結構輕骨料混凝土在金鷹財富中心工程的設計應用

周含川，楊再富

（1重慶市設計院，重慶 400015；2重慶建工新型建材有限公司，重慶 401122）

0 引言

輕質高強材料是結構設計追求的永恒主題，混凝土結構的應用已經有了百多年歷史，目前在結構材料中占據重要地位，然而由于自重較大也長期受到詬病，結構看起來“肥梁胖柱”，不但不美觀，也導致地震力過大。輕質混凝土結構一直是混凝土發(fā)展的重要方向。輕骨料混凝土是輕質混凝土中研究發(fā)展較成熟的一個分支，結合重慶地方特色，采用蘊藏豐富的頁巖作為原料加工成陶粒，利用高強陶粒作為混凝土的骨料。此項研究已經長達10年之久，且具備了生產、設計、檢測、運輸和澆筑等各項技術條件，將該技術運用于工程實踐已經初步具備條件。

1 項目簡介

“解放碑金鷹財富中心”工程位于重慶市渝中區(qū)解放碑旁，系揚子島大廈部分裙樓，建于20世紀90年代初期，屬大修解危工程。其主要結構類型為現澆密肋無梁樓蓋。原層高3.6m、原柱距7.2m，如果不增加層高，改變柱距，很難引進國際高端品牌。為了達到層高要求，符合業(yè)態(tài)調整，滿足國際一線品牌入駐條件，經多方征求意見后，決定對其正負零以上部分拆除重建。改造部分地面以上共6層，建筑高度25.7m，占地面積1544.8 m2，改造區(qū)域建筑面積10503.02m2；其中地上面積9517.79 m2，地下層商業(yè)面積985.23 m2。建筑類別為高層公共建筑，耐火等級均1級，抗震設防烈度為6度，建筑設計使用年限為原建筑的后續(xù)使用年限。

2 方案比選

2.1 設計條件及目標

2.1.1 設計限制條件

⑴不改變基礎及地下室結構，地下室相鄰的揚子島大廈設備用房不能停止運營，地下室無產權也無法進行加固及改變原結構形式。

⑵此次改造為揚子島大廈裙樓部分，改造結構應盡量減小對主樓的影響。

⑶新建建筑不影響原地下結構的安全。

⑷建建筑不超過規(guī)劃限高。

2.1.2 設計目標

⑴在不改變基本跨度的前提下將原來7.2m標準跨度增大，提供商業(yè)大空間，即將部分中柱取消跨度變大。

⑵提高首層商業(yè)的層高（見圖1）。

圖1 項目效果圖

2.2 設計方案比選

2.2.1 普通現澆鋼筋混凝土框架結構方案

由于原結構裙樓屬現澆鋼筋混凝土框架結構，因此首先考慮用原方案結構體系進行設計。但考慮到設計目標中局部跨度增大一倍，柱底內力將增大，對地下室柱可能造成不利影響，經建模計算分析結果表明，柱底軸力需比原設計增大約20%~40%。如果仍采用普通現澆鋼筋混凝土結構體系只有減少樓層，鑒于該項目位于商業(yè)價值極高的黃金地段，減少樓層將帶來巨大的經濟損失，此方案不可行。

2.2.2 鋼結構框架方案

圖2 平面布置

根據上面分析，由于抽柱增加了跨度，要在更大的負荷面積下滿足柱底內力不超過原設計，只有減輕結構自身重量。鋼結構具有重量輕，強度高的優(yōu)點。經過建模計算，鋼結構方案能夠實現增加跨度的同時不增加柱底軸力，為可考慮方案。此方案施工速度較快，但是造價較高，防火性能和耐久性能較差（指的是在建筑使用期要進行防腐涂料更換），由于此次設計為高層裙樓的改造，原結構方案為鋼筋混凝土方案，而鋼結構方案將改變原結構形式，鋼結構與原混凝土結構剛度差異較大，鋼結構阻尼與混凝土差異較大，采用此方案將對主樓產生諸多不利影響。

2.2.3 輕質現澆鋼筋混凝土框架方案

目前輕質混凝土分為結構用輕質混凝土和非結構用輕質混凝土，該工程主要關注結構用輕質混凝土。結構用輕質混凝土又分為全輕混凝土和輕骨料混凝土。根據建模計算由柱底內力反推混凝土容重，確定采用容重1800級混凝土來滿足設計需求。考慮到經濟性及當地資源和生產的特點，最終選擇了頁巖陶粒作為輕骨料。柱內采用LC40,梁板采用LC30輕質高強陶粒混凝土[1-2]。

采用輕骨料混凝土與普通鋼筋混凝土方案相比，不但解決了結構自重過大的問題，保證了建筑功能對大開間抽柱的需求，還不減少總層數，帶來了綜合效益；與鋼結構方案相比，輕骨料混凝土與原結構采用相似材料，剛度相似，阻尼比基本相同，對主樓的影響最小，而且耐久性和防火性能好，造價與鋼結構方案相當[3]（見圖2～3）。

圖3 結構模型示意圖

2.3 輕骨料鋼筋混凝土結構的設計特點

2.3.1 結構自重輕

一般情況下結構構件自重為建筑物總重量約60%~85%（建筑層數越高比例越高），與普通混凝土相比，結構輕骨料混凝土是普通混凝土重量的65%~85%，所以使用輕骨料混凝土建筑總重量約為普通混凝土的70%~90%。對于梁板類受彎構件，當計算配筋時，配筋量與荷載成正比；對于墻柱類受壓構件，截面面積與荷載成正比。所以采用輕骨料混凝土能較明顯地節(jié)約鋼材，使每平方米含鋼量下降5%~15%；并減小柱、墻構件的截面面積，增加得房率，帶來較好的經濟效益。

2.3.2 保溫隔熱效果好

由于輕骨料混凝土骨料內部有較多密閉孔洞，具有密閉孔洞的材料有更好的防火保溫效果。表1看出合理的設計可以實現樓面結構自保溫。

表1 輕骨料混凝土的導熱系數

2.3.3 彈性模量較小

以同等強度對比LC30和C30的彈性模量見表2，設計時應當注意對參數進行調整。注意復核撓度及變形要求，撓度較大時提出起拱要求。

表2 混凝土的彈性模量（×104MPa）

2.3.4 收縮徐變與普通混凝土相當

當需要考慮收縮徐變進行計算時，可參考規(guī)范[1-2]及相關資料[4]。

3 施工過程及調整

該工程于2011年4月完成施工圖設計和審查，在混凝土澆筑過程中設計方同業(yè)主、監(jiān)理、施工方密切合作，解決技術問題，施工過程無重大變更，工程質量良好。工程于2012年6月主體結構已經驗收，國際品牌主力門店已開業(yè)。

4 設計總結及展望

4.1 設計總結

設計是在現有具體技術經濟條件下做出最優(yōu)的選擇。根據工程的特點進行概念設計，對比多個方案，提出了以輕質高強的混凝土作為結構主材。

設計工作還是一種實踐性很強的工作，需要在總結成熟經驗的基礎上進行。國家相關規(guī)范規(guī)程規(guī)定就是最好的技術支撐，《輕骨料混凝土技術規(guī)程》GJG51-2002為設計采用輕骨料混凝土提供了直接的技術支撐。

設計也不能墨守成規(guī)，還需要創(chuàng)新，但創(chuàng)新更需要充分的依據。雖然在此之前，重慶并未進行過輕骨料混凝土的工程實踐，但其他省市的成功經驗可以作為示范。重慶輕骨料混凝土的研究工作已有10年之久，試驗結果較好，具有指導生產、泵送和澆筑的能力；生產廠家也初具生產高強陶粒的能力。基于此，設計方大膽假設，小心求證，最終確定了采用頁巖陶粒輕骨料混凝土作為結構柱梁板的主要材料。

4.2 結構輕骨料混凝土設計運用展望

4.2.1 既有建筑加固改造中的運用

目前，越來越多的舊建筑面臨改造加固的問題，改造加固工程中往往遇到加層、抽柱等問題，高強輕質混凝土的運用正是解決這類問題的一把鑰匙。

4.2.2 在軟弱地基中新建建筑的運用

重慶為丘陵山地，大量建筑建設在深填方之上，對于深填方區(qū)域，如果采用輕質高強的混凝土材料，就有可能采用淺基礎，或在同等樓層的條件下多修幾層。

4.2.3 在超高層建筑中的運用

超高層結構的自重占建筑總重的80%以上，減輕建筑的自重是十分重要的。具體體現在減輕結構自重能減小結構地震作用，減小柱墻梁截面尺寸，增加得房率。在《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2010第11.1.8中指出：“當采用壓型鋼板混凝土組合樓板時，樓板混凝土可采用輕質混凝土。 ”

4.2.4 在結構自保溫和節(jié)能中的運用

結構輕骨料混凝土比普通混凝土導熱系數小很多，如果合理設計可以設計為自保溫樓板，樓板表面不用設置樓面保溫建筑面層，結構構件自身實現多功能化，并實現綜合經濟效益。

4.2.5 在節(jié)能減排中的運用

結構輕骨料混凝土具有輕質高強特點，相同情況下，能減小結構尺寸，減少鋼筋用量，具有減少排放的功效。結構輕骨料混凝土做樓板時，可以設計為自保溫，一定程度上避免了普通混凝土的熱橋問題，可實現節(jié)能的功效。

[1]JGJ51-2002輕骨料混凝土技術規(guī)范[S].住房及城鄉(xiāng)建設部，2002.

[2]JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].住房及城鄉(xiāng)建設部，2002.

[3]邵永健，朱聘儒，王曉峰，等.輕骨料混凝土剪扭構件最小配筋率[J].工業(yè)建筑，2006（10）：90-92.

[4]孫海林，葉列平，丁建彤，等.高強輕骨料混凝土收縮徐變試驗[J].清華大學學報，2007（6）：765-767.