某超高层建筑楼盖选型分析

周志锦,王 伟,周乐木,罗晓勇

(1.湘潭市建筑设计院集团有限公司,湖南 湘潭 411100；2.保利(武汉)房地产开发有限公司,湖北 武汉 430040；3.湖北省路桥集团有限公司,湖北 武汉 430056；4.娄底市施工图审查服务有限公司,湖南 娄底 417000)

随着我国经济技术实力的发展,近十年来,超高层建筑在我国得到了飞速的发展。对于超高层结构,一般以风荷载、地震作用为主的水平作用起控制作用[1],其楼盖除承受本层竖向荷载外,还需将水平作用传递至竖向抗侧力构件上。常见的超高层建筑通常具有以下特点[2]：(1)楼盖的水平刚度及整体性要求高；(2)楼盖跨度较大；(3)楼盖结构的高度直接影响建筑层高和总体造价；(4)楼盖重量是影响地震作用和竖向构件造价的重要因素。在部分地区,因航空管制或规划要求对建筑物提出了限高的要求,建筑层高每压缩100 mm,建筑层数即可增加1～2层,因此减少楼盖高度以增加建筑层数能取得较好的经济效益。

常用的钢筋混凝土楼盖有以下几种形式[3～5]：普通梁板体系(单向板肋梁、双向板肋梁)、密肋楼盖、井字楼盖、平板空心楼盖、宽扁梁加大板等。不同楼盖体系因其自身刚度的不同,对整体结构的受力与变形的影响不同[6]。本文结合广西某超高层工程实例,对几种常用的楼盖体系进行对比和分析。

1 项目概况

本项目位于广西壮族自治区钦州市,项目由超高层主楼、高层附楼、高层裙楼组成,总建筑面积181718.66 m2,各单体在地下室顶板以上均设置防震缝划分成各自独立的结构单元,以地下室顶板作为嵌固端。其中主楼为51层+3层避难层的超高层综合楼,建筑高度为210.0 m。底部6层为商业及会议用房,层高5.1 m；第7～41层为办公区域,第42～51层为酒店用房及酒店配套用房,层高均为3.7 m；避难层层高为4.6 m。建筑效果图如图1所示。

图1 项目效果图

主楼建筑平面尺寸为43 m×43 m,底部核心筒平面尺寸为19.8 m×19.8 m,建筑高宽比为4.88,核心筒高宽比约为11,均在合理范围。

工程所在地区抗震设防烈度为Ⅵ度(第四代区划图),基本地震加速度峰值为0.05g,地震分组为第一组,建筑场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.35 s。根据当地气象局提供的气象证明并结合文献[8],本工程50年重现期的基本风压按0.54 kN/m2选取,10年重现期的基本风压按0.416 kN/m2选取。

2 楼盖体系选择

2.1 结构体系及楼盖体系选择

对于高度在200～300 m的低烈度区超高层建筑,采用钢筋混凝土框架核心筒结构较混合结构相比,可不设置加强层,避免竖向刚度突变且能获得较好的经济效益[10]。根据本工程地震烈度和风荷载大小,以及建筑高度和平面布置情况,主楼采用钢筋混凝土框架核心筒结构,如图2所示,竖向构件截面尺寸详见表1,竖向抗侧力构件混凝土等级自下而上为C60～C40。根据建筑层高及平面使用功能,底部商业楼层楼盖采用普通梁板体系,标准楼层楼盖分别采用普通梁板体系、密肋楼盖体系、平板空心楼盖体系及宽扁梁加大板体系进行对比分析。

表1 结构主要竖向构件信息

图2 结构抗侧力体系组成

2.2 各结构方案构件截面尺寸对比

为保证各结构方案的可比性,建筑层高、墙柱均采用相同的截面,因不同楼盖体系其荷载输入的差异性,将各层楼面线荷载、不同区域面荷载均等效为平面面荷载,以保证各模型附加恒载及楼(屋)面活荷载在各模型中的一致性。

方案一采用普通梁板体系,框架梁高按跨度的1/14确定；方案二采用密肋楼盖体系,梁高按跨度的1/25确定；方案三采用平板空心楼盖体系,板厚按跨度的1/25确定；方案四采用宽扁梁加大板体系,梁高按跨度的1/20确定,板厚按跨度的1/35确定,为减轻结构自重,大板采用现浇空心楼板。各方案结构平面布置图详见图3,楼盖构件截面尺寸详见表2。

图3 各方案标准层结构平面布置

表2 各方案楼盖构件截面尺寸 mm

采用方案一时,考虑天棚处管道桥架吊顶高度500 mm及设备地台高度150 mm,走道处净高仅为2.20 m,房间内部最高净高不超过2.80 m,建筑空间较为压抑；采用方案二、三时,走道处净高为2.55 m,房间内部最高净高可达到3.05 m,能达到较好的空间效果；采用方案四时,走道处净高为2.45 m,房间内部最高净高为3.20 m,但受制于宽扁梁影响,房间顶部需进行吊顶处理,增加建设成本。

3 计算结果对比

3.1 结构自重、混凝土用量及用钢量

各方案结构质量、混凝土用量和钢筋用量对比详见表3～5。

表3 各方案结构质量对比

表4 各方案混凝土用量对比 m3/m2

从表3，4可以看出,超高层建筑采用钢筋混凝土楼盖,结构自重及混凝土用量均较大,方案一的结构自重及混凝土用量最小,方案三的结构自重及混凝土用量最大。在钢筋混凝土结构的超高层建筑中,楼盖体系混凝土用量占到了结构总混凝土用量的50%～60%,在结构方案选择时,应重视对楼盖体系的优化设计,以减轻结构自重。从表5中可以看出,方案一楼盖含钢量最低,方案三楼盖含钢量最高。

表5 各方案楼盖用钢量对比 kg/m2

通过上述对比可知,采用普通梁板体系结构造价最低,但房屋净高较矮,当需在有限房屋高度范围内增加建筑面积时,可结合经济效应综合考虑采用密肋楼盖、无梁楼盖或宽扁梁大板的楼盖体系。

3.2 结构自振周期

根据文献[10],当楼层总高H≤210 m时,结构计算的基本自振周期(未考虑填充墙影响的折减)可按下式估算：

T1=-1.36×10-5H2+0.0282H-0.0958

(1)

按上式估算的本工程结构基本自振周期为5.226 s,各方案结构自振周期(详见表6)均小于文献[10]计算结果,其中方案二结构自振周期与文献[10]计算结果较为接近,说明结构整体刚度均处于合理范围。

表6 各方案结构自振周期对比

根据周期简化计算公式:

(2)

结构自振周期T与结构质量m有关,假定方案一的刚度K=1,其余各方案相对刚度近似计算详见表7,其中m取重力荷载代表值。

表7 各方案相对刚度值

各结构方案相对刚度从大到小分别为方案三、方案一、方案四、方案二,因结构抗侧力构件均相同,因此楼盖刚度决定了结构整体刚度大小。因平板空心楼盖体系上下均存在钢筋混凝土板,其惯性矩较大,故其楼盖刚度最大,而采用密肋楼盖仅上部存在钢筋混凝土板且梁高较矮,惯性矩较小,其楼盖刚度最小。

3.3 多遇地震作用下主要计算结果对比

在多遇地震作用下各结构方案整体计算结果对比见表8和图4～6。

表8 各方案整体计算结果对比

图4 框架柱承担的地震总剪力百分比

从表8和图4～6可以看出,4个不同结构模型在竖向荷载和水平作用下的整体受力及变形特征基本趋于一致,各项结构控制参数仅在数值有所差别。综合分析可知：

(1)结构的剪重比、基底总地震剪力和倾覆弯矩,从大到小依次为：方案三、方案一、方案四、方案二,各方案差别不大。结构地震作用下的响应主要取决于其自重和刚度[11],结合上述各方案的自重和刚度的分析结果,反应谱分析结果和刚度理论分析是一致的。总体而言,楼盖体系对结构总基底地震剪力影响相对较小,更多地体现在内筒和外框柱的剪力分配上。从图4可知,各方案框架柱承担的地震总剪力百分比在底部楼层(6层以下)差别不大,其最小值均在4.0%左右；而对较高楼层,不同楼盖差别明显,方案三楼盖的整体刚度最大,其框架柱承担的剪力百分比也最大。这说明,楼盖体系对较低楼层的地震剪力分配影响较小,对较高楼层才有显著的影响,且楼盖自身刚度越大,较高楼层框架柱分配的地震剪力越大。

(2)从各方案在风荷载作用下的楼层层间位移角(图5)可知,各方案的结构整体变形均呈弯剪型,层间位移角较大值出现在结构的中上部,最大值均在34层；该层层间位移角从小到大依次为：方案三、方案一、方案四、方案二,且各方案差别较为显著。由此可见,楼盖体系对结构的层间位移角影响较大,楼盖自身刚度较大时能有效减小结构的水平变形。从结构的刚重比看,也是以方案三最大,方案二最小,楼盖对结构整体刚度影响的规律与上述结果一致。

图5 风荷载作用下楼层层间位移角

(3)在y向地震作用工况下,不同楼盖方案翼缘框架柱轴力与结构重力荷载代表值的比值(考虑反应谱修正)如图6所示。轴力比值最大的为方案三,最小的为方案二,说明楼盖刚度越大,翼缘框架柱能分担的轴力越大；从曲线曲率上来上,较为平缓为的方案一,而曲率较大的为方案三、四,说明楼盖刚度越大,翼缘框架与核心筒之间框架梁与楼盖整体刚度比值越小,剪力滞后效应越明显。增大翼缘框架与核心筒之间框架梁的刚度,能有效减小剪力滞后效应,充分发挥周边柱的作用,更好的协调外围框架与核心筒的共同受力性能[12]。

图6 框架柱轴力与重力荷载代表值的比值

3.4 核心筒墙体平面外受弯分析

对于核心筒剪力墙,规范中未给出剪力墙平面外抗弯承载力的相关计算方法及构造要求,但实际上,核心筒整体变形时,剪力墙会存在一定的平面外弯矩,当楼板与剪力墙筒体为刚性连接时,楼板支座处弯矩也会使核心筒剪力墙产生一定的平面外弯矩。本文采用XTRACT软件得到核心筒剪力墙P-M(轴力-弯矩)包络曲线,以图7中阴影部分墙体为例,对在不同楼盖体系影响下剪力墙筒体平面外受弯情况进行分析。墙身纵向配筋率按0.3%选取,边缘构件按实配钢筋输入。

图7 核心筒墙体布置简图

图8 6F核心筒墙体小震受弯弹性对比

图9 27F核心筒墙体小震受弯弹性对比

图10 54F核心筒墙体小震受弯弹性对比

3.4.1 多遇地震下核心筒受弯弹性验算(6F,27F,54F)

从小震的计算结果(图8～10)看,各方案的该片剪力墙在指定楼层的内力组合点均能被墙体P-M曲线完全包络,且内力点距P-M曲线边界相对较远,说明墙体的配筋能满足各工况的受力要求且仍有较大的富余。结合剪力墙所处的楼层位置及不同方案的楼盖刚度来看,大致呈现如下规律：

(1)随着楼层高度的增加,各方案的内力点均呈外扩的趋势,且在第54层内力点距P-M曲线最为接近。即随着楼层高度增加,剪力墙所受轴力减小,剪力墙的内力及配筋以平面外弯矩为控制,这与压弯构件受力特性一致。

(2)在同一楼层的剪力墙,其内力点向外扩的趋势随楼盖自身的刚度增大而愈发明显。以第54层为例,楼板刚度最大的方案三内力点离P-M曲线最为接近,方案二、方案四次之,三者差别不大；而方案一内力点基本在原点附近,差别非常大。

方案一在剪力墙计算范围内平面外楼板薄且无平面外次梁,由面外梁板传来的弯矩有限；而其他方案,平面外有较密集的肋梁或与墙厚差别不大的楼板,由面外梁板传来的弯矩则显著增大。这说明,剪力墙平面外受力受楼盖自身刚度的影响大,楼盖刚度显著增大甚至接近墙体平面外刚度时,剪力墙的平面外受力问题不容忽视。

3.4.2 设防烈度地震下核心筒受弯不屈服验算

在中震作用下,各方案的该片剪力墙在第54层的中震不屈服内力组合点基本能被墙体P-M曲线完全包络(图11),但部分内力点距P-M曲线边界已经非常接近。

图11 54F核心筒墙体中震受弯不屈服对比

3.4.3 平板空心楼盖体系屋面大荷载情况下剪力墙平面外受力分析

根据3.4.2节可知,在楼盖自身刚度较大,墙体平面外刚度又相对较小的情况下,不能忽略对剪力墙平面外承载力的验算。以方案三的种植屋面为例,进一步分析剪力墙竖向分布筋配筋率对其平面外承载力的影响。

假定屋面的建筑使用功能为屋顶花园,覆土厚500 mm,附加恒载和活荷载分别为：12.0，5.0 kN/m2。楼盖采用厚500平板空心楼盖,屋面层内筒剪力墙减至300厚,混凝土强度等级为C40。

通过YJK软件计算配筋结果(图12)可知,图7阴影处墙体竖向分布钢筋及边缘构件均为构造配筋。墙身纵向配筋率分别按0.25%，0.30%，0.35%，0.50%选取,以此绘制出该墙体的P-M包络曲线,并考察该墙体各工况下的内力组合点与不同配筋率墙体的P-M曲线关系,计算结果见图13。

图12 算例墙体YJK计算配筋结果

图13 屋面大荷载情况下核心筒墙体平外面压弯受力分析

通过分析可知,墙身配筋率为0.25%，0.30%时,多数内力组合点明显超出了P-M曲线轮廓,表明其墙身配筋不能满足墙体平面外受力要求；配筋率为0.35%时,多数内力组合点贴近P-M包络曲线,少数点超出其包络值；配筋率为0.50%时,其P-M曲线方能完全包络各内力组合点。

这充分说明,对于楼盖自身刚度较大的楼盖体系,若仅按现行规范及计算软件进行设计及计算,并不能充分考虑楼盖对墙体平面外受力的影响。尤其是对楼面荷载较大屋面层,剪力墙若仅按构造配筋,则很可能无法满足其面外受力的强度要求,带来较大安全隐患,需要引起足够的重视。

3.5 竖向荷载作用下楼盖变形

对活荷载较大的避难层,考察各方案在恒活标准组合下的楼盖变形,其框架梁(外框柱与筒体之间的框梁或暗梁)、板最大变形及挠度统计见图14和表9。由此可知,各方案的挠度均小于1/400,能满足规范要求。

表9 避难层标准组合下楼盖整体变形最大值

图14 避难层标准组合下楼盖整体竖向变形/mm

从图14中可以看出,楼盖体系形式对楼盖体系整体竖向变形的分布影响很大,在进行楼盖变形验算时,不能孤立的考虑单根梁或板的竖向挠度,应结合周边支承构件的竖向变形,同时,当楼盖体系的梁、板刚度差异较小时,应充分考虑梁板总体变形协调能力。

3.6 密肋楼盖不同建模方式的对比分析

密肋楼盖的计算分析常用结构软件对肋梁的输入有两种方式：一是肋梁直接按梁输入；二是参照空心楼盖的方案,按T形楼板直接输入。本文通过对两种建模方式的结构动力特性进行对比分析,详见表10。

表10 不同建模方式对结构周期的影响 s

从表10的结果可以看出,按板输入的模型结构自振周期小于按梁输入的模型,结构刚度增大,说明此时充分考虑了楼板作用,但因为楼板厚度过薄,在大震作用下容易发生破坏,其对结构刚度的贡献将降低；而按梁输入的方式会导致模型节点数过多,造成计算容量及计算时长的成倍增加。建议在密肋楼盖设计时,对楼板的输入方式应慎重考虑,楼板对结构整体刚度的贡献需通过多种输入方式对比分析后合理确定。

4 结论及建议

楼盖体系对高层结构的整体性能、外框架和内筒的水平力分配、外框架的内力以及内筒平面外受力均有较大影响,是高层建筑结构设计的重要内容。通过对实际工程的不同楼盖型式选型分析,可得出如下结论及建议。

4.1 结论

(1)楼板厚度直接影响着楼盖体系的自身刚度和结构自重,不同的结构体系各有优劣,应结合建筑方案综合考虑。

(2)在同等条件下,平板空心楼盖体系的结构相对刚度最大,外框架的空间作用最强；密肋楼盖因其板厚小，不宜过大考虑其刚度贡献,结构相对刚度最小。

(3)楼盖体系对结构总基底地震剪力影响相对较小,尤其是对基本周期大于5Tg(Tg为场地特征周期)的超高层建筑,但对于底部以上的楼层内筒与外框架的地震剪力分配影响较大。

(4)楼盖体系对结构层间位移角的最大值影响较大,采用楼盖刚度较大的平板空心楼盖体系能有效减小结构的侧向变形。

(5)楼盖体系对框架-核心筒结构的剪力滞后效应影响较大,楼盖刚度越大,翼缘框架与核心筒之间框架梁与楼盖整体刚度比值越小,剪力滞后效应越明显。

(6)楼盖的自身刚度对内筒剪力墙平面受力影响较大,楼盖刚度显著增大接近墙体面外刚度时,影响尤为明显。当楼盖所受荷载较大或其自身刚度接近甚至大于筒体剪力墙面外刚度时,剪力墙仅按现行规范进行平面内配筋设计,往往无法满足其强度或抗震性能要求。

(7)楼盖体系不同的输入方式及构件有限元分析模型对计算结果可能产生较大的影响,结构设计时应做好充分的对比分析。

4.2 建议

(1)当楼盖刚度(特别是平板空心楼盖)接近核心筒墙体平面外刚度时,建议保证墙体平面外受力性能的可靠性,并对其计算分析方法及构造进一步研究。

(2)对于空心楼盖的弹塑性分析,空心板的计算单元一般采用刚度等效的分层壳单元,建议对于如何考虑板肋和实心区域的影响进行进一步研究。