高層框架—支撐體系鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)案例

湯嘉虹 宋 鶴

(1.太原市晉源區(qū)建筑工程質(zhì)量服務(wù)站，山西 太原 030000； 2.山西四建集團(tuán)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(jié)構(gòu)工程主要是通過工廠化的形式生產(chǎn)各類結(jié)構(gòu)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)全生命周期的設(shè)計(jì)，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(huì)效益，在裝配式建筑中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此在高層住宅、公寓等建筑中，鋼結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)主體的應(yīng)用得到了較大規(guī)模的普及。而經(jīng)濟(jì)性能是影響其應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題，如何控制工程造價(jià)，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的綜合優(yōu)勢(shì)，工程設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要和關(guān)鍵的階段。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)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(kù)。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(gè)單體，平面布置如圖1所示。結(jié)構(gòu)層高見圖2。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防烈度8度，地震分組第二組，場(chǎng)地類別三類，抗震設(shè)防分類為丙類。適用的主要鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范為GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]及JGJ 99—2015高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[2]。

2.2 原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

1)每部分通過防震縫劃分為4個(gè)結(jié)構(gòu)單元，各單元功能單一且有單獨(dú)的疏散出入口，獨(dú)立承擔(dān)地震作用，彼此之間沒有相互作用，地震發(fā)生時(shí)人流疏散較容易。并且結(jié)構(gòu)分析模型較簡(jiǎn)單，容易估計(jì)其地震作用及抗震措施，但需考慮扭轉(zhuǎn)地震效應(yīng)。

2)結(jié)構(gòu)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(cè)剛度?？蚣苤x用鋼管混凝土柱，可以充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)良好的抗側(cè)能力和優(yōu)越的承壓性能，且寬厚比構(gòu)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(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，且易存在豎向荷載傳遞不準(zhǔn)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(shè)置說明

本次設(shè)計(jì)采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司編寫的盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊YJK(1.9.1.0網(wǎng)絡(luò)版)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算模型見圖3。在建立計(jì)算模型時(shí)做如下假定：

1)整體指標(biāo)計(jì)算時(shí)，假定樓板平面外剛度為零，平面內(nèi)剛度無窮大；構(gòu)件計(jì)算時(shí)，認(rèn)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(gòu)關(guān)系依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]。

3 優(yōu)化方案

3.1 結(jié)構(gòu)體系及抗震等級(jí)

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(shè)置豎向支撐，形成若干榀豎向支撐框架，見圖4。采用支撐結(jié)構(gòu)能大大增加整體剛度，提高抗側(cè)能力。且該體系受力邏輯清晰，腹桿軸力的水平分量承擔(dān)側(cè)向剪力，可接近于一個(gè)真正懸臂梁的性能，懸臂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)根部的彎矩就是傾覆力矩。

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

與原設(shè)計(jì)相比，框架柱抗震等級(jí)提高了一級(jí)，底層鋼柱加強(qiáng)，更易滿足結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，使結(jié)構(gòu)的整體指標(biāo)更加合理。

表1 不同規(guī)范對(duì)高度限值及抗震等級(jí)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(jì)算結(jié)構(gòu)各部分的樓屋面恒載，減小部分取值過大的荷載，同時(shí)考慮玻璃的面積，從而減小外墻線荷載。

考慮夾層結(jié)構(gòu)的實(shí)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(shè)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(shè)為0，僅起到傳遞荷載的作用。這種處理方式考慮了夾層結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度，符合結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(shí)在次梁設(shè)計(jì)時(shí)，考慮混凝土樓板的組合作用，將其翼緣設(shè)置為上窄下寬，更符合組合梁的受力機(jī)理，優(yōu)化前后鋼梁截面如圖6所示。

4 指標(biāo)控制及優(yōu)化結(jié)果

髙層建筑結(jié)構(gòu)的用鋼量是成本控制的首要問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注重概念設(shè)計(jì)，把握好結(jié)構(gòu)布置的平面立面規(guī)則性、周期及振型、結(jié)構(gòu)側(cè)移等關(guān)鍵指標(biāo)，注重豎向荷載的傳力途徑、抗側(cè)剛度，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)過大?，F(xiàn)以B-1為例，對(duì)優(yōu)化前后各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較分析。

4.1 結(jié)構(gòu)規(guī)則性判斷

高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱，并應(yīng)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(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)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(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)寬比大于2，易造成扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)將首層鋼柱及支撐適當(dāng)加強(qiáng)，避免承載力突變，減小不規(guī)則項(xiàng)目，避免超限審查，減小設(shè)計(jì)難度及設(shè)計(jì)周期。

結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的重要指標(biāo)，在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)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(cè)移角的限值為1/300，綜合考慮，將側(cè)移角限值控制在1/300以內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)有足夠的側(cè)移剛度及安全儲(chǔ)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(jié)構(gòu)側(cè)移略大于優(yōu)化前，且均滿足規(guī)范限值及位移控制指標(biāo)，結(jié)構(gòu)抗側(cè)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(dòng)，第二振型為X向平動(dòng)，第三振型為整體扭轉(zhuǎn)，優(yōu)化前后周期及振動(dòng)特性相接近，以扭轉(zhuǎn)為主的周期T3與以平動(dòng)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(dòng)中扭轉(zhuǎn)方向因子均為0，二階平動(dòng)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(jié)構(gòu)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(yīng)。

表4 優(yōu)化前后周期信息

4.4 優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)選型及計(jì)算參數(shù)設(shè)置，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)(側(cè)移、扭轉(zhuǎn)位移等)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，且與原設(shè)計(jì)相近，在節(jié)約用鋼量的同時(shí)，并未降低原設(shè)計(jì)預(yù)留的安全儲(chǔ)備。優(yōu)化量清單見表5。

表5 優(yōu)化量清單

5 結(jié)語(yǔ)

通過本文分析，高層框架—支撐體系鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)注重概念設(shè)計(jì)，根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)、側(cè)移及平立面規(guī)則性等指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行合理的計(jì)算假定，并根據(jù)實(shí)際情況布置夾層樓面結(jié)構(gòu)，選用合理的鋼梁截面規(guī)格，對(duì)荷載精細(xì)化計(jì)算，在用鋼量降低的同時(shí)，保證結(jié)構(gòu)有合理的安全儲(chǔ)備。