某超高層結(jié)構(gòu)體系的合理選擇

王國強(qiáng)

(山西省建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030013)

1 工程概況

本項(xiàng)目位于山西省太原市，主要功能為5A級寫字樓，地上部分建筑面積約為9.5萬m2，單層建筑面積約為2 000 m2。

項(xiàng)目地上43層，結(jié)構(gòu)高度181.1 m(室外地坪至主樓主要屋面板頂)，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.1 m，設(shè)備層層高5.0 m，主要功能為辦公;地下3層，地下2層、3層層高3.9 m，地下1層主樓部分層高為7.5 m，車庫部分層高為4.9 m，主要功能為停車場。

本工程標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面尺寸為43.2 m×43.2 m。標(biāo)準(zhǔn)層平面結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年;建筑抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組;建筑場地類別為Ⅲ類，場地土特征周期為0.45 s;基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2 結(jié)構(gòu)安全等級、抗震設(shè)防分類

根據(jù)工程概況本工程為辦公樓，屬于《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的設(shè)計(jì)使用年限為50年的一般房屋，確定本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。由于本工程地上部分建筑面積約為9.5萬m2，單層建筑面積約為2 000 m2，結(jié)構(gòu)單元內(nèi)經(jīng)常使用人數(shù)不超過8 000人，依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》本工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，簡稱丙類。

3 結(jié)構(gòu)選型

3.1 結(jié)構(gòu)高度

根據(jù)建筑功能及平面布置，本工程結(jié)構(gòu)體系可采用混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)、型鋼(鋼管)混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)體系的適用最大高度見表1。

表1 各結(jié)構(gòu)體系最大高度表

根據(jù)表1“型鋼(鋼管)混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)”結(jié)構(gòu)高度超出比例為20.7%，結(jié)構(gòu)體系采用型鋼(鋼管)混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)較為適合。

3.2 計(jì)算結(jié)果對比

本工程以上幾種結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算結(jié)果如表2，表3所示。1)計(jì)算對比所采用的計(jì)算程序均相同。2)由于結(jié)構(gòu)體系均為框架—核心筒，并且在各結(jié)構(gòu)體系中鋼筋混凝土核心筒內(nèi)的剪力墻布置及墻厚均相同，故僅對框架進(jìn)行對比。3)材料及結(jié)構(gòu)布置:底層混凝土強(qiáng)度等級均為C60，以上各層段混凝土標(biāo)號均相同;混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)墻、柱、梁、樓板均采用混凝土結(jié)構(gòu);型鋼混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)、矩形鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)、圓形鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)除柱外，墻采用混凝土結(jié)構(gòu)，梁采用鋼梁，樓板采用組合樓板，板厚換算厚度與混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)中采用的樓板厚度相同。4)主要計(jì)算參數(shù):混凝土容重:25.00 kN/m3;鋼材容重:78.00 kN/m3;計(jì)算振型數(shù):30;場地類別:Ⅲ;設(shè)計(jì)地震分組:一組;特征周期TG=0.45;周期折減系數(shù):0.90;結(jié)構(gòu)的阻尼比(%):4.00(混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)采用5.00)。

表2 各結(jié)構(gòu)體系計(jì)算結(jié)果表

通過以上計(jì)算結(jié)果對比可知，鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)中的圓形鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)具有底層柱截面小、結(jié)構(gòu)總質(zhì)量小、最大層間位移角小、結(jié)構(gòu)安全儲備高以及節(jié)點(diǎn)連接相對簡單的優(yōu)勢。

綜合結(jié)構(gòu)適用高度及計(jì)算結(jié)果的判斷，本工程結(jié)構(gòu)體系采用圓形鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)體系較為適合。

4 加強(qiáng)層的設(shè)置

由于結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不能滿足要求，根據(jù)建筑豎向功能布置，15層，30層為建筑避難層同時(shí)為設(shè)備層，43層為頂部觀光層。本工程可在15層、30層及43層設(shè)置加強(qiáng)層。各加強(qiáng)層設(shè)置結(jié)果如表3所示。

表3 各加強(qiáng)層設(shè)置結(jié)果表

通過表3可知，加強(qiáng)層設(shè)置在15，30，43層時(shí)最大層間位移角最小，但設(shè)置在43層時(shí)會影響屋頂觀光層的使用，故結(jié)合建筑避難層及設(shè)備層在15，30層設(shè)置加強(qiáng)層較為合適，既可以滿足結(jié)構(gòu)最大層間位移角的要求，也可以減少對建筑功能的影響。

5 結(jié)語

通過對比可知，圓形鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn):1)結(jié)構(gòu)高度超過規(guī)范規(guī)定的高度限值最少為20.7%。2)底層柱截面最小占用建筑面積最少，結(jié)構(gòu)柱所占面積約為2×16=32 m2。3)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量輕，對地基基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)相應(yīng)較小，方便地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。4)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件均可在工廠加工制作，施工現(xiàn)場僅進(jìn)行安裝調(diào)整，可以大大的加快施工進(jìn)度，縮短施工周期，節(jié)省投資。

當(dāng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不能滿足要求時(shí)，可利用建筑避難層、設(shè)備層的空間設(shè)置加強(qiáng)層。這是提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，減小結(jié)構(gòu)最大層間位移角的一個(gè)有效措施。因此，本工程結(jié)構(gòu)體系采用帶有加強(qiáng)層的圓形鋼管混凝土框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)。

［1］JGJ 3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］張文蘭.談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.山西建筑，2013，39(7)：42-43.