外與框架—核心筒結(jié)構(gòu)相比，規(guī)范對(duì)于筒中筒結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比的限值1/1000較框架-核心筒結(jié)構(gòu)1/800的限值卻提高了很多，若一種結(jié)構(gòu)體系對(duì)于結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力剛度提升有限，其整體指標(biāo)卻被規(guī)范限制的更加嚴(yán)苛，顯然此種結(jié)構(gòu)體系并不是理想選擇;最后本建筑物平面長(zhǎng)寬比為2.44，同樣不符合《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第9.3.2條筒中筒結(jié)構(gòu)“矩形平面的長(zhǎng)寬比不宜大于2”的規(guī)定，即本工程按筒中筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率較低，建筑物結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步排除鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)。對(duì)于超高層建筑來(lái)說(shuō)，建筑物豎向荷載較大，采用普通鋼筋混凝土柱需要較大的截面尺寸，建筑物室內(nèi)空間損失較大得房率低，另外規(guī)范規(guī)定B級(jí)高度鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)最大適用高度 140m，本建筑物檐口高度剛剛超出此限，綜合考慮建筑物按混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)體系采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

四、平面推敲

最初建筑方案是核心筒居中，結(jié)構(gòu)平面布置如圖一（右邊是北）。角柱及南北兩側(cè)邊柱勁性混凝土框架柱鋼骨采用鋼管，東西兩側(cè)邊柱勁性混凝土框架柱鋼骨采用H型鋼，框架梁采用鋼筋混凝土梁，中間鋼筋混凝土核心筒與框架柱對(duì)應(yīng)軸線處4道剪力墻墻厚1m。

由于建筑物東西向平面寬度只有17.1m，核心筒開(kāi)間尺寸8m，核心筒外側(cè)上下寬度各自只有4.55m，房間內(nèi)部?jī)魧捴挥?.3m左右，減掉1.2m左右的框架柱尺寸，最窄處更是只剩3.3m左右，而三個(gè)柱跨的平面長(zhǎng)度卻有22.1m，建筑專業(yè)認(rèn)為該方案過(guò)于狹長(zhǎng)的平面布置不利于實(shí)現(xiàn)房間功能，強(qiáng)行設(shè)計(jì)的方案效果也會(huì)大打折扣，于是推翻了圖一方案，決定將核心筒推至東邊，形成核心筒偏置的平面布置，結(jié)構(gòu)平面布置如圖二。

核心筒偏置導(dǎo)致東側(cè)的四根框架柱與核心筒剪力墻重疊，削弱了平面短向的抗側(cè)剛度，反映在整體結(jié)構(gòu)上平面短向位移角有較大幅度的上升，為此在核心筒外側(cè)4道主剪力墻對(duì)應(yīng)位置增加同主剪力墻等厚的短墻，長(zhǎng)度為2m，該短墻與核心筒之間通過(guò)強(qiáng)連梁連接，且垂直方向設(shè)置剪力墻與其連接。

圖二方案結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計(jì)算有難度，且核心筒完整性較差，經(jīng)與建筑專業(yè)商量將與4道短墻相連的兩端跨剪力墻推到外側(cè)，形成如圖三的結(jié)構(gòu)平面布置圖。

圖三方案核心筒以外的剪力墻平面形狀有了層次感，該部分剪力墻在某種程度上甚至可以看做是核心筒的延伸，平面剛度有所加強(qiáng)，下一步就是加強(qiáng)核心筒東側(cè)外墻的完整性，經(jīng)與建筑專業(yè)溝通，建筑專業(yè)做出了適當(dāng)讓步，形成如圖四的結(jié)構(gòu)平面布置圖。

圖四方案核心筒的完整性得到了加強(qiáng)，建筑專業(yè)空間上處理起來(lái)也比較合理，是一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都能接受的方案，結(jié)構(gòu)專業(yè)接下來(lái)要做的工作是繼續(xù)深化計(jì)算。

五、深化計(jì)算

建筑物地上第十三層和二十七層設(shè)有兩個(gè)避難層兼設(shè)備層，為了增加結(jié)構(gòu)平面短向的剛度，可以考慮利用避難層設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。加強(qiáng)層分別嘗試了以下幾種形式：a.平面長(zhǎng)向兩側(cè)山墻設(shè)置高度接近層高的大梁，配合核心筒4道主剪力墻位置與框架柱相連的4根框架梁適當(dāng)加大截面;b. 核心筒4道主剪力墻位置與框架柱之間設(shè)置4道伸臂桁架;c.上述a.b兩條配合使用，即平面長(zhǎng)向兩側(cè)山墻設(shè)置高度接近層高的大梁，核心筒4道主剪力墻位置與框架柱之間設(shè)置4道伸臂桁架。通過(guò)對(duì)以上三種方案的一一試算，發(fā)現(xiàn)設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)微乎其微，伸臂桁架若不能沿核心筒兩側(cè)對(duì)稱布置基本起不到應(yīng)有的作用，鑒于本建筑物平面長(zhǎng)寬比高達(dá)2.44，平面長(zhǎng)向結(jié)構(gòu)整體剛度不存在問(wèn)題的情況下于結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層設(shè)置腰桁架也不是一個(gè)合理的選擇，本工程設(shè)置加強(qiáng)層提高結(jié)構(gòu)整體剛度的做法行不通。通過(guò)以上嘗試發(fā)現(xiàn)本工程的最大難題還是在于平面短向開(kāi)間尺寸太小，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件太少，只能通過(guò)增加每層墻柱的抗側(cè)力剛度提升結(jié)構(gòu)的整體剛度。

最終結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸如下：勁性混凝土角柱首層～二十七層1400x1400，鋼骨圓鋼管◎1000x50，二十八層～頂層1300x1300，鋼骨◎900x50;南北兩側(cè)勁性混凝土邊柱首層～二十七層1300x1300，鋼骨◎900x45，二十八層以上1200x1200，鋼骨◎800x40;東西兩側(cè)勁性混凝土邊柱首層～十四層1200x1300，鋼骨H型鋼H900x800x40x30，十五層～二十八層1200x1200，鋼骨H800x800x40x30，二十九～頂層1000x1000，鋼骨H600x600x30x20;核心筒4道主剪力墻及筒外對(duì)應(yīng)4道短墻厚度：首層～二十八層1000mm，二十九～三十二層900mm，三十三層～頂層800mm;框架梁采用普通鋼筋混凝土梁。各層構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)：剪力墻、框架柱首層～七層C60，八層～十五層C55，十六層～二十五層C50，二十五層～三十層C45，三十一層以上C40;梁板首層～二十五層C50，二十六層以上C40。整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期以及扭轉(zhuǎn)位移信息見(jiàn)下表。

結(jié)構(gòu)周期及位移指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

另本工程平面長(zhǎng)向地上首層～六層樓層剪重比均不滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010第4.3.12條的要求，其中首層剪重比最小，為2.97%<3.2%，地上各樓層地震剪力均乘以1.077的放大系數(shù)予以調(diào)整;平面短向樓層最小剪重比滿足要求。

六、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于位于設(shè)防烈度為8度區(qū)、建筑平面長(zhǎng)寬比大于2、建筑物高寬比超出規(guī)范規(guī)定數(shù)值較多、采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)且核心筒偏置于一側(cè)外墻的超高層建筑物來(lái)說(shuō)，設(shè)置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層一般對(duì)于結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)不大，通常還是要靠提高結(jié)構(gòu)本身墻柱等抗側(cè)力構(gòu)件的剛度達(dá)到提高結(jié)構(gòu)整體剛度的目的，核心筒偏置還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的質(zhì)心偏心過(guò)大超過(guò)規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，本工程結(jié)構(gòu)質(zhì)心偏心滿足規(guī)范的規(guī)定。