高層框架—支撐體系鋼結構建筑優(yōu)化設計案例

湯嘉虹 宋 鶴

(1.太原市晉源區(qū)建筑工程質(zhì)量服務站，山西 太原 030000； 2.山西四建集團有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

近年來，裝配式建筑得到了政府的大力推廣，其中鋼結構工程主要是通過工廠化的形式生產(chǎn)各類結構構件，實現(xiàn)全生命周期的設計，包括生產(chǎn)、施工和安裝等環(huán)節(jié)，具有節(jié)能環(huán)保的社會效益，在裝配式建筑中具有明顯的優(yōu)勢。因此在高層住宅、公寓等建筑中，鋼結構作為結構主體的應用得到了較大規(guī)模的普及。而經(jīng)濟性能是影響其應用的一個關鍵問題，如何控制工程造價，充分發(fā)揮鋼結構建筑技術經(jīng)濟上的綜合優(yōu)勢，工程設計是一個非常重要和關鍵的階段。

2 工程概況

2.1 工程簡介

本工程地上10層，地下2層，其中地上部分使用功能為公寓和辦公，地下部分為車庫。地上部分總建筑面積為135 525 m2，分為A座、B座兩部分，層高為48.72 m，每部分通過抗震縫分為四個單體，平面布置如圖1所示。結構層高見圖2。該工程結構設計基準期50年，安全等級二級，抗震設防烈度8度，地震分組第二組，場地類別三類，抗震設防分類為丙類。適用的主要鋼結構規(guī)范為GB 50017—2017鋼結構設計標準[1]及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程[2]。

2.2 原結構設計評價

1)每部分通過防震縫劃分為4個結構單元，各單元功能單一且有單獨的疏散出入口，獨立承擔地震作用，彼此之間沒有相互作用，地震發(fā)生時人流疏散較容易。并且結構分析模型較簡單，容易估計其地震作用及抗震措施，但需考慮扭轉(zhuǎn)地震效應。

2)結構體系為鋼框架—中心支撐，支撐起到如同剪力墻的作用，有效提高了抗側剛度。框架柱選用鋼管混凝土柱，可以充分發(fā)揮結構良好的抗側能力和優(yōu)越的承壓性能，且寬厚比構造要求寬松，柱的用鋼量較為節(jié)省。

3)公寓部分的LOFT夾層作為面荷載施加于下層梁板處，未考慮夾層結構抗側移剛度，且易存在豎向荷載傳遞不準確問題[3]，部分荷載取值較大。

4)鋼梁多為熱軋H型鋼，焊接H型鋼也多為中翼緣，承載力富余較多，截面利用率偏低。

2.3 模型建立及設置說明

本次設計采用北京盈建科軟件有限責任公司編寫的盈建科建筑結構計算模塊YJK(1.9.1.0網(wǎng)絡版)進行結構分析，計算模型見圖3。在建立計算模型時做如下假定：

1)整體指標計算時，假定樓板平面外剛度為零，平面內(nèi)剛度無窮大；構件計算時，認為樓板與鋼梁之間具有可靠性連接。2)彈性階段阻尼比為3.5%。3)材料主要包括C30，C50混凝土及Q345鋼材，本構關系依據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》[4]和《鋼結構設計標準》[1]。

3 優(yōu)化方案

3.1 結構體系及抗震等級

選用鋼框架(鋼管混凝土柱框架)—支撐體系，即在框架體系中的部分框架柱之間設置豎向支撐，形成若干榀豎向支撐框架，見圖4。采用支撐結構能大大增加整體剛度，提高抗側能力。且該體系受力邏輯清晰，腹桿軸力的水平分量承擔側向剪力，可接近于一個真正懸臂梁的性能，懸臂結構上的豎向荷載就是高層建筑的水平力；橫向剪力就是層間剪力；懸臂結構根部的彎矩就是傾覆力矩。

對于矩形鋼管混凝土結構目前各規(guī)范沖突較大，例如高度的限制、抗震等級的判定等均有較大不同，具體見表1。對于鋼框架(鋼管混凝土柱框架)—支撐體系的抗震等級，規(guī)范中沒有專門規(guī)定，因此在對規(guī)范內(nèi)容深入理解后，將框架柱定為一級，梁和支撐等純鋼構件定為二級。

與原設計相比，框架柱抗震等級提高了一級，底層鋼柱加強，更易滿足結構的豎向規(guī)則性，使結構的整體指標更加合理。

表1 不同規(guī)范對高度限值及抗震等級判定的要求(8度50 m以下)

3.2 荷載取值

根據(jù)建筑工程做法，計算結構各部分的樓屋面恒載，減小部分取值過大的荷載，同時考慮玻璃的面積，從而減小外墻線荷載。

考慮夾層結構的實際布置方式，在與甲方及裝修單位溝通后，根據(jù)夾層建筑的平面要求布置梁柱(如圖5所示)并將其作為普通樓層設置荷載，由于夾層樓板多為輕型板，面內(nèi)剛度較小，因此將其厚度設為0，僅起到傳遞荷載的作用。這種處理方式考慮了夾層結構抗側移剛度，符合結構實際受力狀態(tài)，且質(zhì)量源分布較為均勻，一定程度上提高了結構的整體剛度，減小了樓層地震力，從而可以降低樓層最大位移角。

3.3 梁規(guī)格選取

作為受彎構件的梁，在保證相同抗彎能力的條件下，選擇高而窄的截面，可以提高截面利用率。同時在次梁設計時，考慮混凝土樓板的組合作用，將其翼緣設置為上窄下寬，更符合組合梁的受力機理，優(yōu)化前后鋼梁截面如圖6所示。

4 指標控制及優(yōu)化結果

髙層建筑結構的用鋼量是成本控制的首要問題，優(yōu)化設計時應特別注重概念設計，把握好結構布置的平面立面規(guī)則性、周期及振型、結構側移等關鍵指標，注重豎向荷載的傳力途徑、抗側剛度，避免結構扭轉(zhuǎn)過大。現(xiàn)以B-1為例，對優(yōu)化前后各項指標進行比較分析。

4.1 結構規(guī)則性判斷

高層民用建筑鋼結構及其抗側力結構的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變[3]。由圖1，圖2可知，首層層高接近2層層高的1.4倍，抗剪承載力較2層偏弱，宜形成薄弱層；結構單元長寬比大于2，易造成扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；鋼結構高層建筑偏心率普遍較大，易形成偏心布置不規(guī)則。因此優(yōu)化設計時將首層鋼柱及支撐適當加強，避免承載力突變，減小不規(guī)則項目，避免超限審查，減小設計難度及設計周期。

結構的平立面規(guī)則性主要體現(xiàn)在樓層抗剪承載力及位移比兩方面，由表2可知，因?qū)痈咻^高，首層抗剪承載力之比最小。優(yōu)化前，兩個方向的比值分別為0.79和0.73，均小于0.8，屬于樓層承載力突變，優(yōu)化后，兩個方向的比值分別為0.85和0.81，均大于0.8，滿足了規(guī)范對豎向規(guī)則性的要求；由圖7可知，規(guī)定水平力作用下，優(yōu)化前后兩個方向的樓層位移比均小于1.2，滿足平面規(guī)則性的要求，結構扭轉(zhuǎn)得到了有效控制。

4.2 樓層位移角控制

樓層位移角是體現(xiàn)結構抗側剛度的重要指標，在《建筑抗震設計規(guī)范》和《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》中限值為1/250，《矩形鋼管混凝土規(guī)程》和《鋼管混凝土規(guī)程》中為1/300，而老版抗規(guī)中側移角的限值為1/300，綜合考慮，將側移角限值控制在1/300以內(nèi)，保證結構有足夠的側移剛度及安全儲備。

由表3可知，X向地震作用下，優(yōu)化前后最大位移角分別為1/585和1/473，Y向地震作用下，優(yōu)化前后最大位移角分別為1/331和1/319，優(yōu)化后結構側移略大于優(yōu)化前，且均滿足規(guī)范限值及位移控制指標，結構抗側剛度較大。

表2 優(yōu)化前后樓層受剪承載力

表3 地震作用下優(yōu)化前后層間位移角

4.3 周期、振型分析

由表4可以看出，第一振型為Y向平動，第二振型為X向平動，第三振型為整體扭轉(zhuǎn)，優(yōu)化前后周期及振動特性相接近，以扭轉(zhuǎn)為主的周期T3與以平動為主的周期T1之比分別為0.53和0.55均小于規(guī)范限制0.9，一階平動中扭轉(zhuǎn)方向因子均為0，二階平動中扭轉(zhuǎn)方向因子，優(yōu)化前后分別為0.10及0.12。反映出結構抗扭剛度理想，整體性較好，剛度分布合理，有效降低了地震工況下的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應。

表4 優(yōu)化前后周期信息

4.4 優(yōu)化結果

優(yōu)化后，節(jié)約用鋼量1 473 t，優(yōu)化百分比為12.47%，并且通過合理的結構選型及計算參數(shù)設置，結構各項指標(側移、扭轉(zhuǎn)位移等)均滿足相關規(guī)范要求，且與原設計相近，在節(jié)約用鋼量的同時，并未降低原設計預留的安全儲備。優(yōu)化量清單見表5。

表5 優(yōu)化量清單

5 結語

通過本文分析，高層框架—支撐體系鋼結構建筑的優(yōu)化設計應注重概念設計，根據(jù)預設目標控制結構的扭轉(zhuǎn)、側移及平立面規(guī)則性等指標，對結構模型進行合理的計算假定，并根據(jù)實際情況布置夾層樓面結構，選用合理的鋼梁截面規(guī)格，對荷載精細化計算，在用鋼量降低的同時，保證結構有合理的安全儲備。