某超限高层框架-核心筒结构优化设计

钟建敏

(苏州九城都市建筑设计有限公司,苏州 215123)

0 引 言

建筑结构设计优化[1]是指在满足各种规范或某些特定要求的条件下,使建筑结构的某种指标(如刚度、重量、造价等)为最佳的设计方法。也就是要在所有可用方案和做法中,按某一目标选出最优的方法。结构设计优化是以深厚的理论基础、良好的结构概念、丰富的工程经验为前提;以对设计规范实质内涵的理解和灵活运用为指导;以先进的结构分析设计方法为手段对结构设计进行深化、调整、改善和提高,也就是对结构设计再加工的过程。

以某超限高层框架-核心筒结构为例,以结构刚度、重量、造价等为控制目标并满足结构规范和超限审查要求,对原结构设计进行全方位优化,采用PKPM软件分别对原设计和优化后的结构重量、刚度、抗震性能、造价等进行了分析与比较,结果表明,建筑结构优化对于提高设计质量、节约建设成本、增大使用空间、缩短施工工期都有重要意义。

1 工程概况

该地块由2栋高层(3#、4#楼)和裙房组成,地下4层,3#塔楼地上33层,结构高度为151.2 m,4#塔楼地上27层,结构高度为126.2 m,裙房4层,结构高度21.7 m;底部4层(包括主楼)主要功能为商业,四层以上均为办公。由于地面以上裙房区域未设缝,使得3#、4#塔楼在地上形成大底盘多塔楼结构,建筑效果及剖面图如图1、图2所示。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural renderings

3#、4#塔楼除高度不同,其他基本相同,仅以3#塔楼为例进行分析,3#塔楼采用框架-核心筒结构体系,结构设计基准期为50年,结构安全等级为二级,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.1g,建筑场地类别为Ⅲ类,设计地震分组为第一组,场地设计特征周期为0.53 s,抗震设防类别:底部四层(含裙房)建筑抗震设防类别为重点设防类,裙房以上为标准设防类,框架抗震等级为一级,底部四层筒体为特一级,四层以上筒体为一级。风荷载按照规范与风洞试验较大值确定。工程地基基础等级甲级,3#塔楼采用墙柱下桩筏基础,桩采用后注浆钻孔灌注桩,直径900 mm,以⑿2粉质黏土层为持力层,单桩抗压承力特征值为7 000 kN。

图2 建筑剖面图Fig.2 Architectural section

2 结构优化设计原则及主要内容

2.1 结构优化设计原则

根据原结构设计单位提供的计算资料,对荷载取值、设计参数、设计标准及计算假定的合理性提供优化意见,并对结构在风荷载、地震荷载及其它具体荷载下的响应和稳定性进行评估优化。

根据原结构设计单位提供的设计文件,评估结构体系,包括楼板、梁、柱、墙的布置和有关结构适用性、有效性及舒适度方面的设计与要求;并在满足国家及地方相关规范法规和超限审查意见的前提下,进行了多方案的比选分析,提出经济合理并且最终有效的结构优化方案,其中包括柱、墙、梁、板、基础的布置及尺寸截面优化。

2.2 结构优化设计内容

2.2.1计算参数优化和荷载细化

考虑到办公建筑内部隔墙为轻质隔墙,对自振周期折减系数、连梁刚度折减系数进行调整;柱剪跨比计算原则由简化方式改为通用方式;框架梁端配筋考虑受压钢筋;梁柱重叠部分简化为刚域。并对墙体线荷载、轻质隔墙荷载、地下室部分降板、避难层中设备用房的恒载和活载进行细化。

2.2.2框架柱优化

原设计框架柱从负二层至十八层都设有型钢混凝土柱,型钢柱的型钢含钢率3.21%～10.2%。考虑到本楼底下几层建筑功能为商业,对框架柱大小不是特别敏感,故把型钢混凝土柱优化为钢筋混凝土柱,此优化后,底下几层框架柱截面有所增加,柱配筋也相应会增大,但柱型钢量可以减少,按《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[2](简称抗规)第6.3.6条规定框架-核心筒一级时框架柱轴压比限值0.75,并根据柱3沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200 mm、间距不大于100 mm,直径不小于12 mm,轴压比限值可增加0.10,框架柱轴压比可提升至0.85,考虑到局部柱剪跨比不大于2,轴压比限值应降低0.05,框架柱轴压比限值按 0.80 考虑。竖向构件截面优化原则,对平面和竖向进行整体优化,使侧向刚度沿竖向均匀变化,整体变形曲线光滑,避免形成软弱层和薄弱层,调整竖向构件截面和混凝土强度变化标高,避免构件截面变化和混凝土强度变化在同一标高,在确保刚度前提下,使竖向构件的配筋率在一个比较经济的范围内。标准层平面墙柱编号如图3所示,优化前后各楼层主要框架柱对比见表1、表2。

表1 优化前后框架柱典型截面对比Table 1 Comparison of typical section of frame column before and after optimization

表2 优化前后框架柱典型截面对比Table 2 Comparison of typical section of frame column before and after optimization

2.2.3核心筒剪力墙优化

原设计剪力墙厚度偏大,剪力墙竖向厚度变化较小,考虑到框架核心筒结构,在水平力作用下,上部楼层剪力墙的侧向位移越来越大,而框架变形反而减小,这是由于框架与剪力墙协同工作,此时剪力墙对结构整体刚度的影响是负面的[3]。适当减少上部墙厚,可以减轻核心筒自重,同时使结构受力更为合理。另外核心筒的内墙对抗侧刚度贡献较小,主要承受竖向荷载,而它所支承的面积很小,可以减薄。优化前后主要墙厚对比见表3、表4。

表3 优化前后剪力墙典型截面对比Table 3 Comparison of typical section of shear wall before and after optimization

表4优化前后剪力墙典型截面对比Table 4Comparison of typical section of shear wall before and after optimization

2.2.4梁优化

在3根内框架柱与核心筒之间增加1 200 mm×600 mm宽扁梁,此方法大大增加Y向侧向刚度,也减少此部位板厚。梁截面优化原则,在确保刚度前提下,优先优化截面宽度,使梁截面配筋率在0.6%～1.5%之间。由于建筑要求外框梁控制在800高,故原设计标准层平面中外框梁低中区由500 mm×900 mm改为500 mm×800 mm,高区由500 mm×900 mm改为450 mm×800 mm,塔楼办公区域框架主梁由500 mm×700 mm改为400 mm×700 mm,塔楼办公区域楼面次梁由400 mm×700 mm改为300 mm×700 mm,取消核心筒外围一圈300 mm×600 mm、250 mm×500 mm次梁,由于墙厚优化,连梁宽度也相应减少,调整连梁高度,尽量使连梁跨高比控制在5左右,以降低连梁配筋率。优化前后标准层梁平面布置对比图详见图4、图5。

2.2.5楼板优化

原设计标准层核心筒内板厚150 mm优化为130 mm,核心筒外四角部板厚由140 mm优化为>110 mm,核心筒与中间内柱间板厚由250 mm优化为130 mm,其余典型板厚由120 mm优化为110 mm,楼板厚度的优化,在减少楼板的混凝土用量和自重的同时,也减少板的构造配筋用量。优化前后标准层楼板平面布置对比图详见图4、图5。

图4 原设计标准层梁板平面布置图(单位:mm)Fig.4 Original design standard layer beam plate layout (Unit:mm)

图5 优化后标准层梁板平面布置图(单位:mm)Fig.5 Plane layout of standard floor beam after optimization (Unit:mm)

2.2.6屋顶钢结构支架

原设计文件中,屋顶支撑擦窗机的轨道梁采用钢结构梁方案,考虑到钢结构方案后期维护成本较高,优化后采用混凝土方案,原H700×250×14×20的钢梁优化为400×800混凝土梁,原H400×220×8×12的钢梁优化为250×600混凝土梁,虽然增加了部分混凝土用量和自重,但型钢总量也得以大幅下降,总造价成本也得到相应的减少。

2.2.7筏板基础优化

通过荷载优化和柱、墙、梁、板截面优化,大大减少了基础荷载,并对筏板计算参数进行优化,考虑到筏板配筋与沉降计算结果影响较大,根据试桩沉降结果反算群桩沉降放大系数为6;考虑沉降后浇带的作用,恒载加载比例为0.6;对筏板基础计算时考虑上部刚度的影响;筏板上、下保护层厚度取为20 mm和50 mm。由于优化时,桩基础已施工完,考虑桩顶标高问题,故未对桩基础和筏板厚度进行优化,仅对筏板砼强度进行优化,由原设计C40改为C35,筏板冲切和剪切均满足规范要求,并对筏板配筋进行优化。基础筏板配筋示意范围图如图6所示,优化前后基础筏板配筋率对比见表5。

2.2.8桩基优化

通过上述优化后结构自重减少,相应桩数也可以减少;由于本工程三层地下室,开挖深度达15 m,桩基抗压工况设计时可考虑采用最低水位下1米计算水浮力,可减少抗压工况下桩数;根据《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[4](简称桩基规范)第5.2.4条,按变刚度调平原则设计桩基刚度,保留原设计核心筒桩基刚度,弱化外围框架柱桩基刚度,外围框架柱桩基布置时考虑筏板效应确定其复合基桩的竖向承载力特征值,既可以减少桩基数量,又可减少外围框架柱与核心筒之间的沉降差。以上优化措施可减少原设计桩数20%以上,由于优化时,桩基已施工完成,故上述优化未实施。

图6 基础筏板配筋示意范围图Fig.6 Schematic diagram of reinforcement of foundation raft

表5 优化前后基础筏板配筋率对比Table 5 Reinforcement ratio of foundation raft before and after optimization

3 结构优化前后结构整体性能对比分析

3.1 优化前后计算结果对比

经上述优化内容优化后,结构4层以上自重与优化前相比减少约16%,4层以上的基底剪力与优化前相比减少约20%,优化前后计算结果见表6,由于自重减轻,基底剪力减少,同一楼层相同位置,优化后结构柱、墙、梁的配筋相应减小,优化前后局部混凝土构件配筋对比见图7。

表6 3#楼优化前后单塔计算结果对比Table 6 Comparison of single tower calculation results before and after optimization of 3# building

图7 优化前后局部混凝土构件配筋对比图Fig.7 Comparison of reinforcement for reinforced concrete members before and after optimization

3.2 优化前后结构整体性能对比分析

3.2.1结构刚度对比

优化后结构第一自振周期比原设计大0.062 s,第二自振周期优化后为4.226 s,与优化后的第一自振周期比较接近,与原设计相比,优化后结构在X,Y的侧向刚度基本接近,更加符合规范两个方向的侧向刚度不宜相差过大的要求。由于优化后结构自重减小,地震作用的基底剪力也相应减少,故在地震作用下的Y向最大位移角优化前后分别为1/898和1/889,最大位移角基本相同,说明优化前后结构的整体刚度变化不大。

3.2.2结构层刚度和位移比对比

优化前后结构的最小刚度均为1,都不存在软弱层,优化后的楼层层间刚度更为接近;优化前后结构X,Y方向的最小楼层抗剪承载力比分别为0.92,0.94和0.93,0.95,都不存在薄弱层,优化后的最小楼层抗剪承载力比更大;优化前后结构X,Y方向的最大位移比分别为1.30,1.43和1.24,1.26,说明优化后限制结构的扭转更好;从结构层刚度和位移对比结果可以说明优化后结构层刚度和位移比均优于优化前,竖向刚度变化更趋合理,结构的整体抗震性能优化于优化前。

3.2.3其他结构指标对比

优化前后结构的整体稳定性验算满足要求,均不会负应力区;优化前后结构底层框架承担倾覆弯距比例为30%～40%,承担剪力为15%～22%,以上楼层逐层增加,除屋顶几层外,基本都未超过50%;优化后的结构柱局部柱的轴压比大于优化前,对于较大轴压比的柱和底部加强区的框架柱采用了沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200 mm、间距不大于100 mm、直径不小于12 mm的措施,保证了框架柱的延性,剪力墙由于自重的减少,优化后剪力墙的轴压比小于优化前,延性更好。

施工图设计时优化前后均采用单塔和双塔整体模型包络设计。超限审查提出的性能设计目标:底部加强部位剪力墙受剪承载力按中震弹性设计,正截面承载力按中震不屈服设计,过渡层剪力墙受剪承载力满足中震不屈服，优化前后也均满足要求。

3.3 风荷载作用下舒适度对比

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[5]第3.7.6条规定,高度超过150 m的高层建筑应具有良好的使用条件,满足舒适度要求。按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[6]规定的10年一遇的风荷载取值计算优化前后的顺风向和横风向结构顶点最大加速度如表7所示。由表7可知,在风荷载作用下,3#楼优化前后的顺风向和横风向顶点加速度值基本相同,风荷载作用下的舒适度相当,均远小于规范限值0.25 m/s2的要求。

表7 结构顶点峰值加速度(10年重现期)Table 7 Peak acceleration (10 year return period)

4 结构优化设计成果及效益

根据造价顾问单位提供的测算资料,和原施工图设计相比,节约混凝土量约5 694 m3,型钢减少1 333.5 t,钢筋用量减少1 208 t,具体见测算表8;结构优化后可增加楼层使用面积约667 m2,具体详见表9、表10;由于取消了原塔楼柱内的型钢和屋顶钢结构,采用全部现浇钢筋混凝土结构,省去型钢加工、制作、安装的环节,增加了施工便利性,大大节省了施工周期。由于结构优化时桩基已施工完成,筏板厚度和桩基数量均未优化,若考虑自重减少,筏板厚度和桩数的减少,基坑开挖深度相应减少,产生的经济效益更加可观。

5 结 论

结构设计优化绝不是用降低安全度来换取经济效益,也不是简单的节约用钢量和混凝土量,而是通过系统的、整体的优化,并根据结构受力特点合理调整构件尺寸,结构自重减轻,地震作用降低,刚度分配更趋合理,结构延性增加,结构安全度相应提高,同时也取得了增大室内使用空间、缩短施工工期和节约建设成本2 294.68万元的效益,也可为类似工程设计提供参考。

表8 优化成果测算表Table 8 Table of optimization results

表9 框架柱优化增加的楼层使用面积Table 9 Frame column optimization to increase useable floor area m2

表10 核心筒剪力墙优化增加的楼层使用面积Table 10 Core wall to increase usable floor area m2

参考文献

[1] 徐传亮,光军.建筑结构设计优化及实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

Xu Chuanliang,Guang Jun.Optimization and example of building structure design [M].Beijing:China Architecture and Building Press,2012.(in Chinese)

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings[S].BeiJing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

[3] 傅学怡.实用高层建筑结构设计[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2010.

Fu Xueyi.Practical high rise building structure design [M].2nd Edition.Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ 94—2008 Technical code for building pile foundations[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2008.(in Chinese)

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 3—2010 高层建筑混凝土技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.JGJ 3—2010 Technical specification for concrete structures of tall building[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2010.(in Chinese)

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50009—2012 建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China.GB 50009—2012 Load code for the design of building structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2012.(in Chinese)