0 引言 在我國 100 ~ 200m 的超高層建筑中,混合框架-鋼筋混凝土核心筒混合結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用逐漸增多。 選擇屋面高度分別為118,150,177m的三個(gè)具有較強(qiáng)代表性的工程實(shí)例,對三幢建筑分別采用鋼筋混 凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系( 簡稱“混凝土結(jié)構(gòu)體系”) 和采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結(jié) 構(gòu)體系( 簡稱混合結(jié)構(gòu)體系) 進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算分析, 對每個(gè)工程的兩種不同結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行具體對比,對每種結(jié)構(gòu)體系隨高度增加顯現(xiàn)出的規(guī)律進(jìn)行探討, 從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面對這兩類超高層建筑結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行一些分析。 1 工程實(shí)例概況 選取的工程實(shí)例均為地處杭州的已建和在建工程,三個(gè)項(xiàng)目分別為杭州坤和中心、中華航空大廈和 亞包大廈,項(xiàng)目的概況見表 1,結(jié)構(gòu)平面布置和效果 圖見圖 1 ~ 3。 在混合結(jié)構(gòu)體系中,杭州坤和中心采用方鋼管 混凝土柱,中華航空大廈和亞包大廈采用圓鋼管混凝土柱; 樓面梁均采用 H 型鋼梁或箱型鋼梁,樓板采用壓型鋼板組合樓板或鋼筋桁架組合樓板。鋼框 架梁與外圍鋼管混凝土柱剛接,與鋼筋混凝土核心筒之間的連接,中華航空大廈全部為鉸接,杭州坤和中心和亞包大廈在核心筒角部采用剛接,其余部位 采用鉸接。為了有利于剛性連接,同時(shí)增強(qiáng)核心筒角部延性,在核心筒角部設(shè)置了型鋼。鋼材均采用 Q345B 鋼,混凝土強(qiáng)度等級為C60~C30。 2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及結(jié)構(gòu)性能對比 選用 SATWE 分析軟件對三幢建筑的兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了整體分析計(jì)算。采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振動(dòng) 影響的振型分解反應(yīng)譜法,對結(jié)構(gòu)做了多遇地震作 用下的整體彈性分析,計(jì)算結(jié)果詳見表 2。
(1)總質(zhì)量減少約20%杭州坤和中心減少 20% ,中華航空大廈減少 19% ,亞包大廈減少19% ( 以下均按此項(xiàng)目排序進(jìn)行比較) ?；旌象w系單位面積質(zhì)量約為1 200 ~1 400kg/㎡，混凝土結(jié)構(gòu)體系為1 500 ~1 700kg/㎡。 ( 2) 墻柱最大組合軸力減小 總基底墻柱最大組合軸力減小幅度分別為: 17% ,16% ,18% ; 外圍框架柱基底最大組合軸力減小幅度分別為 29%,26% ,24% 。 ( 3) 結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度減小 第一、二階周期明顯加大。第一階周期分別增加 0. 21,0. 51,0. 44s; 第二階周期分別增加 0. 35, 0.32,0. 13s。 ( 4) 地震效應(yīng)減小 地震荷載作用下基底總剪力: X 方向均減小16%,Y 方向減小15% ~17%; 基底傾覆彎矩: X 方向分別減小25%,19%,18%,Y 方向分別減小23% ,17% ,16% 。 ( 5) 風(fēng)荷載效應(yīng)增大 剛度減小,結(jié)構(gòu)自振周期增大,因此風(fēng)荷載效應(yīng)增大。風(fēng)荷載作用下,X 和 Y 方向基底剪力增大的 百分比分別為: 9. 5% ,9. 0% ,8. 7% ; 基底傾覆彎矩 增加 1 0 . 5 %,1 0 . 0 % ,9 . 7 % 。 ( 6) 風(fēng)載作用下的層間位移角增幅大于地震作用下的增幅。結(jié)構(gòu)剛度變?nèi)?風(fēng)效應(yīng)增大,風(fēng)載作用下,層間位移角增加 39% ~ 114% ; 地震荷載作用 下,層間位移角增加 10% ~ 35% 。 ( 7) 框架層剪力分擔(dān)率減小 地震荷載作用下,鋼筋混凝土框架分配到的層剪力為 9% ~ 35% ,混合框架分配到的層剪力只有3. 5% ~ 25% ,兩種形式框架部分分配到的剪力百分比曲線對比見圖 4。圖中虛線所示,混合結(jié)構(gòu)體系的框架柱分配的層剪力大多達(dá)不到 20% ,下部樓層甚至達(dá)不到 10% ,絕大部分剪力由核心筒承擔(dān)。 抗震設(shè)計(jì)時(shí),框架部分分配的樓層地震剪力標(biāo) 準(zhǔn)值的最大值與結(jié)構(gòu)底部總地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值之比: 混凝土結(jié)構(gòu)為12% ~23%,混合結(jié)構(gòu)為8.2% ~ 13.40%。 ( 8) 隨著建筑高度增加,結(jié)構(gòu)風(fēng)載效應(yīng)增大,兩種結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)載效應(yīng)隨高度增幅基本相同。 ( 9) 隨著建筑高度增加,結(jié)構(gòu)地震荷載效應(yīng)增大,地震荷載效應(yīng)的增幅小于風(fēng)載效應(yīng)增幅。 3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及對比 三個(gè)工程均設(shè)三層地下室,基礎(chǔ)形式均采用樁 筏基礎(chǔ),其中杭州坤和中心采用樁徑1 000mm 的鉆 孔灌注樁,持力層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,有效樁長 44 ~57m,單樁承載力特征值為5 350kN,每樁的造 價(jià)約32 000元( 以樁長 50m 計(jì)) ; 中華航空大廈及亞包大廈均為樁徑 850mm 的鉆孔灌注樁( 壓力注 漿) ,持力層為圓礫層,有效樁長約為30m,單樁承 載力特征值分別為4 850及4 500kN,每樁的造價(jià)約 23 500元。采用混合結(jié)構(gòu)體系時(shí),三幢建筑總樁數(shù) 分別減少 28,34 和 52 根,比混凝土結(jié)構(gòu)體系減少約 16%~18%,樁基造價(jià)分別節(jié)約90,80萬元和122 萬元?；A(chǔ)底板厚度減小 0. 2 ~ 0. 3m,可減少造價(jià) 約 15 ~ 30 萬元。 4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)及對比 結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件尺寸對比詳見表 3。
( 1) 采用鋼管混凝土柱可大幅減小柱的斷面,增加有效使用面積。以 KZ1 為例,坤和中心減少約73% ,中華航空大廈減少約 75% ,亞包大廈減少約 74% ; 柱截面減小使坤和中心下部樓層單層有效面 積增加約16m2 ,中華航空大廈增加 16m2,亞包大廈 增加約 24m2 ,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)層面積的 1.1% ~ 1. 3% 。 ( 2) 結(jié)構(gòu)梁板總高度可適當(dāng)降低。鋼梁高度加上樓板厚度之總高度比混凝土梁高減少大約 40 ~ 90mm,降低幅度不大。 ( 3) 部分設(shè)備管線從鋼梁腹板的開洞處穿越, 可以減小吊頂高度,有效增加樓層凈高。做好綜合 管線設(shè)計(jì),在保證樓層凈高不變的情況下,每層設(shè)備管線占用高度減少100mm,則有可能增加出一個(gè)樓 層,產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 ( 4) 采用鋼管混凝土柱可更好地滿足建筑立面和功能需求。以坤和中心為例,由于建筑立面要求纖細(xì)的密柱效果,若采用混凝土柱,柱寬加上兩側(cè)干掛石材的厚度,總寬度近900mm,改用鋼管混凝土柱后建筑外包寬度減小為700mm,解決了建筑與結(jié) 構(gòu)間的矛盾,使建筑呈現(xiàn)出不同效果。同時(shí)外柱變小,使室內(nèi)的采光更好,視野更開闊,功能得到提升。 ( 5) 按剛度分配框架的層剪力分擔(dān)率較小時(shí), 應(yīng)加強(qiáng)核心筒抗震性能。混合結(jié)構(gòu)外圍框架剛度較小,有必要加強(qiáng)混凝土核心筒的側(cè)向承載能力, 以保證核心筒的抗震性能。為提高核心筒的延性,坤和中心采取了以下措施: 在核心筒角部設(shè)角柱,并內(nèi)設(shè)型鋼( 也便于剛接) ,加強(qiáng)角部配筋,以 加強(qiáng)筒體角部延性和受力性能,同時(shí)加強(qiáng)了核心筒的抗震構(gòu)造; 核心筒部分墻體加厚,以控制墻體剪應(yīng)力; 在樓層標(biāo)高處均設(shè)鋼筋混凝土暗梁; 連梁內(nèi)配置交叉暗撐。 ( 6) 鋼梁應(yīng)考慮與樓板的組合形成組合梁。組合梁可大幅提高受力和變形性能,有效減少鋼梁用鋼量。簡支梁和框架梁的跨中均應(yīng)考慮梁板組合作 用,注意框架梁的上部負(fù)彎矩不應(yīng)考慮梁板組合作用,可在梁柱( 墻) 節(jié)點(diǎn)處加腋,增強(qiáng)支座的抗彎能力,提高鋼梁整體的受力性能。 ( 7) 組合梁中鋼梁上翼緣可適當(dāng)減小以充分發(fā)揮上部混凝土板的組合作用,降低用鋼量。 5 上部結(jié)構(gòu)材料用量及經(jīng)濟(jì)性對比 兩種體系上部結(jié)構(gòu)材料用量及造價(jià)計(jì)算結(jié)果詳見表 4。對比表中數(shù)據(jù)可以看出:
( 2) 隨建筑高度增加,混合結(jié)構(gòu)的造價(jià)增加幅 度比混凝結(jié)構(gòu)的減小。 ( 3) 與混凝土結(jié)構(gòu)相比,混合結(jié)構(gòu)可大幅度節(jié)約 混凝土材料用量。混凝土用量節(jié)約的幅度,坤和中心 為 36% ,中華航空大廈為 32% ,亞包大廈為 32% 。 ( 4) 混合結(jié)構(gòu)中,鋼筋混凝土部分的造價(jià)占總造 價(jià)的百分比隨高度增加而增加。三幢建筑鋼筋混凝土造價(jià)占總造價(jià)的百分比分別為 39% ,42% ,44% 。 ( 5) 隨著建筑高度增加,地下室以上結(jié)構(gòu)部分造價(jià)的增幅,混合結(jié)構(gòu)的要小于混凝土結(jié)構(gòu)的。 6 綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析 6.1 技術(shù)分析總結(jié) ( 1) 對于 100 ~ 200m 的超高層建筑,兩種結(jié)構(gòu)體系均適用?；旌辖Y(jié)構(gòu)體系與混凝土結(jié)構(gòu)體系相比,總質(zhì)量減小約 20% ,風(fēng)載效應(yīng)增大約 10% ,地震效應(yīng)減小約 15% ~ 25% ,梁柱構(gòu)件尺寸減小,有效 使用面積增加。 ( 2) 外圍框架部分的剛度,能否起到二道防線 作用,是這兩種結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的核心問題?？蚣懿糠职磦?cè)向剛度分配的樓層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的最大值不宜小于結(jié)構(gòu)底部總剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 10% 。三個(gè)項(xiàng)目混凝土結(jié)構(gòu)可達(dá) 12% ~ 23% ,而混合結(jié)構(gòu)只有 8% ~13.4%?；旌辖Y(jié)構(gòu)外圍框架的剛度設(shè)計(jì)應(yīng)具 體斟酌,不應(yīng)過弱,當(dāng)不滿足10% 的要求時(shí),各層框架地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按結(jié)構(gòu)底部總剪力標(biāo)準(zhǔn)值的 15% 進(jìn)行調(diào)整。 ( 3) 混合結(jié)構(gòu)體系應(yīng)更加重視和加強(qiáng)核心筒的設(shè)計(jì)。兩種結(jié)構(gòu)形式內(nèi)部核心筒的尺度、剛度相差不大,變化大的僅是外圍框架部分?；旌峡蚣鼙然?凝土框架剛度小,分擔(dān)的地震剪力更小,整個(gè)建筑的抗震性能很大程度取決于核心筒,保證核心筒的延 性十分重要。當(dāng)框架按剛度計(jì)算分配的最大樓層地震剪力小于結(jié)構(gòu)總地震剪力的10%時(shí),核心筒承擔(dān) 的地震作用應(yīng)加大,甚至讓筒體具有承擔(dān)100%的地震剪力的能力。規(guī)范規(guī)定此時(shí)核心筒墻體地震剪力宜乘以 1. 1 增大系數(shù),而且將核心筒抗震等級提高一級。 ( 4) 混合結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比,自重減輕,地震效應(yīng)減小,加之延性較混凝土結(jié)構(gòu)好,通過合理設(shè) 計(jì),混合結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。本文對比的建筑位于低烈度區(qū)( 6 度) ,地震荷載較小,風(fēng)荷載起控制作用。在更高烈度區(qū)地震荷載起控制作用 的情況下,混合結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢應(yīng)更明顯。 ( 5) 混合結(jié)構(gòu)工廠化程度高,施工周期短,更為 環(huán)保。采取交錯(cuò)施工的方案,混凝土核心筒的施工比鋼框架的安裝提前 4 ~ 5 層,作為鋼框架施工時(shí)的 穩(wěn)定支承,使周邊鋼框架易于施工; 梁、柱的施工省去了綁扎鋼筋、支模拆模和等候養(yǎng)護(hù)等過程; 樓板采用壓型鋼板做模板,上澆鋼筋混凝土樓板,可多層同時(shí)操作,不必像混凝土結(jié)構(gòu)施工時(shí)必須等混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后才能進(jìn)行下一層施工,可有效加快施工速度。 ( 6) 與鋼筋混凝土柱相比,鋼管混凝土柱具有明顯優(yōu)勢。柱截面面積減少約 70% ~ 75% ; 施工方便,不需要支模,也不受混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間限制; 鋼管對混凝土的約束使混凝土抗壓強(qiáng)度得以提高; 混凝土的填充限制了鋼管的局部屈曲,使鋼材強(qiáng)度更好地發(fā)揮,也使鋼管的防火性能提高; 鋼管混凝土柱的延性更好。 ( 7) 鋼管混凝土應(yīng)用中尚存在一些問題,如管內(nèi)混凝土在硬化過程中的收縮導(dǎo)致管壁與混凝土粘 結(jié)不緊密、長期混凝土徐變對鋼管與混凝土整體性的影響等問題尚需進(jìn)一步研究。 ( 8) 混合結(jié)構(gòu)需作防腐與防火處理,并需要后期維護(hù)。 6.2 經(jīng)濟(jì)分析總結(jié) 混合結(jié)構(gòu)體系與混凝土結(jié)構(gòu)體系相比,綜合經(jīng)濟(jì)比較如下: ( 1) 上部結(jié)構(gòu)造價(jià)增加約 53% ~ 63% ,樁基基礎(chǔ)造價(jià)節(jié)省約 16% ~ 18% ,綜合后結(jié)構(gòu)造價(jià)的增加值如下( 折合面積僅計(jì)地下室以上的面積,若計(jì)入包括地下室在內(nèi)的整個(gè)工程總面積,則單位面積增加的造價(jià)相應(yīng)降低) : 坤和中心為1 690萬元,折合單位面積增加347元/m2;中華航空大廈2034萬元,折 合單位面積增加366元/m2;亞包大廈2760萬元,折合單位面積增加363元/m2。 ( 2) 由于上部結(jié)構(gòu)的造價(jià)僅占整個(gè)工程總造價(jià)的小部分,假設(shè)整幢建筑的單位面積總造價(jià)為3 500 元/m2,三個(gè)項(xiàng)目采用混合結(jié)構(gòu)所增加的造價(jià)分別為建筑總造價(jià)的 9. 9% ,10. 5% ,10. 4% ,可知采用 混合結(jié)構(gòu)增加的造價(jià)占整個(gè)工程總造價(jià)的比例約為 1 0 % ( 鋼 結(jié) 構(gòu) 造 價(jià) 按 0 . 8 5 萬 元 / t 計(jì) 算 ) ,若 鋼 結(jié) 構(gòu) 造價(jià)按 1 萬元 /t 計(jì)算,增加的造價(jià)大約占工程總造價(jià)的12%。 ( 3) 鋼梁的應(yīng)用使結(jié)構(gòu)和設(shè)備所占高度減少, 在滿足凈高要求下降低層高,由此可使建筑總層數(shù) 得以增加 1 ~ 2 層。以杭州坤和中心為例,在保證樓 層凈高不變的前提下,標(biāo)準(zhǔn)層層高由原來 3. 6m 降 低為3. 45m,每層減少 0. 15m,24 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層累計(jì)減 少3. 6m,整個(gè)建筑增加了 1 層,經(jīng)濟(jì)效益可觀。 ( 4) 柱截面大幅減小,有效使用面積增加,下部樓層有效面積可增加 1% 以上,為使用者帶來實(shí)實(shí)在在的利益,也為建筑立面和功能布局提供更有利的條件。 ( 5) 良好的施工組織可使混合結(jié)構(gòu)建造工期縮短,產(chǎn)生相應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益。 7 結(jié)語 對上述兩種結(jié)構(gòu)體系選型應(yīng)結(jié)合工程具體條件、工期、造價(jià)、建筑效果等因素綜合考慮?；旌辖Y(jié) 構(gòu)在超高層建筑中具有一定的綜合優(yōu)勢,因而發(fā)展 趨勢較好,目前制約混合結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要因素有: 1) 造價(jià)較高; 2) 有關(guān)研究和規(guī)范編制相對滯后; 3) 設(shè)計(jì)人員更熟悉傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì); 4) 對兩種結(jié)構(gòu)形式的工程對比經(jīng)驗(yàn)有限。 |
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