高層建筑結構方案設計中的結構形式及材料體系選擇研究

陳 如 何 康

（1. 浙江省省直建筑設計院有限公司,浙江 杭州 310030；2.杭州元成規劃設計集團有限公司,浙江 杭州 310016）

0 引言

高層建筑結構體系是指建筑的各構件之間的組合方式，在建筑結構設計中，設計出合適的結構體系對于提高建筑的經濟效益及實現其使用功能至關重要。在進行結構設計之前，設計人員必須考慮到各方面因素，并根據這些因素進行各項指標的對比分析，以便選擇最為合適的結構體系。鋼筋混凝土結構是使用最普遍的結構材料類型，而混合結構和組合結構各具優勢和缺陷[1]。本文介紹不同結構形式體系及結構材料體系，并對鋼－混凝土組合結構體系方案進行對比研究。

1 高層建筑不同結構形式及材料體系對比分析

1.1 高層建筑主要的結構形式對比分析

從結構形式角度來看，高層建筑結構形式體系包括框架結構體系、剪力墻結構體系、框架-剪力墻結構體系和筒體結構體系。

1.1.1 框架結構體系

框架結構是一種常見且廣泛應用于多層和高層建筑中的簡單結構類型。它主要由梁和柱兩種構件承擔水平和垂直荷載。框架結構具有靈活性強、空間利用率高和立面形式多樣等優點。然而，相對而言，框架結構的強度和剛度較弱，抗側向變形能力有限，并且建筑的高度受到一定限制。當建筑高度超過一定限度時，其使用功能可能會受到影響。

1.1.2 剪力墻結構體系

剪力墻結構依靠墻體構件來支撐豎向荷載。它具有墻體截面積相對較大、整體穩定性能好、側向剛度和強度高以及卓越的抗震性能等優點。剪力墻結構也適用于作為房間分隔構件，廣泛應用于住宅、公寓、旅館等建筑中。然而，剪力墻結構的缺點在于其間距受到樓板跨度的限制，難以滿足某些大空間建筑的功能需求。此外，剪力墻的自重較大，需要仔細考慮在設計中。

1.1.3 框架-剪力墻結構體系

框架-剪力墻結構體系是將框架結構和剪力墻結構的優點相結合，共同承擔水平和垂直荷載的一種結構體系。該結構體系廣泛應用于高層公共建筑，具有高空間利用率、多樣化的立面形式和良好的抗震性能等優點。同時，它兼顧了剪力墻對空間靈活性的局限和框架結構的柔性問題[2]。在設計過程中，需要特別注意剪力墻的布局，避免在筒口、豎井、通風口、電梯間和樓梯間等有縫隙存在的位置布置剪力墻。剪力墻的數量應適中，過少影響安全，過多影響經濟。剪力墻應上下連續布置，以增強其抗扭轉性能。根據使用功能的要求，可以考慮在縱向或橫向方向上設置剪力墻[3]。

1.1.4 筒體結構體系

筒體結構體系是一種豎向結構，由若干剪力墻圍成豎井結構，用于抵抗豎向荷載和水平荷載。隨著高層建筑的不斷增加，傳統的框架結構、框剪結構、剪力墻結構已經不能滿足要求。筒體結構體系以其抗側剛度大、空間受力性能強、抗彎抗扭性能良好、建筑層數可大幅度增加等優點成為現代建筑結構的一種新型體系，常用于跨度大、空間范圍廣、超高層建筑。該類結構體系根據筒的數量、組成和布置的不同，可分為框架－核心筒、筒中筒和束筒三種結構體系[5-6]

1.2 高層建筑主要的材料體系對比分析

從材料的角度看，高層建筑結構材料體系包括鋼筋混凝土結構體系、鋼結構體系和鋼-混凝土組合結構體系。

1.2.1 鋼筋混凝土結構體系

鋼筋混凝土結構在我國高層建筑中占據主導地位已超過200 年。它通過鋼筋與混凝土兩種材料的優勢相結合，具有強度高、良好的受力性能、剛性好、造型美觀、成本低廉、維護成本低、可用資源豐富等優點。由于這些優點，鋼筋混凝土結構被廣泛應用于我國的多層、高層乃至超高層建筑，具有長達百年的發展歷史。鋼筋混凝土結構的應用體系涵蓋了技術、理論、施工和設計等方面[4]。

1.2.2 鋼結構體系

鋼結構體系具有許多優點，例如高強度、截面小、輕質量、強震抗沖擊性、便于施工和制造簡單等。因此，在許多發達國家，高層建筑通常采用鋼結構，以形成大跨度、高空間和多功能的建筑體系。然而，鋼結構也存在一些缺陷。首先，經濟性較差，因為鋼結構材料的價格較高；其次，鋼結構易受到銹蝕的影響，需要定期維護保養以確保使用壽命不受影響。此外，鋼結構的耐火性能較差，當溫度超過150℃時，其強度和承載能力會受到影響，當溫度超過600℃時，結構性能將完全喪失。因此，在我國，鋼結構體系在高層建筑中的應用并不普遍。

1.2.3 鋼-混凝土組合結構體系

鋼-混凝土組合結構集合了鋼結構和鋼筋混凝土結構的優點，通過兩種材料的優勢互補和協同作用來實現優化設計。鋼材具有高強度、延展性好、能夠形成大跨度和大空間的能力；而鋼筋混凝土結構具有較大的剛度、良好的抗震性能和抗沖擊性能等特點。相比于全鋼結構，鋼-混凝土組合結構節省了材料、降低了施工難度，經濟性更好；相比于單一混凝土結構，組合結構具有更強的抗側力性能、較輕的自重、更快的施工速度以及增加建筑使用空間的優勢[5-6]。因此，在高層/超高層建筑、大跨度橋梁和地鐵隧道等領域中得到廣泛應用。然而，鋼-混凝土組合結構中的連接施工技術相對復雜，需要進一步研究和實踐。

2 高層建筑結構方案設計中結構形式及材料體系的選擇分析

2.1 工程概況

擬建南京市某高層建筑，地下2層，地上21層。結構高度98m，抗震設防烈度為8 度(0.20g)，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，50年重現期的基本風壓為0.40kN/m。

2.2 組合結構體系方案比較

組合結構是一種由多種不同材料組成并協同工作的結構，能夠共同支撐和承載側向荷載力和豎向荷載力的影響。該工程擬選取框架－核心筒結構形式，分析了3 種組合方案的性能和效益。框架－核心筒結構平面圖如圖1所示。

圖1 框架-核心筒結構平面圖

2.3 3種組合結構方案性能對比分析

針對該工程概況，選取了3 種組合結構體系方案進行比較。方案1：鋼筋混凝土框架核心筒；方案2：型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架和鋼筋混凝土核心筒；方案3：鋼管混凝土柱-鋼梁框架和鋼筋混凝土核心筒。3種方案的相關指標對比見表1所示。

表1 3種方案性能指標對比

受剪承載力、抗震性能是對比分析的關鍵內容，下面分別論述。

2.3.1 受剪承載力控制

從受剪承載力控制方面來看，方案3 是最優的。因為該方案中的鋼管混凝土柱大幅增加了混凝土柱的抗壓強度，通過外圈鋼管對里面混凝土的套箍作用，混凝土在三向受壓狀態下具備了延性的受力特性，使得原本脆性的混凝土更加抗壓。鋼管混凝土柱的承載力等于單獨鋼管承載力加上單獨混凝土承載力的和的1.7 倍，表面通過采用鋼管混凝土柱的結構形式，利用外圍鋼管抵抗混凝土的負面效應，可以在一定程度上提高承載力。所以方案3的受剪承載力最大。

2.3.2 抗震性能

通過結構設計軟件（pkpm）對3 種方案分別建模，采用SATWE 模塊分別對3 種方案的地震作用進行計算，計算結果對比見表2。由表2可見，方案1中采用加大柱面積來減小柱軸壓比，外框柱截面已增加到1700mm，導致底部的框架柱接近短柱，增加了受剪力破壞的風險，降低抗震性能;方案2 中外框柱截面比方案1 減小了500mm，且柱軸壓比也減小，說明抗震性能有所提高；方案3 的鋼管混凝土柱具有更高的受剪承載力，這是因為鋼管混凝土柱的結構形式能夠提高混凝土的抗壓強度和延性，增加了承載能力，在抗震性能方面，方案3 具有最小的底層地震剪力，表明方案3 在抗震性能方面最優。

表2 3種方案的抗震性能計算結果

通過對3種組合結構體系方案的比較和分析，得出方案3在受剪承載力和抗震性能方面具有較好的性能。

3 結束語

本文結合具體的高層建筑工程案例，從結構形式及材料組合兩個方面分析了高層建筑結構方案設計。對3 種結構形式及材料組合方案進行了對比研究，方案1 為鋼筋混凝土框架核心筒，方案2 為型鋼混凝土柱-鋼筋混凝土梁框架和鋼筋混凝土核心筒，方案3 為鋼管混凝土柱－鋼梁框架和鋼筋混凝土核心筒，通過對最大地震剪力、最大層間位移角、剪重比及柱軸壓比等關鍵性能指標進行計算及結果對比分析，得出方案3的受剪承載力最大、抗震性能最好、經濟效益最佳，符合該工程項目的性能要求。