某高層辦公樓的結構選型與分析

劉秋芳

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350100)

某高層辦公樓的結構選型與分析

劉秋芳

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350100)

根據建筑的具體需求選擇合理的結構體系尤為重要。文章結合某高層辦公樓建筑平面布局、使用功能、建設工期及工程造價等因素，比較了鋼框架結構、鋼框架-中心支撐、鋼框架-鋼筋砼核心筒、鋼筋砼框架-核心筒等4種方案。綜合對比了4種方案的結構受力特性、變形狀態、建筑材料及施工工期等關鍵指標，結果表明鋼框架-中心支撐結構是最優的結構方案，顯見鋼結構具有較優的綜合經濟效益，鋼結構建筑存在巨大的市場潛力和發展潛力。

結構選型；鋼框架；鋼框架-中心支撐；鋼框架-鋼筋砼核心筒；鋼筋砼框架-核心筒

0 引言

根據某高層辦公樓的結構選型與分析，表明建筑結構設計不單純是結構問題，而是一個綜合性的科學問題。科學合理的結構形式，需要綜合考慮建筑的使用功能、結構的安全性及舒適性、建筑材料的綠色環保、施工技術的安全高效以及綜合的經濟效益與社會效益。在日益激烈的市場競爭環境下，需要工程師能夠找到最適合具體工程需求的結構體系?？箓攘w系的選擇至關重要，滿足規范僅僅是設計的最低要求，必須不斷試算比較方可找到較佳方案。

1 工程概括

某高層辦公樓地上22層，裙房2層，設1層地下室，為人防及設備用房。裙樓的2層層高均為6.0m，三層～二十一層層高4.5m，屋面層高約5.1m，建筑總高度約102.6m。裙房層平面長90m，平面寬62.3m。建筑剖面示意圖如圖1所示。標準層長88.8m，寬28.2m，如圖2所示。方案1為鋼框架結構，豎向構件為鋼管混凝土柱，水平構件為鋼梁，樓蓋為鋼筋桁架樓承板。方案2為鋼框架-中心支撐結構，是在鋼框架結構的基礎上于適當位置增加柱間中心支撐。方案3為鋼框架-鋼筋混凝土核心筒結構，是在鋼框架結構的基礎上增加鋼筋混凝土剪力墻核心筒。方案4為鋼筋混凝土框架-核心筒結構，是傳統的廣泛應用的結構形式,豎向構件及水平構件均為鋼筋混凝土結構。

圖1 建筑剖面示意圖

(a)方案1:鋼框架結構；方案2:鋼框架-中心支撐結構

(b)方案3:鋼框架-鋼筋混凝土核心筒；方案4:鋼筋混凝土-核心筒圖2 標準層平面圖

工程設計基準期為50年，建筑結構安全等級為二級，建筑抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，基本地震加速度為0.05g，建筑場地類別為II類，場地特征周期Tg=0.40s。基本風壓為0.75kN/m2(50年)，地面粗糙度為B類。

2 結構選型

結構概念設計是結構分析和設計中非常關鍵的第一步。成功的設計必須依據工程的具體要求，選擇一個經濟合理、切實可靠最優的結構方案。該項目的主要需求:①建設工期緊張，土建施工階段盡快介入裝修工程；②辦公室結構布置靈活，便于后期使用功能調整；③項目場地的風荷載較大，對舒適度要求較高；④盡量控制工程造價。結合該辦公樓的需求，結構概念設計階段對比分析了以下4個方案。

2.1 鋼框架結構

考慮到建筑功能布置及后期室內裝修風格靈活改變，建筑專業傾向于優先采用純鋼框架結構，不僅施工速度快，材料環保，還可為綠色節能建筑加分。但框架結構抗側剛度較弱，在強風作用下結構側移和風振加速度較大，使用者容易產生風振不舒適感。當房屋層數較多、水平荷載較大時，梁、柱截面尺寸將大到超出經濟、合理范圍。因此鋼框架結構體系一般僅適用于30層以下的高樓結構。建造于地震區，更不得超過20層[1]。

根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》[2]規定，6度區框架結構的最大適用高度為110m，框架抗震等級為四級。根據《鋼管混凝土結構技術規程》[3]規定，6度區框架結構的最大適用高度為70m，框架抗震等級為三級。該辦公樓高度為102.6m，經初步分析鋼框架結構體系不是較優方案。

2.2 鋼框架-中心支撐結構

鋼框架-中心支撐結構是以框架體系為基礎，沿房屋縱向、橫向或其它主軸方向，在不影響建筑平面使用功能及立面效果的前提下，根據水平力的大小，布置一定數量的豎向支撐。因豎向支撐與框架的相互作用，增加了結構抗側剛度，較大減小了結構變形。

根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》[2]規定，6度區框架-支撐結構的最大適用高度為220m，結構抗震等級為四級。根據《鋼管混凝土結構技術規程》[3]規定，6度區框架-支撐結構的最大適用高度為220m，框架抗震等級為三級。經初步分析鋼框架-中心支撐結構是可行方案。

2.3 鋼框架-鋼筋砼核心筒結構

框架-核心筒結構利用建筑樓層中心位置的電梯井或設備井布置鋼筋混凝土核心筒形成立體構件，具有較大的抗推剛度。與樓層外圈鋼框架為剛接時，芯筒承受著大部分的水平荷載，鋼框架承受小部分的水平荷載。在結構中設置一定數量鋼筋混凝土剪力墻核心筒，就會大幅度地減小水平荷載下的結構變形，滿足使用要求。

根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》[2]規定，6度區框筒結構的最大適用高度為300m，結構抗震等級為四級。根據《鋼管混凝土結構技術規程》[3]規定，6度區框架-核心筒結構的最大適用高度為220m。框架抗震等級為三級，核心筒抗震等級為二級。經初步分析鋼框架-鋼筋砼核心筒結構是可行方案。

2.4 鋼筋混凝土框架-核心筒結構

鋼筋混凝土框架-核心筒結構以平面布置靈活，抗側剛度大，結構變形小等優勢，是我國高層辦公樓建筑廣泛使用的經典結構體系。根據《建筑抗震設計規范》[4]規定，6度區框架核心筒結構的最大適用高度為150m?？蚣芸拐鸬燃墳槿?，核心筒抗震等級為二級。經初步分析鋼筋混凝土框架-核心筒結構是可行方案。

3 結構指標比較分析

概念設計階段，探討上述4個結構選型的可行性，必須通過建模計算分析各項指標，進行綜合比較優選。高層建筑結構設計中采用何種結構體系、何種結構材料直接影響到建筑的結構性能及經濟合理性等。結合工程需求，本文主要從周期比、位移比(位移角)、樓層水平剪力、結構自重、結構材料、施工工期等關鍵指標對4個方案進行比較分析。該工程分析程序采用盈建科建筑結構設計軟件(YJK1.8版本)。

3.1 周期比

周期比是控制結構扭轉效應的重要指標，是概念設計中加強抗扭剛度的基本要求，顯示了結構布置的合理性程度。周期比是結構的扭轉第一周期與平動第一周期的比值。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》[5]A級高度高層建筑結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1不應大于0.9。表1列出了4個不同結構方案計算的前3個振型的自振周期。

根據《建筑結構荷載規范》[6]提供的根據建筑層數估算高層建筑基本自振周期的計算式子。

鋼結構：

T1=(0.10～0.15)n

(1)

鋼筋混凝土結構：

T1=(0.05～0.10)n

(2)

式中n為建筑總層數。該工程n=22，則估算鋼結構基本自振周期為2.2s～3.3s，鋼筋混凝土結構自振周期為1.1s～2.2s。

由表1可知，4個結構方案的周期比均小于0.9，滿足規范要求。鋼框架結構及鋼筋混凝土框架-核心筒結構的自振周期計算值均比規范給出的估算值偏大較多。鋼框架-中心支撐結構與鋼框架-鋼筋砼核心筒結構兩者的自振周期計算值接近，且計算值與估算值較吻合，說明兩者結構的抗側剛度較適宜。

3.2 位移比(位移角)

位移比是控制結構平面規則性的重要指標，是指樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移與本樓平均值的比值，位移比間接控制了結構剛度。該工程平面較為規則，位移比基本滿足規范要求。表2列出了4個結構方案計算的層間最大位移角。

根據《高層民用建筑鋼結構技術規程》[2]，按彈性方法計算的樓層層間最大水平位移與層高之比不宜大于1/250。根據《鋼管混凝土結構技術規程》[3]及《高層建筑混凝土結構技術規程》[5]，框架結構與框架-支撐結構的彈性層間位移角限值均為[1/300],鋼框架-鋼筋砼核心筒及鋼筋混凝土框架-核心筒結構的彈性層間位移角限值均為[1/800]。

由表2可知，框架結構在梁柱截面較大、用鋼量較大的前提下，結構抗側剛度仍較弱。Y向的最大位移角為1/347，臨近規范的限值[1/300]。鋼框架-鋼筋砼核心筒結構及鋼筋砼框架-核心筒結構的兩個方向的剛度不均衡，X向剛度比Y向剛度大較多，X向的最大位移角較小，而Y向的最大位移角已超過限值[1/800]。鋼框架-中心支撐結構X向與Y方向的結構剛度較接近，位移角相近也符合規范要求，可見在適當位置增加適量支撐，可以明顯地改善鋼框架的結構性能。

3.3 樓層剪力

圖3給出了4種結構方案分別在X向、Y方向地震作用下的樓層剪力。由圖3～圖4中可知，4種方案的樓層地震剪力分布較均勻，結構豎向布置比較規則。在水平地震作用下，鋼框架與鋼框架-中心支撐結構的樓層地震剪力較接近。鋼框架-鋼筋砼核心筒與鋼筋砼框架-核心筒結構的樓層地震剪力比前兩者大較多，X向、Y向的基底剪力約為前兩者結構的1.4～1.5倍。

3.4 結構質量對比

結構自重減輕不僅可以降低建筑的地震作用，減小抗側力構件的截面，還可以降低基礎造價和地基處理費用，以及材料的運輸和吊裝費用等。表3給出了4種結構方案統計的恒載總質量及標準層單位面積質量對比情況。由表3可知，鋼框架與鋼框架-中心支撐的質量基本接近。鋼框架-鋼筋砼核心筒與鋼筋砼框架-核心筒結構的質量約為前兩個方案的1.25倍～1.4倍。

表1 周期振型列表

表2 層間最大位移角

表3 結構質量對比

表4 豎向構件材料統計

圖3 X向地震作用下的剪力(kN)

圖4 Y向地震作用下的剪力(kN)

3.5 結構材料對比

水平樓板的混凝土用量及含鋼量基本相近，表4僅統計豎向抗側力構件的材料(不含樓板)。由表4可見，鋼框架-中心支撐結構比純鋼框架結構僅增加了中心支撐桿件約300t。鋼框架-鋼筋砼核心筒結構比鋼框架增加了混凝土約3474m3及鋼筋約400t。二者比較，鋼框架-支撐結構使用材料更省且工藝更簡單，而鋼筋混凝土框架核心筒結構的混凝土用量顯著增加。

3.6 建設工期對比

鋼結構因絕大部分構件可在工廠標準化生產、加工，施工耗材少，現場安裝施工作業面多，安裝速度快，鋼結構施工速度比鋼筋混凝土約快1.5倍。通常鋼結構約每3d～4d完成一層，而鋼筋混凝土約每5d～6d完成一層。該工程若采用鋼結構，主體結構封頂可以節省工期約45d。而且鋼結構不用考慮砼養護時間，主體鋼結構安裝可以與裝修工程同步進行，節省了裝修工期。

4 結語

本文從6個關鍵因素對高層辦公樓進行了4種不同結構方案的計算與分析。對比結果匯總如表5所示。

表5 對比結果匯總表

由表5可知，方案1鋼框架結構剛度較弱，變形較大。方案3與方案4剛度分布不合理，X向剛度比Y向大較多，X向位移角遠小于規范限值，而Y向位移角已超限，結構用鋼量及混凝土量增加，施工工藝復雜，工期顯著增加，耗材又耗工。方案2鋼框架-中心支撐結構是在框架體系上適當地布置一定數量的豎向支撐。在主體結構用鋼量增加較少的基礎上，結構抗側剛度明顯提高，結構性能及結構變形均滿足規范要求。建筑材料及建設工期等綜合經濟指標也符合業主預期要求。經4個方案對比分析可見該辦公樓采用方案2，即鋼框架-支撐結構是最優的結構型式。

鋼結構強度高、延性好、自重輕，可以大大改善結構的受力性能。鋼材具有良好的機械加工性能，適合工廠標準化生產和加工制作。施工速度快，工期短，大大降低了施工管理費、設備租賃等資本投入。而且鋼結構施工減少現場濕作業，減輕了揚塵、排放廢水、噪聲等對環境的污染。鋼結構因綠色環保、材料可重復利用等優勢，符合社會可持續發展要求。發展工業化裝配式鋼結構建筑特別符合我國化解鋼鐵產能過剩、發展綠色建筑的戰略要求。鋼結構發展前景非常廣闊，具有巨大的市場潛力與發展潛力。

[1] 曾凡生，王敏，楊翠如，等.高樓鋼結構體系與工程實例 [M].北京：機械工業出版社，2015.

[2] JGJ99-2015 高層民用建筑鋼結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[3] GB50936-2014 鋼管混凝土結構技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[4] GB50011-2010 建筑抗震設計規范(2016版)[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[5] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[6] GB50009-2012 建筑結構荷載規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

Structure selection and analysis of a high-rise office building

LIUQiufang

(Fuzhou Planning Design&Research Institute，Fuzhou 350100)

It is important to choose reasonable structure system according to the requirement of the building.A high-rise office building due to the layout of the building,the use of functions,construction period and project cost and other factors,four schemes are compared,such as steel frame structure,steel frame center support,steel frame reinforced concrete core tube and reinforced concrete frame core tube .Comprehensive comparison of the four schemes of the structural characteristics of the force,deformation,building materials and construction period and other key indicators,the results show that the steel frame center support structure is the optimal structural scheme.It can be seen from this paper that the steel structure has better comprehensive economic benefits,and the steel structure construction has great market potential and development potential.

Structure selection; Steel frame; Steel frame center support; Steel frame reinforced concrete core tube; Reinforced concrete frame core tube

劉秋芳(1979- )，女，高級工程師。

E-mail:15928883@qq.com

2017-05-27

TU3

A

1004-6135(2017)09-0031-05