本文轉自：《高層鋼筋混凝土框架/混合框架——核心筒體系技術經濟比較》 作者：周紅梅、葉甲淳、謝忠良。
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0 引言
在我國 100 ~ 200m 的超高層建筑中,混合框架-鋼筋混凝土核心筒混合結構體系的應用逐漸增多。 選擇屋面高度分別為118,150,177m的三個具有較強代表性的工程實例,對三幢建筑分別采用鋼筋混 凝土框架-核心筒結構體系( 簡稱“混凝土結構體系”) 和采用鋼管混凝土框架-鋼筋混凝土核心筒結 構體系( 簡稱混合結構體系) 進行設計和計算分析, 對每個工程的兩種不同結構體系進行具體對比,對每種結構體系隨高度增加顯現出的規律進行探討, 從技術和經濟兩方面對這兩類超高層建筑結構體系進行一些分析。
1 工程實例概況
選取的工程實例均為地處杭州的已建和在建工程,三個項目分別為杭州坤和中心、中華航空大廈和 亞包大廈,項目的概況見表 1,結構平面布置和效果 圖見圖 1 ~ 3。
在混合結構體系中,杭州坤和中心采用方鋼管 混凝土柱,中華航空大廈和亞包大廈采用圓鋼管混凝土柱; 樓面梁均采用 H 型鋼梁或箱型鋼梁,樓板采用壓型鋼板組合樓板或鋼筋桁架組合樓板。鋼框 架梁與外圍鋼管混凝土柱剛接,與鋼筋混凝土核心筒之間的連接,中華航空大廈全部為鉸接,杭州坤和中心和亞包大廈在核心筒角部采用剛接,其余部位 采用鉸接。為了有利于剛性連接,同時增強核心筒角部延性,在核心筒角部設置了型鋼。鋼材均采用 Q345B 鋼,混凝土強度等級為C60~C30。
2 結構計算分析及結構性能對比
選用 SATWE 分析軟件對三幢建筑的兩種結構體系進行了整體分析計算。采用考慮扭轉耦聯振動 影響的振型分解反應譜法,對結構做了多遇地震作 用下的整體彈性分析,計算結果詳見表 2。
(1)總質量減少約20%杭州坤和中心減少
20% ,中華航空大廈減少 19% ,亞包大廈減少19% ( 以下均按此項目排序進行比較) 。混合體系單位面積質量約為1 200 ~1 400kg/㎡，混凝土結構體系為1 500 ~1 700kg/㎡。
( 2) 墻柱最大組合軸力減小
總基底墻柱最大組合軸力減小幅度分別為: 17% ,16% ,18% ; 外圍框架柱基底最大組合軸力減小幅度分別為 29%,26% ,24% 。
( 3) 結構抗側剛度減小
第一、二階周期明顯加大。第一階周期分別增加 0. 21,0. 51,0. 44s; 第二階周期分別增加 0. 35, 0.32,0. 13s。
( 4) 地震效應減小
地震荷載作用下基底總剪力: X 方向均減小16%,Y 方向減小15% ~17%; 基底傾覆彎矩: X 方向分別減小25%,19%,18%,Y 方向分別減小23% ,17% ,16% 。
( 5) 風荷載效應增大
剛度減小,結構自振周期增大,因此風荷載效應增大。風荷載作用下,X 和 Y 方向基底剪力增大的 百分比分別為: 9. 5% ,9. 0% ,8. 7% ; 基底傾覆彎矩 增加 1 0 . 5 %,1 0 . 0 % ,9 . 7 % 。
( 6) 風載作用下的層間位移角增幅大于地震作用下的增幅。結構剛度變柔,風效應增大,風載作用下,層間位移角增加 39% ~ 114% ; 地震荷載作用 下,層間位移角增加 10% ~ 35% 。
( 7) 框架層剪力分擔率減小
地震荷載作用下,鋼筋混凝土框架分配到的層剪力為 9% ~ 35% ,混合框架分配到的層剪力只有3. 5% ~ 25% ,兩種形式框架部分分配到的剪力百分比曲線對比見圖 4。圖中虛線所示,混合結構體系的框架柱分配的層剪力大多達不到 20% ,下部樓層甚至達不到 10% ,絕大部分剪力由核心筒承擔。
抗震設計時,框架部分分配的樓層地震剪力標 準值的最大值與結構底部總地震剪力標準值之比: 混凝土結構為12% ~23%,混合結構為8.2% ~ 13.40%。
( 8) 隨著建筑高度增加,結構風載效應增大,兩種結構體系的風載效應隨高度增幅基本相同。
( 9) 隨著建筑高度增加,結構地震荷載效應增大,地震荷載效應的增幅小于風載效應增幅。
3 基礎設計及對比
三個工程均設三層地下室,基礎形式均采用樁 筏基礎,其中杭州坤和中心采用樁徑1 000mm 的鉆 孔灌注樁,持力層為中風化泥質粉砂巖,有效樁長 44 ~57m,單樁承載力特征值為5 350kN,每樁的造 價約32 000元( 以樁長 50m 計) ; 中華航空大廈及亞包大廈均為樁徑 850mm 的鉆孔灌注樁( 壓力注 漿) ,持力層為圓礫層,有效樁長約為30m,單樁承 載力特征值分別為4 850及4 500kN,每樁的造價約 23 500元。采用混合結構體系時,三幢建筑總樁數 分別減少 28,34 和 52 根,比混凝土結構體系減少約 16%~18%,樁基造價分別節約90,80萬元和122 萬元。基礎底板厚度減小 0. 2 ~ 0. 3m,可減少造價 約 15 ~ 30 萬元。
4 結構構件設計及對比
結構主要構件尺寸對比詳見表 3。
( 1) 采用鋼管混凝土柱可大幅減小柱的斷面,增加有效使用面積。以 KZ1 為例,坤和中心減少約73% ,中華航空大廈減少約 75% ,亞包大廈減少約 74% ; 柱截面減小使坤和中心下部樓層單層有效面 積增加約16m2 ,中華航空大廈增加 16m2,亞包大廈 增加約 24m2 ,達到標準層面積的 1.1% ~ 1. 3% 。
( 2) 結構梁板總高度可適當降低。鋼梁高度加上樓板厚度之總高度比混凝土梁高減少大約 40 ~ 90mm,降低幅度不大。
( 3) 部分設備管線從鋼梁腹板的開洞處穿越, 可以減小吊頂高度,有效增加樓層凈高。做好綜合 管線設計,在保證樓層凈高不變的情況下,每層設備管線占用高度減少100mm,則有可能增加出一個樓 層,產生可觀的經濟效益。
( 4) 采用鋼管混凝土柱可更好地滿足建筑立面和功能需求。以坤和中心為例,由于建筑立面要求纖細的密柱效果,若采用混凝土柱,柱寬加上兩側干掛石材的厚度,總寬度近900mm,改用鋼管混凝土柱后建筑外包寬度減小為700mm,解決了建筑與結 構間的矛盾,使建筑呈現出不同效果。同時外柱變小,使室內的采光更好,視野更開闊,功能得到提升。
( 5) 按剛度分配框架的層剪力分擔率較小時, 應加強核心筒抗震性能。混合結構外圍框架剛度較小,有必要加強混凝土核心筒的側向承載能力, 以保證核心筒的抗震性能。為提高核心筒的延性,坤和中心采取了以下措施: 在核心筒角部設角柱,并內設型鋼( 也便于剛接) ,加強角部配筋,以 加強筒體角部延性和受力性能,同時加強了核心筒的抗震構造; 核心筒部分墻體加厚,以控制墻體剪應力; 在樓層標高處均設鋼筋混凝土暗梁; 連梁內配置交叉暗撐。
( 6) 鋼梁應考慮與樓板的組合形成組合梁。組合梁可大幅提高受力和變形性能,有效減少鋼梁用鋼量。簡支梁和框架梁的跨中均應考慮梁板組合作 用,注意框架梁的上部負彎矩不應考慮梁板組合作用,可在梁柱( 墻) 節點處加腋,增強支座的抗彎能力,提高鋼梁整體的受力性能。
( 7) 組合梁中鋼梁上翼緣可適當減小以充分發揮上部混凝土板的組合作用,降低用鋼量。
5 上部結構材料用量及經濟性對比
兩種體系上部結構材料用量及造價計算結果詳見表 4。對比表中數據可以看出:
( 1) 單純就上部建筑的結構部分的( 僅地下室 以 上 梁 柱 板 墻 ,不 計 門 窗 、幕 墻 、內 隔墻 、裝 修 、電 梯 、 設備等) 造價而言,混合結構體系的相比混凝土結構體系的增加較多。坤和中心造價增加1 800萬元, 增幅為 63%; 中華航空大廈增加2 134萬元,增幅 62% ; 亞包大廈增加2912萬元,增幅 53% 。
( 2) 隨建筑高度增加,混合結構的造價增加幅 度比混凝結構的減小。
( 3) 與混凝土結構相比,混合結構可大幅度節約 混凝土材料用量。混凝土用量節約的幅度,坤和中心 為 36% ,中華航空大廈為 32% ,亞包大廈為 32% 。
( 4) 混合結構中,鋼筋混凝土部分的造價占總造 價的百分比隨高度增加而增加。三幢建筑鋼筋混凝土造價占總造價的百分比分別為 39% ,42% ,44% 。
( 5) 隨著建筑高度增加,地下室以上結構部分造價的增幅,混合結構的要小于混凝土結構的。
6 綜合技術和經濟分析
6.1 技術分析總結
( 1) 對于 100 ~ 200m 的超高層建筑,兩種結構體系均適用。混合結構體系與混凝土結構體系相比,總質量減小約 20% ,風載效應增大約 10% ,地震效應減小約 15% ~ 25% ,梁柱構件尺寸減小,有效 使用面積增加。
( 2) 外圍框架部分的剛度,能否起到二道防線 作用,是這兩種結構形式設計的核心問題。框架部分按側向剛度分配的樓層地震剪力標準值的最大值不宜小于結構底部總剪力標準值的 10% 。三個項目混凝土結構可達 12% ~ 23% ,而混合結構只有 8% ~13.4%。混合結構外圍框架的剛度設計應具 體斟酌,不應過弱,當不滿足10% 的要求時,各層框架地震剪力標準值應按結構底部總剪力標準值的 15% 進行調整。
( 3) 混合結構體系應更加重視和加強核心筒的設計。兩種結構形式內部核心筒的尺度、剛度相差不大,變化大的僅是外圍框架部分。混合框架比混 凝土框架剛度小,分擔的地震剪力更小,整個建筑的抗震性能很大程度取決于核心筒,保證核心筒的延 性十分重要。當框架按剛度計算分配的最大樓層地震剪力小于結構總地震剪力的10%時,核心筒承擔 的地震作用應加大,甚至讓筒體具有承擔100%的地震剪力的能力。規范規定此時核心筒墻體地震剪力宜乘以 1. 1 增大系數,而且將核心筒抗震等級提高一級。
( 4) 混合結構與混凝土結構相比,自重減輕,地震效應減小,加之延性較混凝土結構好,通過合理設 計,混合結構的抗震性能優于混凝土結構。本文對比的建筑位于低烈度區( 6 度) ,地震荷載較小,風荷載起控制作用。在更高烈度區地震荷載起控制作用 的情況下,混合結構的優勢應更明顯。
( 5) 混合結構工廠化程度高,施工周期短,更為 環保。采取交錯施工的方案,混凝土核心筒的施工比鋼框架的安裝提前 4 ~ 5 層,作為鋼框架施工時的 穩定支承,使周邊鋼框架易于施工; 梁、柱的施工省去了綁扎鋼筋、支模拆模和等候養護等過程; 樓板采用壓型鋼板做模板,上澆鋼筋混凝土樓板,可多層同時操作,不必像混凝土結構施工時必須等混凝土達到一定強度后才能進行下一層施工,可有效加快施工速度。
( 6) 與鋼筋混凝土柱相比,鋼管混凝土柱具有明顯優勢。柱截面面積減少約 70% ~ 75% ; 施工方便,不需要支模,也不受混凝土養護時間限制; 鋼管對混凝土的約束使混凝土抗壓強度得以提高; 混凝土的填充限制了鋼管的局部屈曲,使鋼材強度更好地發揮,也使鋼管的防火性能提高; 鋼管混凝土柱的延性更好。
( 7) 鋼管混凝土應用中尚存在一些問題,如管內混凝土在硬化過程中的收縮導致管壁與混凝土粘 結不緊密、長期混凝土徐變對鋼管與混凝土整體性的影響等問題尚需進一步研究。
( 8) 混合結構需作防腐與防火處理,并需要后期維護。
6.2 經濟分析總結 混合結構體系與混凝土結構體系相比,綜合經濟比較如下:
( 1) 上部結構造價增加約 53% ~ 63% ,樁基基礎造價節省約 16% ~ 18% ,綜合后結構造價的增加值如下( 折合面積僅計地下室以上的面積,若計入包括地下室在內的整個工程總面積,則單位面積增加的造價相應降低) : 坤和中心為1 690萬元,折合單位面積增加347元/m2;中華航空大廈2034萬元,折 合單位面積增加366元/m2;亞包大廈2760萬元,折合單位面積增加363元/m2。
( 2) 由于上部結構的造價僅占整個工程總造價的小部分,假設整幢建筑的單位面積總造價為3 500 元/m2,三個項目采用混合結構所增加的造價分別為建筑總造價的 9. 9% ,10. 5% ,10. 4% ,可知采用 混合結構增加的造價占整個工程總造價的比例約為 1 0 % ( 鋼 結 構 造 價 按 0 . 8 5 萬 元 / t 計 算 ) ,若 鋼 結 構 造價按 1 萬元 /t 計算,增加的造價大約占工程總造價的12%。
( 3) 鋼梁的應用使結構和設備所占高度減少, 在滿足凈高要求下降低層高,由此可使建筑總層數 得以增加 1 ~ 2 層。以杭州坤和中心為例,在保證樓 層凈高不變的前提下,標準層層高由原來 3. 6m 降 低為3. 45m,每層減少 0. 15m,24 個標準層累計減 少3. 6m,整個建筑增加了 1 層,經濟效益可觀。
( 4) 柱截面大幅減小,有效使用面積增加,下部樓層有效面積可增加 1% 以上,為使用者帶來實實在在的利益,也為建筑立面和功能布局提供更有利的條件。
( 5) 良好的施工組織可使混合結構建造工期縮短,產生相應經濟效益。
7 結語
對上述兩種結構體系選型應結合工程具體條件、工期、造價、建筑效果等因素綜合考慮。混合結 構在超高層建筑中具有一定的綜合優勢,因而發展 趨勢較好,目前制約混合結構發展的主要因素有:
1) 造價較高;
2) 有關研究和規范編制相對滯后;
3) 設計人員更熟悉傳統混凝土結構的設計;
4) 對兩種結構形式的工程對比經驗有限。
