某高层办公楼的结构选型与分析

刘秋芳

(福州市规划设计研究院 福建福州 350100)

某高层办公楼的结构选型与分析

刘秋芳

(福州市规划设计研究院 福建福州 350100)

根据建筑的具体需求选择合理的结构体系尤为重要。文章结合某高层办公楼建筑平面布局、使用功能、建设工期及工程造价等因素，比较了钢框架结构、钢框架-中心支撑、钢框架-钢筋砼核心筒、钢筋砼框架-核心筒等4种方案。综合对比了4种方案的结构受力特性、变形状态、建筑材料及施工工期等关键指标，结果表明钢框架-中心支撑结构是最优的结构方案，显见钢结构具有较优的综合经济效益，钢结构建筑存在巨大的市场潜力和发展潜力。

结构选型；钢框架；钢框架-中心支撑；钢框架-钢筋砼核心筒；钢筋砼框架-核心筒

0 引言

根据某高层办公楼的结构选型与分析，表明建筑结构设计不单纯是结构问题，而是一个综合性的科学问题。科学合理的结构形式，需要综合考虑建筑的使用功能、结构的安全性及舒适性、建筑材料的绿色环保、施工技术的安全高效以及综合的经济效益与社会效益。在日益激烈的市场竞争环境下，需要工程师能够找到最适合具体工程需求的结构体系。抗侧力体系的选择至关重要，满足规范仅仅是设计的最低要求，必须不断试算比较方可找到较佳方案。

1 工程概括

某高层办公楼地上22层，裙房2层，设1层地下室，为人防及设备用房。裙楼的2层层高均为6.0m，三层～二十一层层高4.5m，屋面层高约5.1m，建筑总高度约102.6m。裙房层平面长90m，平面宽62.3m。建筑剖面示意图如图1所示。标准层长88.8m，宽28.2m，如图2所示。方案1为钢框架结构，竖向构件为钢管混凝土柱，水平构件为钢梁，楼盖为钢筋桁架楼承板。方案2为钢框架-中心支撑结构，是在钢框架结构的基础上于适当位置增加柱间中心支撑。方案3为钢框架-钢筋混凝土核心筒结构，是在钢框架结构的基础上增加钢筋混凝土剪力墙核心筒。方案4为钢筋混凝土框架-核心筒结构，是传统的广泛应用的结构形式,竖向构件及水平构件均为钢筋混凝土结构。

图1 建筑剖面示意图

(a)方案1:钢框架结构；方案2:钢框架-中心支撑结构

(b)方案3:钢框架-钢筋混凝土核心筒；方案4:钢筋混凝土-核心筒图2 标准层平面图

工程设计基准期为50年，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，基本地震加速度为0.05g，建筑场地类别为II类，场地特征周期Tg=0.40s。基本风压为0.75kN/m2(50年)，地面粗糙度为B类。

2 结构选型

结构概念设计是结构分析和设计中非常关键的第一步。成功的设计必须依据工程的具体要求，选择一个经济合理、切实可靠最优的结构方案。该项目的主要需求:①建设工期紧张，土建施工阶段尽快介入装修工程；②办公室结构布置灵活，便于后期使用功能调整；③项目场地的风荷载较大，对舒适度要求较高；④尽量控制工程造价。结合该办公楼的需求，结构概念设计阶段对比分析了以下4个方案。

2.1 钢框架结构

考虑到建筑功能布置及后期室内装修风格灵活改变，建筑专业倾向于优先采用纯钢框架结构，不仅施工速度快，材料环保，还可为绿色节能建筑加分。但框架结构抗侧刚度较弱，在强风作用下结构侧移和风振加速度较大，使用者容易产生风振不舒适感。当房屋层数较多、水平荷载较大时，梁、柱截面尺寸将大到超出经济、合理范围。因此钢框架结构体系一般仅适用于30层以下的高楼结构。建造于地震区，更不得超过20层[1]。

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》[2]规定，6度区框架结构的最大适用高度为110m，框架抗震等级为四级。根据《钢管混凝土结构技术规程》[3]规定，6度区框架结构的最大适用高度为70m，框架抗震等级为三级。该办公楼高度为102.6m，经初步分析钢框架结构体系不是较优方案。

2.2 钢框架-中心支撑结构

钢框架-中心支撑结构是以框架体系为基础，沿房屋纵向、横向或其它主轴方向，在不影响建筑平面使用功能及立面效果的前提下，根据水平力的大小，布置一定数量的竖向支撑。因竖向支撑与框架的相互作用，增加了结构抗侧刚度，较大减小了结构变形。

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》[2]规定，6度区框架-支撑结构的最大适用高度为220m，结构抗震等级为四级。根据《钢管混凝土结构技术规程》[3]规定，6度区框架-支撑结构的最大适用高度为220m，框架抗震等级为三级。经初步分析钢框架-中心支撑结构是可行方案。

2.3 钢框架-钢筋砼核心筒结构

框架-核心筒结构利用建筑楼层中心位置的电梯井或设备井布置钢筋混凝土核心筒形成立体构件，具有较大的抗推刚度。与楼层外圈钢框架为刚接时，芯筒承受着大部分的水平荷载，钢框架承受小部分的水平荷载。在结构中设置一定数量钢筋混凝土剪力墙核心筒，就会大幅度地减小水平荷载下的结构变形，满足使用要求。

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》[2]规定，6度区框筒结构的最大适用高度为300m，结构抗震等级为四级。根据《钢管混凝土结构技术规程》[3]规定，6度区框架-核心筒结构的最大适用高度为220m。框架抗震等级为三级，核心筒抗震等级为二级。经初步分析钢框架-钢筋砼核心筒结构是可行方案。

2.4 钢筋混凝土框架-核心筒结构

钢筋混凝土框架-核心筒结构以平面布置灵活，抗侧刚度大，结构变形小等优势，是我国高层办公楼建筑广泛使用的经典结构体系。根据《建筑抗震设计规范》[4]规定，6度区框架核心筒结构的最大适用高度为150m。框架抗震等级为三级，核心筒抗震等级为二级。经初步分析钢筋混凝土框架-核心筒结构是可行方案。

3 结构指标比较分析

概念设计阶段，探讨上述4个结构选型的可行性，必须通过建模计算分析各项指标，进行综合比较优选。高层建筑结构设计中采用何种结构体系、何种结构材料直接影响到建筑的结构性能及经济合理性等。结合工程需求，本文主要从周期比、位移比(位移角)、楼层水平剪力、结构自重、结构材料、施工工期等关键指标对4个方案进行比较分析。该工程分析程序采用盈建科建筑结构设计软件(YJK1.8版本)。

3.1 周期比

周期比是控制结构扭转效应的重要指标，是概念设计中加强抗扭刚度的基本要求，显示了结构布置的合理性程度。周期比是结构的扭转第一周期与平动第一周期的比值。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》[5]A级高度高层建筑结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1不应大于0.9。表1列出了4个不同结构方案计算的前3个振型的自振周期。

根据《建筑结构荷载规范》[6]提供的根据建筑层数估算高层建筑基本自振周期的计算式子。

钢结构：

T1=(0.10～0.15)n

(1)

钢筋混凝土结构：

T1=(0.05～0.10)n

(2)

式中n为建筑总层数。该工程n=22，则估算钢结构基本自振周期为2.2s～3.3s，钢筋混凝土结构自振周期为1.1s～2.2s。

由表1可知，4个结构方案的周期比均小于0.9，满足规范要求。钢框架结构及钢筋混凝土框架-核心筒结构的自振周期计算值均比规范给出的估算值偏大较多。钢框架-中心支撑结构与钢框架-钢筋砼核心筒结构两者的自振周期计算值接近，且计算值与估算值较吻合，说明两者结构的抗侧刚度较适宜。

3.2 位移比(位移角)

位移比是控制结构平面规则性的重要指标，是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼平均值的比值，位移比间接控制了结构刚度。该工程平面较为规则，位移比基本满足规范要求。表2列出了4个结构方案计算的层间最大位移角。

根据《高层民用建筑钢结构技术规程》[2]，按弹性方法计算的楼层层间最大水平位移与层高之比不宜大于1/250。根据《钢管混凝土结构技术规程》[3]及《高层建筑混凝土结构技术规程》[5]，框架结构与框架-支撑结构的弹性层间位移角限值均为[1/300],钢框架-钢筋砼核心筒及钢筋混凝土框架-核心筒结构的弹性层间位移角限值均为[1/800]。

由表2可知，框架结构在梁柱截面较大、用钢量较大的前提下，结构抗侧刚度仍较弱。Y向的最大位移角为1/347，临近规范的限值[1/300]。钢框架-钢筋砼核心筒结构及钢筋砼框架-核心筒结构的两个方向的刚度不均衡，X向刚度比Y向刚度大较多，X向的最大位移角较小，而Y向的最大位移角已超过限值[1/800]。钢框架-中心支撑结构X向与Y方向的结构刚度较接近，位移角相近也符合规范要求，可见在适当位置增加适量支撑，可以明显地改善钢框架的结构性能。

3.3 楼层剪力

图3给出了4种结构方案分别在X向、Y方向地震作用下的楼层剪力。由图3～图4中可知，4种方案的楼层地震剪力分布较均匀，结构竖向布置比较规则。在水平地震作用下，钢框架与钢框架-中心支撑结构的楼层地震剪力较接近。钢框架-钢筋砼核心筒与钢筋砼框架-核心筒结构的楼层地震剪力比前两者大较多，X向、Y向的基底剪力约为前两者结构的1.4～1.5倍。

3.4 结构质量对比

结构自重减轻不仅可以降低建筑的地震作用，减小抗侧力构件的截面，还可以降低基础造价和地基处理费用，以及材料的运输和吊装费用等。表3给出了4种结构方案统计的恒载总质量及标准层单位面积质量对比情况。由表3可知，钢框架与钢框架-中心支撑的质量基本接近。钢框架-钢筋砼核心筒与钢筋砼框架-核心筒结构的质量约为前两个方案的1.25倍～1.4倍。

表1 周期振型列表

表2 层间最大位移角

表3 结构质量对比

表4 竖向构件材料统计

图3 X向地震作用下的剪力(kN)

图4 Y向地震作用下的剪力(kN)

3.5 结构材料对比

水平楼板的混凝土用量及含钢量基本相近，表4仅统计竖向抗侧力构件的材料(不含楼板)。由表4可见，钢框架-中心支撑结构比纯钢框架结构仅增加了中心支撑杆件约300t。钢框架-钢筋砼核心筒结构比钢框架增加了混凝土约3474m3及钢筋约400t。二者比较，钢框架-支撑结构使用材料更省且工艺更简单，而钢筋混凝土框架核心筒结构的混凝土用量显著增加。

3.6 建设工期对比

钢结构因绝大部分构件可在工厂标准化生产、加工，施工耗材少，现场安装施工作业面多，安装速度快，钢结构施工速度比钢筋混凝土约快1.5倍。通常钢结构约每3d～4d完成一层，而钢筋混凝土约每5d～6d完成一层。该工程若采用钢结构，主体结构封顶可以节省工期约45d。而且钢结构不用考虑砼养护时间，主体钢结构安装可以与装修工程同步进行，节省了装修工期。

4 结语

本文从6个关键因素对高层办公楼进行了4种不同结构方案的计算与分析。对比结果汇总如表5所示。

表5 对比结果汇总表

由表5可知，方案1钢框架结构刚度较弱，变形较大。方案3与方案4刚度分布不合理，X向刚度比Y向大较多，X向位移角远小于规范限值，而Y向位移角已超限，结构用钢量及混凝土量增加，施工工艺复杂，工期显著增加，耗材又耗工。方案2钢框架-中心支撑结构是在框架体系上适当地布置一定数量的竖向支撑。在主体结构用钢量增加较少的基础上，结构抗侧刚度明显提高，结构性能及结构变形均满足规范要求。建筑材料及建设工期等综合经济指标也符合业主预期要求。经4个方案对比分析可见该办公楼采用方案2，即钢框架-支撑结构是最优的结构型式。

钢结构强度高、延性好、自重轻，可以大大改善结构的受力性能。钢材具有良好的机械加工性能，适合工厂标准化生产和加工制作。施工速度快，工期短，大大降低了施工管理费、设备租赁等资本投入。而且钢结构施工减少现场湿作业，减轻了扬尘、排放废水、噪声等对环境的污染。钢结构因绿色环保、材料可重复利用等优势，符合社会可持续发展要求。发展工业化装配式钢结构建筑特别符合我国化解钢铁产能过剩、发展绿色建筑的战略要求。钢结构发展前景非常广阔，具有巨大的市场潜力与发展潜力。

[1] 曾凡生，王敏，杨翠如，等.高楼钢结构体系与工程实例 [M].北京：机械工业出版社，2015.

[2] JGJ99-2015 高层民用建筑钢结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] GB50936-2014 钢管混凝土结构技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[4] GB50011-2010 建筑抗震设计规范(2016版)[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[5] JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

Structure selection and analysis of a high-rise office building

LIUQiufang

(Fuzhou Planning Design&Research Institute，Fuzhou 350100)

It is important to choose reasonable structure system according to the requirement of the building.A high-rise office building due to the layout of the building,the use of functions,construction period and project cost and other factors,four schemes are compared,such as steel frame structure,steel frame center support,steel frame reinforced concrete core tube and reinforced concrete frame core tube .Comprehensive comparison of the four schemes of the structural characteristics of the force,deformation,building materials and construction period and other key indicators,the results show that the steel frame center support structure is the optimal structural scheme.It can be seen from this paper that the steel structure has better comprehensive economic benefits,and the steel structure construction has great market potential and development potential.

Structure selection; Steel frame; Steel frame center support; Steel frame reinforced concrete core tube; Reinforced concrete frame core tube

刘秋芳(1979- )，女，高级工程师。

E-mail:15928883@qq.com

2017-05-27

TU3

A

1004-6135(2017)09-0031-05