180m超高层建筑结构体系的优化研究

王焕林

（广州市建设投资发展有限公司，广东 广州 510000）

1 结构优化设计步骤

结构方案阶段的结构体系以及平面布置，对造价的影响最大。对超高层建筑来说，控制结构成本，关键在于方案阶段找出最优的结构布置以及结构抗侧力体系，优化设计步骤如下。

1.1 对全楼整体进行减重设计

对全楼整体进行减重设计：1）楼面荷载精细化输入。2）计算参数设置检查。3）水平楼盖体系构件截面的择选。

1.2 主体抗扭动力特性敏感性分析

建筑结构的主体动力特性是反映主体本身所固有的动力性能，主要包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等动力特性参数。在主体结构设计中，主体的抗扭动力特性参数代表了结构本身所固有的动力性能，这是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质，构造连接等因素决定的。在结构形式、质量分布、材料及构造基本确定的情况下，着重从结构刚度的2个方面进行分析：1）主体结构抗侧力体系敏感性分析。2）竖向构件剪力墙、连梁、框架梁、框架柱的分布及截面选择。

1.3 中等延性构造设计

对竖向构件剪力墙采用中等延性构造，将水平地震影响系数最大值提高一度取值，并考虑风与地震荷载的组合，进行结构整体计算分析，对剪力墙的承载力进行验算，在达到满足性能要求的情况下，剪力墙的构造抗震等级可以按常规设计的抗震烈度降低一度且不低于6度进行抗震等级设计。

该文主要对180m超高层建筑的主体结构抗扭动力特性敏感性方面进行分析探讨，以期从中找出最适合项目自身特点的结构体系。

2 结构体系优化方法

超高层建筑的结构通常相比普通建筑来说具有独特性，单凭结构设计经验，难以找到结构体系的最优解。因此，需要使用结构模型计算软件，得到结构中每种构件对体系的贡献值，据此调整构件尺寸和材料分布，使其在满足相关指标的条件下，达到最优的经济性能。

在对构件进行分析时，需要设计人不断地去调整构件尺寸或者材料的变量及区间。对超高层建筑结构抗侧体系来说，比较重要的构件是竖向构件（剪力墙）、连梁、框架梁、框架柱（SRC柱）等，根据构件的重要性，对截面尺寸进行分类分档，将参数输入计算模型中，得到不同的计算结果，并进行对比拟合，从而得到结构抗侧力体系敏感性结果。

2.1 竖向构件核心筒剪力墙厚度变化的影响分析

在高层建筑结构中，核心筒的剪力墙内墙主要起到传递竖向荷载的作用，对抗侧刚度的贡献往往较小，一般不进行详细分段。因此主要对核心筒的剪力墙外墙厚度从下到上详细分段，用比例缩减系数控制，输入不同的截面尺寸，作敏感性分析。

由图1可知以下几点。1）按向风作用下的最大层间位移角曲线：1~11层的斜率最陡，51~60层的斜率最缓和，曲线越陡，斜率越大，则对应着最大层间位移角的数值越大，为了把最大层间位移角控制到向风最大层间位移角基准值，则说明在1~11层的低层区，剪力墙的厚度对最大层间位移角的响应是更为敏感的，在低层区应当加大剪力墙厚度，在高层区应当适当减少剪力墙厚度。2）按向小震作用下的最大层间位移角曲线：1~11层的斜率最陡，51~60层的斜率最缓和，曲线最陡的地方对应着最大层间位移角的数值越大，为了把最大层间位移角降低到规范限制1/654，则说明在1~11层的低层区，剪力墙的厚度对最大层间位移角的响应是更为敏感的，对最大层间位移角的贡献更明显。从低层区到高层区，剪力墙厚度应当实际分析，在最大层间位移角的敏感点做厚度的减少变化。

图1 墙体厚度在风和地震作用下对层间位移角的影响分析图

核心筒剪力墙的厚度在高层低区对最大层间位移角的贡献是比较敏感的，而在高区的贡献则影响不大，因此对剪力墙厚度从上到下的变化，应该做比较详细的合理分段，以期得到的最大层间位移角限制内的最优截面分布。

2.2 竖框架柱（SRC柱）截面变化的影响分析

针对外框柱截面尺寸的敏感性分析，主要目的为考察截面的变化时，其抗弯刚度和轴向刚度对整体指标的响应灵敏度。而针对外框柱的配钢率分析，主要着重考察柱轴向刚度对整体指标的影响。通过输入不同的外框柱壁厚及不同的配钢率，做敏感性分析。

由图2可知：1）由图2（a）可见，在1~11层的低层区，减少外框柱壁厚，对周期的敏感程度低于12层以上的中高层区，由图2（b）可见，从对刚度的有利贡献来说，应控制中高层区的外框柱壁厚，对整体刚度的贡献更大。2）由图2（c）及图2（d）可见，按向风作用及向小震作用下的最大层间位移角曲线：1~11层的斜率最陡，51~60层的斜率最缓和，曲线最陡的地方对应着最大层间位移角的数值越大，在1~11层的低层区，外框柱壁厚对最大层间位移角的响应是更为敏感的，在低层区应当增加剪力墙厚度，在高层区应当适当减小剪力墙厚度，这样的做法对最大层间位移角的控制是最有利的。3）由图2（e）及图2（f）可见，在36~50层的高层区，减少外框柱刚度，对风最大层间位移角的敏感程度是比较高的，因此在高层区，要适当地控制外框柱的刚度，而在低中层区，其敏感程度相对低一些，可以适当降低外框柱刚度。

图2 外框柱壁厚及EA在风和地震作用下对周期及层间位移角的影响分析图

2.3 外框架梁截面变化的影响分析

通过调整外框梁截面尺寸，着重考察其抗弯刚度对整体指标的响应灵敏度。

2.4 连梁高度面变化的影响分析

根据相关工程经验，连梁高度对结构周期、剪重比、层间位移角等整体指标参数有一定影响。兼顾连梁抗剪承载力和结构的性能目标，将连梁高度进行增减，考察其对整体指标的影响。

3 工程实例概况

该工程位于山东潍坊市松花江西路，为多层裙房商业、塔楼超高层办公及酒店一体的大型城市综合体。地下室2层，裙房3层，塔楼42层，结构高度179.9m。结构参数具体如下。

结构体系：混凝土框架-核心筒结构；安全等级：二级；基础埋深：13m。

抗震设防类别：标准设防类；抗震设防烈度：7度0.15g。

抗震等级：框架一级，核心筒一级；高宽比：整体4.38。

核心筒9.6；基本风压：0.40MPa（整体指标）；风荷载体型系数：1.4。

3.1 核心筒剪力墙厚度梳理

通过试算，现原结构方案中竖向构件截面均偏大，可进行优化调整。通过墙肢截面厚度调整，降低主体结构自重的同时，增加了建筑使用面积，见表1。

表1 核心筒剪力墙厚度调整对比

3.2 外框柱截面梳理

原方案在L1~L6层在柱内设置型钢。通过柱内配钢控制低区外框柱截面的思路基本合理。当楼层往上时，外墙轴压比和框架柱楼层剪力都是比限制要放松的，由于配钢主要目的为增加柱的轴向刚度而非抗弯刚度，建议采用提高柱轴向刚度更高效率的叠合柱方案替代SRC柱方案。通过叠合柱方案的配钢方案的调整，可以进一步缩小外框柱截面尺寸以减低主体结构自重，用钢效率的提高减少了项目的总用钢量，同时，增加建筑使用面积。外框柱的叠合柱方案与SRC柱方案的调整对比见表2。

表2 外框柱截面调整对比

3.3 整体计算指标对比

由表3可见，采用YJK2.0.3结构计算软件对叠合柱方案进行计算，得到的计算指标同样能满足规范的要求，同时也接近原SRC柱方案的指标。

表3 两种外框柱体系模型计算参数对比

3.4 经济性指标对比

由表4可见，采用叠合柱方案，与型钢柱方案相比，混凝土单位用量可减少0.01m³/m、钢筋单位用量4.29kg/m、型钢单位用量可减少0.47kg/m。混凝土目前可按700元/m³估算，钢筋可按7元/kg估算，型钢可按12元/kg估算，则混凝土可减少7元/m³，钢筋可减少30.03元/m，型钢可减少5.64元//m，以上3项合计减少42.67元/m，按塔楼65258.55m的建筑面积计算，可减少278.45万元的造价且增加了室内的使用面积为隐形效益，因此从经济效益上分析，采用叠合柱为更优的结构体系。叠合柱的不利因素在于节点施工困难以及分期浇筑混凝土所带来的工期加长的影响，但是随着施工经验的累加以及节点设计的完善，目前施工困难已相对减少，与型钢柱的施工难度基本相同。对工期影响问题，如果不想影响施工进度周期，可采用同期施工叠合柱的方式。因此从成本角度、施工角度及工期角度来说，外框体系采用叠合柱方案为较优选择。

表4 两种外框柱体系经济性对比

4 结语

在超高层建筑结构设计中，要从方案阶段的结构体系入手，重点关注基本构件的设计，掌握设计中的每项原则，科学地选用合理体系，使设计达到最佳的效果。只有这样才可以保障建筑结构安全，降低施工成本，推动整个项目建设的发展。