超高层建筑结构选型的经济性和合理性分析

张俊霞

（河南省建筑科学研究院有限公司，河南 郑州 450053）

随着城市建设土地资源越来越紧张，为提高土地资源的利用率，建筑的层数不断增加，超高层建筑在城市建设中不断涌现，包括住宅及公共建筑等。建筑结构类型的选择，是超高层建筑结构设计的重要环节。超高层建筑结构具有抗侧移能力低、水平荷载（水平风力或水平地震力）影响远比竖向荷载大、高空作业较多等特点[1]。现代城市不断发展，建筑要求越来越复杂，在超高层建筑的结构选型设计中，需要以安全性为基础，综合考虑建筑空间、使用功能以及经济性，合理选择结构方案。文章结合某超高层建筑的具体工程，分析其结构选型的经济性和合理性。

1 工程概况

某超高层建筑，建筑用地面积大约2.7万m2。地上、地下面积分别大约为11万m2、3万m2。A座为45层，B座28层。A座和B座2栋主楼与局部裙房，共同构成该超高层建筑工程。

2 主楼建筑体形特点及工程技术参数

A座的总建筑面积超过8万m2，B座的总建筑面积低于8万m2。该超高层建筑所在地区的抗震设防烈度为六度，基本地震加速度为0.05g。场地特征周期为0.45s。根据《建筑工程抗震设防分类标准》，A座划为乙类，重点设防类；B座为丙类，标准设防类。所在地区的地面粗糙度取B类。基本风压为0.5 kN/m2。B座风荷载体形系数位1.35，A座为1.4（根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，对于风荷载敏感的超高层建筑，承载力设计时，风荷载计算按基本风压的1.1倍采用）。核心筒抗震等级A座为一级，B座为二级。框架抗震等级A座为一级，B座为三级。主楼外轮廓尺寸如表1所示。

表1 主楼外轮廓尺寸

3 结构选型

A座的高度是约192m，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》B级钢筋混凝土框架-核心筒建筑的最大高度要求，满足《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》混合框架-核心筒，以及钢框架-核心筒的最大适用高度要求。因此，使用混合结构、全钢筋混凝土结构，都有可行性。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》6度区乙类建筑B级高度的框架-核心筒结构，框架及核心筒抗震等级均为一级[2]。

B座的高度是113m，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》A级钢筋混凝土框架-核心筒的最大高度要求。根据建筑工程经验，以及建筑平立面布置特点，每平方米用钢量约60～70kg的全钢筋混凝土框架-核心筒结构体系的经济性、受力性最好。其中，核心筒抗震等级为二级，框架抗震等级为三级，经计算，在地震和风荷载作用下，周期、位移等各种整体指标均满足规程限值要求。

对于A座结构选型的分析，综合考虑使用核心筒以及建筑平面布置的特点，混凝土核心筒可以提升结构的抗侧刚度，不对建筑内部使用空间产生影响，并且有良好的抗压性能，因此在选择方案时没有列入全钢结构体系[3]。除钢筋混凝土框架-核心筒结构外，针对外部框架梁、柱采用不同类型的结构构件，混合框架-核心筒结构可分为以下几种类型：钢柱-钢梁-钢筋混凝土核心筒、钢筋混凝土柱-混凝土梁-钢筋混凝土核心筒、型钢混凝土柱-混凝土梁-钢筋混凝土核心筒、型钢混凝土柱-钢梁-钢筋混凝土核心筒、钢管混凝土柱-钢梁-钢筋混凝土核心筒、钢管混凝土柱-混凝土梁-钢筋混凝土核心筒。考虑到框架梁按刚度所分配的弯矩并不很大，而框架柱的截面较大，因此一般不采用型钢混凝土梁。A座的外立面呈现鼓形的状态，建筑体形趋于板式，长宽比大，核心筒尺寸狭长，高宽比远超过《高层建筑混凝土结构技术规程》不宜小于1/12的规定。另外，迎风面大，外围柱稀疏，需适当增加外围框架的刚度支撑力度，满足风荷载作用对结构层间舒适度、位移度的要求。

相对来说，钢柱-钢梁-核心筒体系外围框架方案的刚度，在上述所有方案中是最小的，因此将钢柱-钢梁-核心筒体系排除[4]。相比纯钢柱，圆钢管混凝土柱的刚度更高。圆钢管混凝土柱连接非正交方向的钢梁更加方便。混凝土抗压性能高，但相比混凝土梁，钢梁的刚度依然更低。外围框架抗侧刚度较低，容易导致结构出现二阶扭转振型，需要增加加强层，提高抗侧刚度、扭转刚度，并且促进抗风性能的提升。计算模型梁柱截面尺寸、核心筒尺寸一样，两者的相关技术指标如表2所示。从表2可以看出超高层结构在6度设防烈度区，风荷载起控制作用，没有设置加强层的结构，刚度较低，在风荷载作用下Y向层间位移角不满足《高层民用建筑钢结构技术规程》的相关限值规定，且第二周期不应以扭转为主的扭转振型，一般应为平动周期。根据前三阶振型扭转系数、振型周期时长，可知利用加强层，能够有效提升结构的动力特性，加强层附近有较高的刚度，对层间位移能够有效控制。

表2 A座钢管混凝土柱—钢梁—核心筒带加强层与不带加强层的技术指标

加强层由伸臂桁架和周边的腰桁架组成，综合考虑伸臂桁架的经济性以及施工的复杂性，外框架体系使用钢筋混凝土结构。钢筋混凝土结构有较大的刚度，并且能够提高结构的扭转性能。同时，根据实际情况，酌情在底部数层柱内增设型钢或采用钢管混凝土柱的做法，解决底层柱轴压比可能超限的情况[5]。

4 方案优化及技术经济指标比较

根据以上概念设计，初步优化型钢混凝土柱-混凝土梁-核心筒、钢管混凝土柱-混凝土梁-核心筒，钢筋混凝土框架-核心筒三种方案。三种方案只有框架柱的做法有一些不同，其他基本接近。结合周围楼板出挑、柱网稀疏等因素，由于在长宽方向上，核心筒主体的侧向刚度，存在明显的差别（楼面中心是结构刚度的集中区域，存在结构易扭转、周边刚度差的问题），因此进行方案优化。削弱X向（长向）刚度，可以适当在此方向墙板开洞，同时增加Y向墙板的厚度。另外，为实现抗扭刚度增强的目的，柱间环形框架梁的截面尺寸，也要适当增加。但要注意，不能过多削弱周边的框架刚度，设计柱截面的尺寸不能过小。

在核心筒尺寸基本相同的情况下，钢梁体系呈现最大的Y向层间位移，侧向刚度较低，结构的周期基本相似。为提升侧向刚度，需要合理增加筒体墙厚。如果核心筒的刚度增加的过大，会进入第二周期的扭转周期。当柱、墙断面基本接近，相比来说，混凝土框架方案经济性能最明显，具有施工简单、用钢量较低等优势。虽然也有类似的方案，但节点处理复杂，钢筋混凝土框架-核心筒方案相对更优，对构件制作安装、建筑使用功能影响更小。

表3 A座各方案的经济指标情况

5 总结

该次研究选取某超高层建筑，主要对其A座的结构选型进行选择分析。结果表明，钢筋混凝土框架-核心筒方案最佳，最具经济性和合理性。由于楼层建筑的风载、地震力都不太高，容易符合强度的要求，必须选择最佳的刚度方案，有效发挥刚度的主控作用。应用钢筋混凝土框架-核心筒方案，外围刚度更高。如果考虑其他因素，使用钢梁体系，需要增加加强层，提升抗侧刚度和抗扭刚度。