高烈度区超高层结构选型探讨

洪朝德

摘要：高烈度地区建筑结构因地震作用大，常出现结构梁柱截面过大现象，影响了建筑的使用空间和美观性。本文以某栋拟建于昆明的171m超高层办公楼为例，分别采用普通钢筋混凝土结构、钢结构及混合结构三种结构类型进行经济分析。

关键词：高烈度区；超高层；钢结构；结构选型

前言

本工程位于昆明。是综合体项目中最高的一栋办公楼，地上41层，带3层地下室，建筑高度171m。建筑平面呈正方形（正方形平面四角有3.9x5.6m的长方形缺角）。边长43.4m。核心筒长20m、宽17。4m。外框柱柱距为8m～18m，距核心筒壁约12.6m。

工程设计概况：抗震设防烈度8度、设计地震分组为第三组。设计基本地震加速度值0.20g，建筑场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.65s；基本风压值Wo=0.33kN/m2（50年），地面粗糙度B类，体形系数u=1.40。

根据高档办公楼建筑使用要求并结合结构受力需要。采用框架一核心筒结构是较为合理结构体系。中部核心筒落地。外围稀疏布置的框架可满足高档办公楼大面积景观视野的需求。考虑到所在场地抗震设防烈度高、场地类别等级高而导致地震作用较大的特点。采用普通钢筋混凝土结构、钢结构及混合结构三种结构类型进行技术经济分析。

1.结构选型

1.1普通钢筋混凝土结构（框架-核心筒结构）

现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构。为常见的超高层结构形式之一，造价经济。技术成熟，施工简单。但由于高烈度区水平地震作用较大。为满足规范要求侧刚限值和轴压比。框架柱截面较大，具体如下：

框架柱：普通钢筋混凝土柱。截面1800x2500。往上逐渐收至800x1200。

核心筒：普通钢筋混凝土核心筒。厚度从底部800、400逐步收小到上部的400、300。

楼盖体系：普通钢筋混凝土梁板式。外框梁x向400x1200、Y向400x1200，内框架梁300x700，次梁200x700，楼板厚度100。

加强层：需在第18层及29层设置两层加强层以增强抗侧刚度。

1.2钢结构（框架-核心筒结构）

钢结构的框架-核心筒结构。核心筒采用圆钢管混凝土柱及钢桁架组成。外框柱采用圆钢管混凝土柱，结构梁采用H型钢。钢结构施工不需支撑模板。施工速度快。由于规范对钢结构侧刚限值较混凝土结构有很大放松。可以很大程度上缩小柱截面。明显增加实用面积。框架柱截面较小。具体如下：

框架柱：外框φ1000x50、0800x40，往上逐渐收至φ600x20。

核心筒：内筒钢管柱直径从底部φ800往上逐渐收至φ600。

斜杆：口350x350x20x20（口450x450x25x25）。

外框架梁：HN800x300x15x20。内框架梁：HN600x200（250）x12x20，

次梁：HN600x200（250）x12x20、HN450x200（150）x9x14。

加强层：需在第18层及29层设置两层加强层以增强抗侧刚度。

1.3混合结构（框架-核心筒结构）

混合结构是型钢和混凝土一起使用。包括外围钢框架或型钢混凝土、钢管混凝土框架与钢筋混凝土核心筒所组成的框架一核心筒结构。混合结构方案结构梁采用H型钢。核心筒采用剪力墙。若外围框架柱采用截面较小的圆钢管混凝土柱满足不了侧刚要求。因此外围框架柱改用截面较大的型钢混凝土柱以满足计算要求。具体如下：

框架柱：底部型钢混凝土柱1500x2200（设置4%型钢）。

核心筒：普通钢筋混凝土核心筒，厚度从底部800、400逐步收小到上部的400、300。

外框架梁：HNl200x400（300）x50x20。

内框架梁：HN700x400x12x30。

次梁：HN600x200（250）×10x20、HN450x150x9x14。

加强层：需在第18层和第29层及顶层设置三层加强层以增强抗侧刚度。

2.经济比较

2.1结构经济指标及造价估算

估算时综合单价按：混凝土550元/m3，钢筋采用HRB500级为5500元/t，型钢10000元/t。

根据建模计算。对三种结构类型的钢筋含量、混凝土用量及型钢含量等工程量指标进行估算。典型楼层的造价估算见下表。

2.2实用面积比较

以柱截面面积最大的方案一为基准。比较各方案柱截面节省的实用面积。并以实用面积15000元/m2的商业价值估算其对建筑综合造价的影响如下表。

2.3考虑基础影响的造价

根据地质报告。考虑采用刚性桩复合地基上的筏板基础。按此估算基础造价差异。

根据估算，方案一（钢筋混凝土结构）采用复合地基+筏板的基础综合造价约为140元/m2；方案二（钢结构）采用复合地基+筏板的基础综合造价约为85元/m2：方案三（混合结构）采用复合地基+筏板的基础综合造价约为120元/m2。

2.4三种方案经济指标及结构造价汇总

2.5经济比较结论

方案一结构综合造价最低；方案二钢结构约增加造价32%，每平方米约增加339.4元：方案三混合结构约增加造价47%。每平方米约增加496元。

按以往类似项目经验。钢筋混凝土高层结构一般标准层工期在5～7天/层。混合结构每层约能节省2天。钢结构则每层约节省3天。工期缩短。投资可提前回收。会带来部分经济效益。

综上所述。考虑到钢结构方案相对混合结构方案造价低。相对钢筋混凝土结构方案可缩短工期、增加建筑的实用面积。本工程采用钢结构方案综合经济效益相对较高。

3.结语

高烈度区采用常见的普通混凝土结构会导致梁柱截面较大，影响了建筑的使用效率和美观性。混合结构增加造价的同时，对梁柱截面优化有限，性价比低。而钢结构在经济性和建筑实用率上都能得到兼顾。为本工程首选的结构类型。