合肥某裝配式高層鋼結構公共建筑設計

吳 楊 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

鋼結構具有自重輕、強度高、施工速度快、抗震性能好、占用面積小、工業化程度高、外形美觀等一系列優點，與混凝土結構相比，鋼結構可重復利用，符合可持續發展的目標，是一種環保建筑，易于產業化。在國家大力提倡節能減排的政策形勢下，我國建筑業正向著綠色建筑和建筑產業現代化發展轉型。《國務院關于深入推進新型城鎮化建設的若干意見》（國發〔2016〕8號）提出：“積極推廣應用綠色新型建材、裝配式建筑和鋼結構建筑。”《安徽省住房和城鄉建設事業發展“十三五”規劃綱要》也提出：“大力發展裝配式建筑。推進裝配式混凝土結構、鋼結構試點示范，推動產業現代化綜合試點城市和示范基地建設，支持公租房、安置房（含貨幣購買項目）按照建筑產業現代化方式建造。”隨著我國經濟的發展，鋼產量增長迅速，鋼結構建筑不僅在工業建筑中得到發展，在民用建筑中發展也較為迅速。

2 項目概況

某項目位于安徽省合肥市，用地面積約 1.38萬㎡，建筑容積率 3.5，建筑密度45%，綠地率20%。項目建設內容包含辦公、社區中心及配套設施，總建筑面積約7.05萬㎡。整個項目包括多層裙房、A座辦公樓和B座辦公樓三個單體（圖1），裙房的主要功能為社區中心、文體活動中心及配套設施，地上5層，地下2層，建筑總高度 21.800m；A、B座辦公樓主要功能為辦公，A座辦公樓地上22層，地下2層，建筑總高度 93.300m，B座辦公樓地上11層，地下2層，建筑總高度47.100m。建筑的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度峰值為0.10g，基本風壓為 0.35kN/m2，地面粗糙類別為B類，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類場地，特征周期Tg=0.35s。根據招標文件的要求，該項目的施工和建設，須采用裝配式建筑技術，裝配率須達到50%以上。

圖1 多層裙房、A座和B座辦公樓剖面示意圖

3 裝配式混凝土結構和裝配式鋼結構方案對比

本項目設計的重點和難點在于須采用裝配式建筑技術，且裝配率須達到50%以上。針對裝配式混凝土結構和裝配式鋼結構兩種設計方案，從各自的優缺點、技術難度、裝配式建筑技術方案等角度進行了對比。

3.1 裝配式混凝土結構技術方案

項目若采用裝配式混凝土結構，裙房為多層建筑，采用裝配整體式框架結構，A、B座辦公樓為高層建筑，采用裝配整體式框架-現澆剪力墻結構。為了滿足50%裝配率的要求，豎向構件中，部分框架柱需采用預制柱，剪力墻采用現澆；水平構件中，部分框架梁采用疊合梁，樓板采用疊合板，板厚取140mm，其中預制板底板為60mm，現澆面為80mm；外墻為全幕墻設計，內隔墻采用輕質隔墻；其他構件，如樓梯、空調板等，均需采用全預制構件。

通過試算，裙房柱截面約為500mm×500mm，由于裙房功能復雜，柱配筋種類較多；A座辦公樓底層柱截面約為1000mm×1000mm，B座辦公樓底層柱截面約為800mm×800mm。若采用預制柱，裙房中，柱截面種類較多，不利于標準化的生產和施工，A座辦公樓預制柱截面較大，每根柱子的重量約5～9t，吊裝費用高，難度大，預制梁與預制柱交接處節點復雜，鋼筋碰撞嚴重，安裝精度要求高，施工難度大。

通過調研，目前省內已經完工的采用預制柱的多層裝配式框架結構僅有兩棟建筑，分別為安徽海龍建筑工業有限公司的辦公樓（4層）和安徽裕祥建筑科技有限公司的模具用房（3層），且目前國內并沒有已經完工的100m高左右的裝配整體式框架-現澆剪力墻結構，設計和施工經驗均較為匱乏。

3.2 裝配式鋼結構技術方案

項目若采用裝配式鋼結構，50%的裝配率較為容易實現。地上部分，多層裙房和B座辦公樓采用鋼框架結構，A座辦公樓采用鋼框架-中心支撐結構，鋼柱延伸至地下的部分均采用鋼骨混凝土柱。裙房鋼柱采用矩形鋼管柱，A、B座辦公樓鋼柱采用矩形鋼管混凝土柱，鋼梁均采用焊接H型鋼，柱間支撐采用矩形鋼管，從經濟性考慮，樓板、樓梯、空調板等采用現澆板，外墻為全幕墻設計，內隔墻根據需要可采用輕質隔墻或砌塊。

通過試算，裙房柱截面約為500mm×500mm；A座辦公樓底層柱截面約為700mm×700mm，內填混凝土強度等級為C40-C50，B座辦公樓底層柱截面約為600mm×600mm，內填混凝土強度等級為C40。鋼柱長約12m一根，鋼梁約9m一根，構件重量輕，施工方便簡單，設計和施工技術均較為成熟。

通過反復對比，最終該項目選擇裝配式鋼結構技術方案，主要有以下幾點優勢：

①與預制柱、預制梁相比，鋼柱、鋼梁自重輕，設計和施工技術較為成熟，降低了投資風險，且施工簡便，周期短，可以盡早投入使用，雖然鋼材價格相對較高，但綜合技術、風險、工期等多項因素，鋼結構的優勢更大；

②鋼結構的抗震性能較好，鋼材比混凝土材料強度高，塑性和韌性好，在地震作用下具有良好的延性和耗能性能。

4 裝配式鋼結構體系及布置

本項目多層裙房和B座辦公樓采用鋼框架結構，A座辦公樓采用鋼框架-中心支撐結構。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011）和《鋼管混凝土結構技術規范》（GB 50936）的相關規定，裙房、A座和B座辦公樓的抗震等級均為三級，A、B座辦公樓的鋼框柱抗震等級為二級。裙房柱截面主要為500mm×500mm，梁截面主要為 H550×200×14×20和 H550×200×10×16；A座辦公樓柱截面主要為□700×700×20～□700×700×30，梁截面主要為 H600×250×14×24和 H600×250×16×36，柱間支撐采用人字形斜桿，主要布置在樓電梯間周邊，截面為□180×180×24和□220×220×24；B座辦公樓柱截面主要為□600×600×18～□600×600×24，梁截面主要為H600×250×16×30和 H500×200×14×25。A座辦公樓典型的標準層結構平面布置圖如圖2所示。

4.1 主要設計參數取值

本工程結構設計采用YJK計算分析軟件，結構整體計算嵌固部位為地下室頂板，地面粗糙度類別為B類，基本風壓取0.35kN/㎡，由于A座辦公樓高度較高，屬于對風荷載比較敏感的建筑，承載力設計時按照基本風壓的1.1倍采用，水平地震影響系數最大值取0.08，阻尼比裙房和B座辦公樓取0.04，A座辦公樓取0.03，中梁和邊梁剛度放大系數分別取 1.5和 1.2，A、B座辦公樓結構分析模型如圖3、4所示。

圖2 A座辦公樓標準層結構平面布置圖

圖3 A座辦公樓結構模型

圖4 B座辦公樓結構模型

4.2 計算結果和主要控制參數

經過反復計算和調整，三棟塔樓的各項指標均滿足規范要求，簡述如下。

①軸壓比：A、B座辦公樓的矩形鋼管混凝土柱軸壓比控制在0.7以內。

②周期比：裙房第一自振周期為1.2s，第二自振周期為 1.0s，周期比為0.83；A座辦公樓第一自振周期為 3.9s，第二自振周期為 3.4s，周期比為 0.87；B座辦公樓第一自振周期為3.1s，第二自振周期為 2.6s，周期比為 0.84。

③應力比：柱應力比控制在0.80以內，主梁的應力比控制在0.90以內，次梁的應力比控制在0.95以內。

④位移角:裙房層間最大位移角為1/500，A座辦公樓層間最大位移角為1/650，B座辦公樓層間最大位移角為1/550，滿足《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ99）的規定，且留有一定富余。

⑤位移比：裙房最大位移比為1.28，A座辦公樓最大位移比為1.23，B座辦公樓最大位移比為1.22。

5 主要節點設計

鋼結構設計中，節點設計十分關鍵，直接決定著鋼結構體系的受力性能和安裝效率。該項目梁柱連接節點采用栓焊連接（圖5），鋼柱與鋼梁通過腹板上的高強螺栓進行連接，梁端翼緣與鋼柱采用全熔透坡口焊進行連接；鋼柱柱腳采用外包式柱腳（圖6），柱腳由鋼柱腳和外包混凝土組成，位于基礎頂面以上，外包混凝土厚度為200mm，高度貫穿兩層地下室，從基礎頂面至地下室頂板，外包部分的鋼柱翼緣表面設置栓釘。

圖5 梁與柱栓焊連接節點

圖6 外包式柱腳節點

6 結語

本文通過某裝配式高層鋼結構公共建筑的設計，對比了裝配式混凝土結構和裝配式鋼結構兩種設計方案各自的優缺點、設計和施工的技術難度及裝配式建筑技術方案，重點介紹了鋼框架結構和鋼框架-支撐結構的設計方法和主要設計節點，對裝配式鋼結構公共建筑的設計有一定的指導作用。