某超高层框架核心筒结构方案对比分析

郎文龙

(中国建筑西南设计研究院，四川成都 610041)

某超高层框架核心筒结构方案对比分析

郎文龙

(中国建筑西南设计研究院，四川成都 610041)

超高层建筑中结构体系的选择至关重要，将直接影响整个工程的经济合理性。文章对某一超高层框架核心筒结构分别采取了以下三种结构体系进行了整体结构计算：钢筋混凝土框架核心筒结构、型钢混凝土柱框架与钢筋混凝土核心筒结构、钢管混凝土柱-钢梁框架与钢筋混凝土核心筒结构，并从承载能力、抗震性能、工程经济效益等角度对三种方案进行了对比分析。

超高层； 型钢混凝土结构； 方钢管混凝土结构； 钢管混凝土结构

1 结构概况

本工程为拟建于成都市内的38层办公楼，结构大屋面高度为177 m，抗震设防烈度7度，设计地震分组第三组，丙类设防类别，Ⅱ类场地。拟采用框架核心筒结构形式。结构高宽比约4.44，核心筒高宽比为8.8，标准层结构面积约1 659 m2(结构外缘线内面积)，核心筒围合区面积410.04 m2，筒体围合面积/结构楼层面积为24.7%。底层核心筒外墙厚600 mm，核心筒外墙到外框柱间距最大值为9.35 m，外框柱间距最大值9 m。核心筒和外围框架的抗震等级均为一级，结构标准层平面如图1～图2所示。结构地上1～3层，层高6 m，标准层层高4.2 m。

图1 方案一/方案二注：图1按方案一绘出，当为方案二时将框架柱改为型钢柱。

图2 方案三

2 三种结构方案的计算分析

每种结构体系均按整体结构进行了风荷载和地震作用的计算，并使其整体指标符合相关规范和规程的要求。计算中控制位移角的需要，底层钢筋混凝土核心筒的厚度须达到600 mm厚，并根据需要往上逐渐收进。模型力学嵌固端均取为基顶，带五层地下室，为了指标比较方便均不带裙房。回填土的水平抗力系数的比例系数统一取为50 MN/m4。

2.1 方案一

结构为钢筋混凝土框架核心筒。

(1)模型截面选取如表1。

(2)计算结果如表2。

(3)部分参数说明及计算结果解读。

框架部分按侧向刚度分配的地震剪力最大值大于结构底部总地震剪力的10 %，核心筒抗震等级可不用提高。计算中中梁和边梁刚度放大系数分别取为2和1.5。核心筒和外围框架底部混凝土强度等级为C 60。由计算可见，虽然框架柱截面已经取到1 250 mm×1 700 mm，但是轴压比仍然比较大，已经超过规范的最大限值，而设计中拟加强柱箍筋设置而不再继续加大柱截面。地上一层层高6.0 m，1.7 m宽的柱子已经形成短柱，对抗震非常不利。

表1 方案一模型截面尺寸 mm

表2 方案一计算结果

2.2 方案二

结构为型钢混凝土柱钢筋混凝土梁框架与钢筋混凝土核心筒。

(1)模型截面选取。

核心筒、主梁及次梁截面同方案一，底层型钢柱截面1 200 mm×30 mm×40 mm×800 mm×250 mm，往上逐渐缩小至1 000 mm×20 mm×30 mm×600 mm×250 mm。

(2)计算结果如表3。

表3 方案二计算结果

(3)部分参数说明及计算结果解读。

由于只有框架柱采用了型钢而框架梁为钢筋混凝土梁，此种结构体系不宜视为混合结构[1]，故地震作用阻尼比取为0.05，风荷载计算阻尼比取为0.04[1]。框架柱最大截面已经减小到1 200 mm×1 200 mm，较混凝土结构面积减少了32 %，且最大轴压比也比混凝土柱小，抗震性能得到显著改善。

2.3 方案三

结构为钢管混凝土柱-钢梁框架与钢筋混凝土核心筒。

(1)模型截面选取如表4。

表4 方案三模型截面尺寸 mm

(2)计算结果如表5。

表5 方案三计算结果

(3)部分参数说明及计算结果解读。

外框柱通过钢梁和压型钢板混凝土楼板与中间核心筒紧密的联系，故外围框架可视为无侧移框架，框架柱计算长度系数按钢结构附录中无侧移框架取。中钢框梁刚度放大系数取为1.5、边梁为1.25[2]。钢梁跟外框柱采用刚接，与核心筒采用铰接，这样做主要是考虑到如果与核心筒刚接的话核心筒构造和施工复杂，而且刚接使核心筒与外框柱间由竖向位移差导致的内力二次分配问题比较尖锐。钢材采用Q345，底层混凝土采用C50，套箍指标θ=1.89。对于圆钢管混凝土柱无轴压比限值要求，只需满足一定的长细比即可，而一般的建筑结构其长细比均小于限值。

3 方案对比分析

三种方案的有关指标列于表6。下面从受力、抗震、施工工艺和综合经济效益四个方面做比较分析：

(1)从受力角度看，无疑方案三是最优的，这已经被国内外众多工程案例和试验所证明。钢管混凝土柱中外围钢管对核心混凝土起到了套箍作用，使得脆性的混凝土体现出延性受力特性，三向受压状态下的核心混凝土抗压强度有了大幅提高。钢管混凝土柱承载力为钢管加核心混凝土单独承载力之和的1.7倍左右，其单位面积所获得的承载力最高。而且钢管混凝土柱并没有轴压比限值，本工程中钢管混凝土柱最大轴压比为0.76，如果需要的话完全可以使其截面进一步减小。

(2)方案三由于采用了钢梁，其总质量较方案一和二有大幅的减少，底层地震剪力也相应减小很多，对抗震更有利。方案一中为了减小轴压比，最后采用了1.7 m的柱，但过大的截面使得底部的框架柱皆成为短柱，增加了受剪脆性破坏的可能，对抗震极其不利。

(3)从施工难易程度看显然方案一是被所有施工单位所接收的最普通的工艺。不过随着超高层建筑的日益增多，混合结构的应用也越来越多，国内对混合结构的研究也日趋成熟。2010版《高规》在原型钢混凝土混合结构的基础上增加了方钢管和圆钢管混合结构的内容，且给出了钢管混凝土结构节点的计算和施工构造。混合结构的施工现在已经被很多施工单位所掌握。型钢混凝土施工除了进行钢结构安装和焊接等外，还需混凝土结构的施工，施工工序多，程序复杂。

(4)对于整个工程来说，其工程经济效益除了考虑工程本身土建造价之外还要考虑建筑有效使用面积、工程施工工期等导致的经济效益。方案二的用钢量最多，最少的是混凝土柱，次少的为圆钢管柱，这是因为规范上要求型钢混凝土柱要同时配置一定数量的纵筋和箍筋。由表6可见方案三柱截面面积仅为方案一的30%，一层便多出有效使用面积23.83 m2，本办公楼总38层，柱子截面的减小可增加有效使用面积近600 m2，这对寸土寸金的城市核心地段是个非常可观的经济价值。柱子截面的减小同时可增加地下室停车场停车位数量。方案三的柱轴力为方案二的85 %左右，同时混凝土用量和结构总重量都比方案二少很多，这将有利于地基处理和基础截面的减小。钢管混凝土结构由于无需支模，其施工速度比混凝土结构快。一般如本工程规模大小的办公楼，如果混凝土结构7 d施工一层，则钢管结构可以做到5 d一层，38层节省90 d的工期，既节省了支模的费用又降低了工程的时间成本。钢管混凝土结构是最适合做逆作业法施工的结构体系，如果采用逆作业法施工可更进一步缩短施工工期。表6中混凝土楼层梁高为700 mm，一般办公楼设备管道为300～400 mm高，加起来就是1 000 mm高。采用钢梁可以做成蜂窝状或腹板开槽穿过设备管道，一层可以节省净空300 mm左右，38层可以总共减少11.4 m。由此可看出方案三的综合经济效益优势突出。

表6 三种方案有关指标比较

4 总结

超高层建筑中结构体系的选用直接关系到结构受力性能和整个工程的经济效益，是设计方和投资方需要重点考虑的问题。本文通过三种结构方案的计算，从受力性能和经济效益等方面做了对比分析。具体采用何种结构体系往往跟投资方的投资策略、当地的施工水平、材料供应等等众多因素有关，应综合统筹考虑。作为设计方可以通过精心的设计，充分挖掘结构的潜力，设计出技术先进经济合理的结构。

[1] JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]

[2] CECS 159：2004矩形钢管混凝土结构技术规程[S]

[3] CECS 28：2012钢管混凝土结构技术规程[S]

[4] YB 9082-2006钢骨混凝土结构技术规程[S]

郎文龙(1983～)，蒙古族，硕士，工程师。

TU973.2

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[定稿日期]2014-10-20