劉利艷，闕德興，王亞麗

（1、廣州市設(shè)計院集團有限公司 廣州 510620；2、華南創(chuàng)圖設(shè)計有限公司 廣州 510080；3、廣州市吉華勘測股份有限公司 廣州 511400）

1 工程概況

高烈度區(qū)某超高層綜合體項目主要功能為辦公和公寓，建筑剖面如圖1 所示。地上25 層，地下3 層，房屋高度127.940 m，首層為辦公大堂，二層為商業(yè)，3～7 層為低區(qū)辦公區(qū)，8 層和15 層為避難層，9～23 層（15 層除外）為高區(qū)公寓區(qū)。避難層層高6.25 m，辦公和公寓的層高均為4.5 m。該工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限50 年，建筑抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類，結(jié)構(gòu)所在地抗震設(shè)防烈度為8 度（0.30g），設(shè)計地震分組為第二組，建筑場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期0.40 s，基本風壓值ω0=0.75 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。

圖1 建筑剖面Fig.1 Building Section

2 結(jié)構(gòu)體系比選及分析

2.1 結(jié)構(gòu)布置及模型建立

根據(jù)建筑平面功能的特點及要求，在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段考慮了3 種不同的結(jié)構(gòu)布置，分別建立了3 種結(jié)構(gòu)體系［1-3］模型。3 種模型采用相同的核心筒平面布置，并且根據(jù)建筑布局的特點，外框柱保持位置一致，加密柱時考慮在現(xiàn)有柱位之間進行增設(shè)，在滿足整體指標的條件下對外框柱和核心筒剪力墻進行尺寸變化。底部豎向構(gòu)件的尺寸由軸壓比控制，頂層外墻收到400 mm，內(nèi)墻收到200 mm，框架柱收到700 mm×700 mm?？蚣芰旱某叽缭跐M足受力的前提下，將配筋率控制在經(jīng)濟配筋率1%～2%左右。型鋼柱含鋼量均在4%～5%左右，經(jīng)過初步計算后，若層間位移角不滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［4］的要求，通過合理地設(shè)置加強層的方法增加其剛度，使其在規(guī)范限值以內(nèi)來進行比較，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置情況如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)置情況對比Tab.1 Comparison of Structural Member Settings

方案1 為型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒的混合結(jié)構(gòu)［5］，如圖2?所示，樓蓋體系為鋼梁+鋼筋混凝土樓板，在第15 層避難層設(shè)置加強層，加強層形式為X、Y雙向鋼桁架伸臂。核心筒外筒墻肢混凝土內(nèi)置型鋼，外框柱采用內(nèi)置型鋼混凝土，外框柱距為9～15 m，框架梁與框架梁、框架梁與外框柱、核心筒剛接，次梁與框架梁和核心筒鉸接。

圖2 結(jié)構(gòu)平面Fig.2 Frame Tube Hybridstructure Plan

方案2 為鋼筋混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒的混凝土結(jié)構(gòu)［6-7］，如圖2?所示，樓蓋體系為鋼筋混凝土梁+鋼筋混凝土樓板，在第15 層避難層設(shè)置加強層，加強層形式為Y向鋼桁架伸臂。核心筒外筒墻肢混凝土內(nèi)置型鋼，外框柱采用內(nèi)置型鋼混凝土，外框柱距為9～15 m。

方案3為在方案2的基礎(chǔ)上加密外框柱形成密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)［8-9］，如圖2?所示，不設(shè)加強層，樓蓋體系為鋼筋混凝土梁+鋼筋混凝土樓板，核心筒外筒墻肢混凝土內(nèi)置型鋼，外框柱采用內(nèi)置型鋼混凝土，外框柱距為3～8 m，同時外框柱截面尺寸相應(yīng)減小。

2.2 結(jié)構(gòu)體系特點分析

按照文獻［4］第3.3.1和11.1.2條規(guī)定，方案1的型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)，房屋高度127.940 m 未超過混合結(jié)構(gòu)高層建筑本烈度區(qū)適用的最大高度130 m，不屬于超限高層建筑；方案2的鋼筋混凝土框架-核心筒的混凝土結(jié)構(gòu)，房屋高度127.940 m超過了120 m 的B 級高度限值，屬于超B 級高度的超限高層建筑；同理，方案3 的加密外框柱形成密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)也屬于超B 級高度的超限高層建筑。因此，方案2 和方案3 均需在初步設(shè)計階段進行抗震設(shè)防專項審查。

3 結(jié)構(gòu)計算及分析

3.1 整體指標對比

對3 個方案進行小震和風荷載下的彈性分析，得到結(jié)構(gòu)整體性能指標，如表2所示。

表2 方案計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of Scenario Calculation Results

3.2 抗側(cè)效率分析

根據(jù)計算，該情況下3種模型均由最大位移角（地震）起控制作用。3 種抗側(cè)力體系在地震作用下的層間位移角如圖3 所示。X方向上，框筒混合結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/847，位于21層，框筒混凝土結(jié)構(gòu)最大的層間位移角為1/796，位于20層，密柱框筒混凝土結(jié)構(gòu)最大的層間位移角為1/832，位于20 層。對于Y方向，框筒混合結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/753，位于22層，框筒混凝土結(jié)構(gòu)最大的層間位移角為1/787，位于21層，密柱框筒混凝土結(jié)構(gòu)最大的層間位移角為1/763，位于21層。根據(jù)文獻［4］，3種結(jié)構(gòu)體系的層間位移角限值均為1/800，結(jié)合當?shù)亟ㄖこ探Y(jié)構(gòu)專業(yè)施工圖審查補充規(guī)定：①對于8度0.3g場地的建筑物，地震作用下的最大層間位移角超出規(guī)范限值的幅度不應(yīng)大于6%；②當個別參數(shù)超出規(guī)范限值的幅度不大于3%時，可視為滿足文獻［4］要求；因此，經(jīng)分析，少數(shù)位移角指標在超出規(guī)范限值的幅度在6%與10%之間，可視為滿足要求。從表2 可以看出，3 種結(jié)構(gòu)體系的層間位移角均滿足1/752的要求。

圖3 地震作用下位移角Fig.3 Displacement Angle under Seismic Action

方案1混合結(jié)構(gòu)由于采用鋼梁，抗側(cè)剛度略弱，加強層需X、Y向雙向伸臂；方案2采用混凝土梁，加強層僅需設(shè)X向伸臂，且方案1的結(jié)構(gòu)自振周期相對方案2減小，表明加強層伸臂在增加結(jié)構(gòu)剛度和控制結(jié)構(gòu)位移方面有效果；方案3雖然取消了加強層，但外框柱距減小形成密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)能提供足夠的剛度，結(jié)構(gòu)自振周期和最大層間位移角均與前兩個方案相近。以上結(jié)果直接反映了此種情況下，密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度最好，框筒混凝土結(jié)構(gòu)其次，框筒混合結(jié)構(gòu)最次。

3.3 薄弱層及內(nèi)力突變分析

方案1、方案2 為提高結(jié)構(gòu)整體剛度，設(shè)置了加強層，由圖4可知，在加強層附近剛度比出現(xiàn)明顯的突變，如方案1的X、Y向設(shè)置加強層，14層X向剛度比為0.98，Y向剛度比為0.94；方案2的Y向設(shè)置加強層，14層Y向剛度比為0.93，均出現(xiàn)了薄弱層。而方案3由于未設(shè)置加強層，沒有出現(xiàn)薄弱層，各樓層剛度平穩(wěn)過渡。

4 綜合比選分析

4.1 建筑功能影響

方案1 和方案2 的框架-核心筒由核心筒與外圍稀柱框架組成的高層建筑結(jié)構(gòu)框架，框架-核心筒結(jié)構(gòu)的建筑平面布置靈活便于設(shè)置大空間，方案3 的密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)的外框柱柱距較為適中，也能較好地適應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計對于建筑功能與外形的要求。建筑使用效率此處指扣除豎向構(gòu)件后樓面實際可以使用的面積與樓面建筑總面積之比。3種結(jié)構(gòu)體系建筑使用效率如表3所示。

由表3 可知，3 種結(jié)構(gòu)的建筑使用效率差別不大，都在96%左右。

4.2 經(jīng)濟性分析

影響超高層建筑結(jié)構(gòu)造價的因素較多，如建筑體型、結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)材料等［10-12］。本文造價僅從材料的用量方面考慮，即：混凝土的用量，鋼筋的用量，型鋼的用量。為方便比較，3 種結(jié)構(gòu)體系的材料設(shè)置均相同，墻、柱混凝土等級釆用C45～C55，樓板與梁釆用C30，鋼筋釆用HRB400，型鋼釆用Q345，采用當?shù)鼐C合單價：砼單價為1 335元/m3，鋼筋單價為7 600 元/t，型鋼單價為13 500 元/t，對比分析后具體用量如表4所示。

從表4 可以看出，框筒混合結(jié)構(gòu)由于型鋼用量大，造價遠高于框筒混凝土結(jié)構(gòu)和密柱框架-核心筒混凝土結(jié)構(gòu)，框筒混凝土結(jié)構(gòu)的造價稍高于密柱框架核心筒混凝土結(jié)構(gòu)的造價，即方案2 相對于方案1 節(jié)約19.5%，方案3相對方案1節(jié)約29.9%，方案3相對于方案2節(jié)約12.9%。

4.3 設(shè)計及施工周期影響分析

方案1 的混合結(jié)構(gòu)體系為非超限高層建筑，不需進行結(jié)構(gòu)抗震超限審查，設(shè)計周期相對較短；另混合結(jié)構(gòu)中的鋼梁需附加防火、防腐費用，竣工后每10～15年需重刷一次防火、防腐漆，后期維護較麻煩。方案2和方案3均為混凝土結(jié)構(gòu)體系，屬于超限高層建筑，需要進行結(jié)構(gòu)抗震超限專項審查，設(shè)計周期稍長，基本無后期維護費用。

混合結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)均為常用的超高層結(jié)構(gòu)體系，不存在較復(fù)雜或有難度的施工工藝，一般來說，混合結(jié)構(gòu)施工速度稍快，與混凝土結(jié)構(gòu)比較，每層工期大概可節(jié)省2～3 d。

5 結(jié)語

本文以某高烈度區(qū)127.94 m 超高層辦公樓為研究對象，通過3種不同結(jié)構(gòu)體系的各項整體指標對比，結(jié)合建筑功能、經(jīng)濟性及設(shè)計、施工周期影響進行綜合比較，結(jié)果表明：

⑴密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，體系的外框架部分能夠承擔足夠比例的地震剪力與傾覆力矩，具有較好的共同受力性能、抗側(cè)剛度和抗震性能。

⑵密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)無需設(shè)置剛性加強層，沿結(jié)構(gòu)高度無顯著的剛度突變，避免了結(jié)構(gòu)薄弱層的出現(xiàn)。

⑶密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)型鋼用量少，總造價低，具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢。

因此，在建筑平面和設(shè)計周期允許的條件下，高烈度區(qū)超高層可通過加密外框柱以形成密柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)的方式來增加外圈框架剛度，能在受力和經(jīng)濟上取得較好的效果，供高烈度區(qū)類似工程參考選擇。