關于西安某超高層綜合體結構計算方案分析

袁文健

摘 要：通過對某超高層建筑結構方案的選型分析，結合計算得出高烈度區大高寬比且核心筒偏置的超高層的建筑的結構剛度解決辦法。

關鍵詞：超高層;型鋼混凝土框架;鋼筋混凝土核心筒結構;高寬比;核心筒偏置

一、工程概況

擬建工程位于陜西省西安市雁塔區，建筑物檐口高度141.3米，地下3層，地上38層無裙房，屬于超高層建筑。地下室為車庫和設備用房，其中地下三層和地下二層層高3.9m，地下一層層高6.45m，地上首層～四層為辦公用房，其中首層層高6m，二層層高4.5m，三、四層層高4.2m，五層及以上各層為公寓，層高均為3.6m，十三層和二十七層設有兩個避難層兼做設備層。用地面積8501㎡，總建筑面積47125㎡，其中地上建筑面積30605㎡，容積率3.6。結構安全等級為二級，設計使用年限50年，抗震設防分類為丙類，抗震設防烈度為8度（0.2g），設計地震分組為第二組，場地土類別按II類，基本風壓0.40KN/㎡（重現期100年），地面粗超度為B類。

二、工程難點

由于用地限制，本工程超高層地面以上東西方向開間尺寸只有17.1m，南北方向進深尺寸41.7m，平面面積707㎡，平面長寬比2.44，建筑物高寬比更是高達8.29，超出規范規定值6較多，結構東西向抗側力剛度較差。由于平面本身的限制，核心筒尺寸緊張導致核心筒上洞口較多較大，核心筒的完整性較差。

三、方案初選

考慮到以上工程難點，本建筑若采用鋼結構體系，規范規定抗震設防烈度8度時鋼結構框架結構的最大適用高度僅為90m，做不到超高層范圍;若采用鋼結構框架-中心支撐或鋼結構框架-偏心支撐建筑物高度可以分別達到180m和200m，滿足本建筑高度要求，但是鋼結構支撐勢必破壞建筑物外立面效果，這對于追求外墻窗戶最大化的建筑專業來說很難接受，同時由于建筑物功能定位的關系，鋼結構需要定期維護的特點為業主方所不容;由是建筑物結構體系首先排除鋼結構。本建筑東西向抗側力剛度過于薄弱，若采用鋼筋混凝土筒中筒結構按4m柱距17.1m的開間尺寸也僅能布置5根柱子，且此密柱方案對建筑功能影響較大，柱截面尺寸也受到限制，相較于布置4根較大柱子的方案其對結構整體抗側力剛度的提升幅度不大，且減少一根柱子可以明顯改善空間舒適度;另外與框架—核心筒結構相比，規范對于筒中筒結構樓層層間最大位移與層高之比的限值1/1000較框架-核心筒結構1/800的限值卻提高了很多，若一種結構體系對于結構整體抗側力剛度提升有限，其整體指標卻被規范限制的更加嚴苛，顯然此種結構體系并不是理想選擇;最后本建筑物平面長寬比為2.44，同樣不符合《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第9.3.2條筒中筒結構“矩形平面的長寬比不宜大于2”的規定，即本工程按筒中筒結構設計效率較低，建筑物結構形式進一步排除鋼筋混凝土筒中筒結構。對于超高層建筑來說，建筑物豎向荷載較大，采用普通鋼筋混凝土柱需要較大的截面尺寸，建筑物室內空間損失較大得房率低，另外規范規定B級高度鋼筋混凝土框架-核心筒結構最大適用高度 140m，本建筑物檐口高度剛剛超出此限，綜合考慮建筑物按混合結構進行設計，結構體系采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構。

四、平面推敲

最初建筑方案是核心筒居中，結構平面布置如圖一（右邊是北）。角柱及南北兩側邊柱勁性混凝土框架柱鋼骨采用鋼管，東西兩側邊柱勁性混凝土框架柱鋼骨采用H型鋼，框架梁采用鋼筋混凝土梁，中間鋼筋混凝土核心筒與框架柱對應軸線處4道剪力墻墻厚1m。

由于建筑物東西向平面寬度只有17.1m，核心筒開間尺寸8m，核心筒外側上下寬度各自只有4.55m，房間內部凈寬只有4.3m左右，減掉1.2m左右的框架柱尺寸，最窄處更是只剩3.3m左右，而三個柱跨的平面長度卻有22.1m，建筑專業認為該方案過于狹長的平面布置不利于實現房間功能，強行設計的方案效果也會大打折扣，于是推翻了圖一方案，決定將核心筒推至東邊，形成核心筒偏置的平面布置，結構平面布置如圖二。

核心筒偏置導致東側的四根框架柱與核心筒剪力墻重疊，削弱了平面短向的抗側剛度，反映在整體結構上平面短向位移角有較大幅度的上升，為此在核心筒外側4道主剪力墻對應位置增加同主剪力墻等厚的短墻，長度為2m，該短墻與核心筒之間通過強連梁連接，且垂直方向設置剪力墻與其連接。

圖二方案結構整體指標計算有難度，且核心筒完整性較差，經與建筑專業商量將與4道短墻相連的兩端跨剪力墻推到外側，形成如圖三的結構平面布置圖。

圖三方案核心筒以外的剪力墻平面形狀有了層次感，該部分剪力墻在某種程度上甚至可以看做是核心筒的延伸，平面剛度有所加強，下一步就是加強核心筒東側外墻的完整性，經與建筑專業溝通，建筑專業做出了適當讓步，形成如圖四的結構平面布置圖。

圖四方案核心筒的完整性得到了加強，建筑專業空間上處理起來也比較合理，是一個建筑結構都能接受的方案，結構專業接下來要做的工作是繼續深化計算。

五、深化計算

建筑物地上第十三層和二十七層設有兩個避難層兼設備層，為了增加結構平面短向的剛度，可以考慮利用避難層設置兩個結構加強層。加強層分別嘗試了以下幾種形式：a.平面長向兩側山墻設置高度接近層高的大梁，配合核心筒4道主剪力墻位置與框架柱相連的4根框架梁適當加大截面;b. 核心筒4道主剪力墻位置與框架柱之間設置4道伸臂桁架;c.上述a.b兩條配合使用，即平面長向兩側山墻設置高度接近層高的大梁，核心筒4道主剪力墻位置與框架柱之間設置4道伸臂桁架。通過對以上三種方案的一一試算，發現設置結構加強層對結構整體剛度的貢獻微乎其微，伸臂桁架若不能沿核心筒兩側對稱布置基本起不到應有的作用，鑒于本建筑物平面長寬比高達2.44，平面長向結構整體剛度不存在問題的情況下于結構加強層設置腰桁架也不是一個合理的選擇，本工程設置加強層提高結構整體剛度的做法行不通。通過以上嘗試發現本工程的最大難題還是在于平面短向開間尺寸太小，結構抗側力構件太少，只能通過增加每層墻柱的抗側力剛度提升結構的整體剛度。

最終結構構件截面尺寸如下：勁性混凝土角柱首層～二十七層1400x1400，鋼骨圓鋼管◎1000x50，二十八層～頂層1300x1300，鋼骨◎900x50;南北兩側勁性混凝土邊柱首層～二十七層1300x1300，鋼骨◎900x45，二十八層以上1200x1200，鋼骨◎800x40;東西兩側勁性混凝土邊柱首層～十四層1200x1300，鋼骨H型鋼H900x800x40x30，十五層～二十八層1200x1200，鋼骨H800x800x40x30，二十九～頂層1000x1000，鋼骨H600x600x30x20;核心筒4道主剪力墻及筒外對應4道短墻厚度：首層～二十八層1000mm，二十九～三十二層900mm，三十三層～頂層800mm;框架梁采用普通鋼筋混凝土梁。各層構件混凝土強度等級：剪力墻、框架柱首層～七層C60，八層～十五層C55，十六層～二十五層C50，二十五層～三十層C45，三十一層以上C40;梁板首層～二十五層C50，二十六層以上C40。整體結構的振動周期以及扭轉位移信息見下表。

結構周期及位移指標均滿足規范要求。

另本工程平面長向地上首層～六層樓層剪重比均不滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010第4.3.12條的要求，其中首層剪重比最小，為2.97%<3.2%，地上各樓層地震剪力均乘以1.077的放大系數予以調整;平面短向樓層最小剪重比滿足要求。

六、結語

對于位于設防烈度為8度區、建筑平面長寬比大于2、建筑物高寬比超出規范規定數值較多、采用型鋼混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結構且核心筒偏置于一側外墻的超高層建筑物來說，設置結構加強層一般對于結構整體剛度的貢獻不大，通常還是要靠提高結構本身墻柱等抗側力構件的剛度達到提高結構整體剛度的目的，核心筒偏置還可能導致結構的質心偏心過大超過規范規定的數值，本工程結構質心偏心滿足規范的規定。