高层建筑结构方案设计中的结构形式及材料体系选择研究

陈 如 何 康

（1. 浙江省省直建筑设计院有限公司,浙江 杭州 310030；2.杭州元成规划设计集团有限公司,浙江 杭州 310016）

0 引言

高层建筑结构体系是指建筑的各构件之间的组合方式，在建筑结构设计中，设计出合适的结构体系对于提高建筑的经济效益及实现其使用功能至关重要。在进行结构设计之前，设计人员必须考虑到各方面因素，并根据这些因素进行各项指标的对比分析，以便选择最为合适的结构体系。钢筋混凝土结构是使用最普遍的结构材料类型，而混合结构和组合结构各具优势和缺陷[1]。本文介绍不同结构形式体系及结构材料体系，并对钢－混凝土组合结构体系方案进行对比研究。

1 高层建筑不同结构形式及材料体系对比分析

1.1 高层建筑主要的结构形式对比分析

从结构形式角度来看，高层建筑结构形式体系包括框架结构体系、剪力墙结构体系、框架-剪力墙结构体系和筒体结构体系。

1.1.1 框架结构体系

框架结构是一种常见且广泛应用于多层和高层建筑中的简单结构类型。它主要由梁和柱两种构件承担水平和垂直荷载。框架结构具有灵活性强、空间利用率高和立面形式多样等优点。然而，相对而言，框架结构的强度和刚度较弱，抗侧向变形能力有限，并且建筑的高度受到一定限制。当建筑高度超过一定限度时，其使用功能可能会受到影响。

1.1.2 剪力墙结构体系

剪力墙结构依靠墙体构件来支撑竖向荷载。它具有墙体截面积相对较大、整体稳定性能好、侧向刚度和强度高以及卓越的抗震性能等优点。剪力墙结构也适用于作为房间分隔构件，广泛应用于住宅、公寓、旅馆等建筑中。然而，剪力墙结构的缺点在于其间距受到楼板跨度的限制，难以满足某些大空间建筑的功能需求。此外，剪力墙的自重较大，需要仔细考虑在设计中。

1.1.3 框架-剪力墙结构体系

框架-剪力墙结构体系是将框架结构和剪力墙结构的优点相结合，共同承担水平和垂直荷载的一种结构体系。该结构体系广泛应用于高层公共建筑，具有高空间利用率、多样化的立面形式和良好的抗震性能等优点。同时，它兼顾了剪力墙对空间灵活性的局限和框架结构的柔性问题[2]。在设计过程中，需要特别注意剪力墙的布局，避免在筒口、竖井、通风口、电梯间和楼梯间等有缝隙存在的位置布置剪力墙。剪力墙的数量应适中，过少影响安全，过多影响经济。剪力墙应上下连续布置，以增强其抗扭转性能。根据使用功能的要求，可以考虑在纵向或横向方向上设置剪力墙[3]。

1.1.4 筒体结构体系

筒体结构体系是一种竖向结构，由若干剪力墙围成竖井结构，用于抵抗竖向荷载和水平荷载。随着高层建筑的不断增加，传统的框架结构、框剪结构、剪力墙结构已经不能满足要求。筒体结构体系以其抗侧刚度大、空间受力性能强、抗弯抗扭性能良好、建筑层数可大幅度增加等优点成为现代建筑结构的一种新型体系，常用于跨度大、空间范围广、超高层建筑。该类结构体系根据筒的数量、组成和布置的不同，可分为框架－核心筒、筒中筒和束筒三种结构体系[5-6]

1.2 高层建筑主要的材料体系对比分析

从材料的角度看，高层建筑结构材料体系包括钢筋混凝土结构体系、钢结构体系和钢-混凝土组合结构体系。

1.2.1 钢筋混凝土结构体系

钢筋混凝土结构在我国高层建筑中占据主导地位已超过200 年。它通过钢筋与混凝土两种材料的优势相结合，具有强度高、良好的受力性能、刚性好、造型美观、成本低廉、维护成本低、可用资源丰富等优点。由于这些优点，钢筋混凝土结构被广泛应用于我国的多层、高层乃至超高层建筑，具有长达百年的发展历史。钢筋混凝土结构的应用体系涵盖了技术、理论、施工和设计等方面[4]。

1.2.2 钢结构体系

钢结构体系具有许多优点，例如高强度、截面小、轻质量、强震抗冲击性、便于施工和制造简单等。因此，在许多发达国家，高层建筑通常采用钢结构，以形成大跨度、高空间和多功能的建筑体系。然而，钢结构也存在一些缺陷。首先，经济性较差，因为钢结构材料的价格较高；其次，钢结构易受到锈蚀的影响，需要定期维护保养以确保使用寿命不受影响。此外，钢结构的耐火性能较差，当温度超过150℃时，其强度和承载能力会受到影响，当温度超过600℃时，结构性能将完全丧失。因此，在我国，钢结构体系在高层建筑中的应用并不普遍。

1.2.3 钢-混凝土组合结构体系

钢-混凝土组合结构集合了钢结构和钢筋混凝土结构的优点，通过两种材料的优势互补和协同作用来实现优化设计。钢材具有高强度、延展性好、能够形成大跨度和大空间的能力；而钢筋混凝土结构具有较大的刚度、良好的抗震性能和抗冲击性能等特点。相比于全钢结构，钢-混凝土组合结构节省了材料、降低了施工难度，经济性更好；相比于单一混凝土结构，组合结构具有更强的抗侧力性能、较轻的自重、更快的施工速度以及增加建筑使用空间的优势[5-6]。因此，在高层/超高层建筑、大跨度桥梁和地铁隧道等领域中得到广泛应用。然而，钢-混凝土组合结构中的连接施工技术相对复杂，需要进一步研究和实践。

2 高层建筑结构方案设计中结构形式及材料体系的选择分析

2.1 工程概况

拟建南京市某高层建筑，地下2层，地上21层。结构高度98m，抗震设防烈度为8 度(0.20g)，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，50年重现期的基本风压为0.40kN/m。

2.2 组合结构体系方案比较

组合结构是一种由多种不同材料组成并协同工作的结构，能够共同支撑和承载侧向荷载力和竖向荷载力的影响。该工程拟选取框架－核心筒结构形式，分析了3 种组合方案的性能和效益。框架－核心筒结构平面图如图1所示。

图1 框架-核心筒结构平面图

2.3 3种组合结构方案性能对比分析

针对该工程概况，选取了3 种组合结构体系方案进行比较。方案1：钢筋混凝土框架核心筒；方案2：型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁框架和钢筋混凝土核心筒；方案3：钢管混凝土柱-钢梁框架和钢筋混凝土核心筒。3种方案的相关指标对比见表1所示。

表1 3种方案性能指标对比

受剪承载力、抗震性能是对比分析的关键内容，下面分别论述。

2.3.1 受剪承载力控制

从受剪承载力控制方面来看，方案3 是最优的。因为该方案中的钢管混凝土柱大幅增加了混凝土柱的抗压强度，通过外圈钢管对里面混凝土的套箍作用，混凝土在三向受压状态下具备了延性的受力特性，使得原本脆性的混凝土更加抗压。钢管混凝土柱的承载力等于单独钢管承载力加上单独混凝土承载力的和的1.7 倍，表面通过采用钢管混凝土柱的结构形式，利用外围钢管抵抗混凝土的负面效应，可以在一定程度上提高承载力。所以方案3的受剪承载力最大。

2.3.2 抗震性能

通过结构设计软件（pkpm）对3 种方案分别建模，采用SATWE 模块分别对3 种方案的地震作用进行计算，计算结果对比见表2。由表2可见，方案1中采用加大柱面积来减小柱轴压比，外框柱截面已增加到1700mm，导致底部的框架柱接近短柱，增加了受剪力破坏的风险，降低抗震性能;方案2 中外框柱截面比方案1 减小了500mm，且柱轴压比也减小，说明抗震性能有所提高；方案3 的钢管混凝土柱具有更高的受剪承载力，这是因为钢管混凝土柱的结构形式能够提高混凝土的抗压强度和延性，增加了承载能力，在抗震性能方面，方案3 具有最小的底层地震剪力，表明方案3 在抗震性能方面最优。

表2 3种方案的抗震性能计算结果

通过对3种组合结构体系方案的比较和分析，得出方案3在受剪承载力和抗震性能方面具有较好的性能。

3 结束语

本文结合具体的高层建筑工程案例，从结构形式及材料组合两个方面分析了高层建筑结构方案设计。对3 种结构形式及材料组合方案进行了对比研究，方案1 为钢筋混凝土框架核心筒，方案2 为型钢混凝土柱-钢筋混凝土梁框架和钢筋混凝土核心筒，方案3 为钢管混凝土柱－钢梁框架和钢筋混凝土核心筒，通过对最大地震剪力、最大层间位移角、剪重比及柱轴压比等关键性能指标进行计算及结果对比分析，得出方案3的受剪承载力最大、抗震性能最好、经济效益最佳，符合该工程项目的性能要求。