某高烈度区超高层建筑结构体系比选分析

刘利艳，阙德兴，王亚丽

（1、广州市设计院集团有限公司 广州 510620；2、华南创图设计有限公司 广州 510080；3、广州市吉华勘测股份有限公司 广州 511400）

1 工程概况

高烈度区某超高层综合体项目主要功能为办公和公寓，建筑剖面如图1 所示。地上25 层，地下3 层，房屋高度127.940 m，首层为办公大堂，二层为商业，3～7 层为低区办公区，8 层和15 层为避难层，9～23 层（15 层除外）为高区公寓区。避难层层高6.25 m，办公和公寓的层高均为4.5 m。该工程建筑结构安全等级为二级，设计使用年限50 年，建筑抗震设防类别为标准设防类，结构所在地抗震设防烈度为8 度（0.30g），设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，设计特征周期0.40 s，基本风压值ω0=0.75 kN/m2，地面粗糙度类别为B类，地基基础设计等级为甲级。

图1 建筑剖面Fig.1 Building Section

2 结构体系比选及分析

2.1 结构布置及模型建立

根据建筑平面功能的特点及要求，在结构方案设计阶段考虑了3 种不同的结构布置，分别建立了3 种结构体系［1-3］模型。3 种模型采用相同的核心筒平面布置，并且根据建筑布局的特点，外框柱保持位置一致，加密柱时考虑在现有柱位之间进行增设，在满足整体指标的条件下对外框柱和核心筒剪力墙进行尺寸变化。底部竖向构件的尺寸由轴压比控制，顶层外墙收到400 mm，内墙收到200 mm，框架柱收到700 mm×700 mm。框架梁的尺寸在满足受力的前提下，将配筋率控制在经济配筋率1%～2%左右。型钢柱含钢量均在4%～5%左右，经过初步计算后，若层间位移角不满足《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［4］的要求，通过合理地设置加强层的方法增加其刚度，使其在规范限值以内来进行比较，主要结构构件设置情况如表1所示。

表1 结构构件设置情况对比Tab.1 Comparison of Structural Member Settings

方案1 为型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒的混合结构［5］，如图2⒜所示，楼盖体系为钢梁+钢筋混凝土楼板，在第15 层避难层设置加强层，加强层形式为X、Y双向钢桁架伸臂。核心筒外筒墙肢混凝土内置型钢，外框柱采用内置型钢混凝土，外框柱距为9～15 m，框架梁与框架梁、框架梁与外框柱、核心筒刚接，次梁与框架梁和核心筒铰接。

图2 结构平面Fig.2 Frame Tube Hybridstructure Plan

方案2 为钢筋混凝土框架-钢筋混凝土核心筒的混凝土结构［6-7］，如图2⒝所示，楼盖体系为钢筋混凝土梁+钢筋混凝土楼板，在第15 层避难层设置加强层，加强层形式为Y向钢桁架伸臂。核心筒外筒墙肢混凝土内置型钢，外框柱采用内置型钢混凝土，外框柱距为9～15 m。

方案3为在方案2的基础上加密外框柱形成密柱框架-核心筒结构［8-9］，如图2⒞所示，不设加强层，楼盖体系为钢筋混凝土梁+钢筋混凝土楼板，核心筒外筒墙肢混凝土内置型钢，外框柱采用内置型钢混凝土，外框柱距为3～8 m，同时外框柱截面尺寸相应减小。

2.2 结构体系特点分析

按照文献［4］第3.3.1和11.1.2条规定，方案1的型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构，房屋高度127.940 m 未超过混合结构高层建筑本烈度区适用的最大高度130 m，不属于超限高层建筑；方案2的钢筋混凝土框架-核心筒的混凝土结构，房屋高度127.940 m超过了120 m 的B 级高度限值，属于超B 级高度的超限高层建筑；同理，方案3 的加密外框柱形成密柱框架-核心筒结构也属于超B 级高度的超限高层建筑。因此，方案2 和方案3 均需在初步设计阶段进行抗震设防专项审查。

3 结构计算及分析

3.1 整体指标对比

对3 个方案进行小震和风荷载下的弹性分析，得到结构整体性能指标，如表2所示。

表2 方案计算结果对比Tab.2 Comparison of Scenario Calculation Results

3.2 抗侧效率分析

根据计算，该情况下3种模型均由最大位移角（地震）起控制作用。3 种抗侧力体系在地震作用下的层间位移角如图3 所示。X方向上，框筒混合结构的最大层间位移角为1/847，位于21层，框筒混凝土结构最大的层间位移角为1/796，位于20层，密柱框筒混凝土结构最大的层间位移角为1/832，位于20 层。对于Y方向，框筒混合结构的最大层间位移角为1/753，位于22层，框筒混凝土结构最大的层间位移角为1/787，位于21层，密柱框筒混凝土结构最大的层间位移角为1/763，位于21层。根据文献［4］，3种结构体系的层间位移角限值均为1/800，结合当地建筑工程结构专业施工图审查补充规定：①对于8度0.3g场地的建筑物，地震作用下的最大层间位移角超出规范限值的幅度不应大于6%；②当个别参数超出规范限值的幅度不大于3%时，可视为满足文献［4］要求；因此，经分析，少数位移角指标在超出规范限值的幅度在6%与10%之间，可视为满足要求。从表2 可以看出，3 种结构体系的层间位移角均满足1/752的要求。

图3 地震作用下位移角Fig.3 Displacement Angle under Seismic Action

方案1混合结构由于采用钢梁，抗侧刚度略弱，加强层需X、Y向双向伸臂；方案2采用混凝土梁，加强层仅需设X向伸臂，且方案1的结构自振周期相对方案2减小，表明加强层伸臂在增加结构刚度和控制结构位移方面有效果；方案3虽然取消了加强层，但外框柱距减小形成密柱框架-核心筒结构能提供足够的刚度，结构自振周期和最大层间位移角均与前两个方案相近。以上结果直接反映了此种情况下，密柱框架-核心筒结构的抗侧刚度最好，框筒混凝土结构其次，框筒混合结构最次。

3.3 薄弱层及内力突变分析

方案1、方案2 为提高结构整体刚度，设置了加强层，由图4可知，在加强层附近刚度比出现明显的突变，如方案1的X、Y向设置加强层，14层X向刚度比为0.98，Y向刚度比为0.94；方案2的Y向设置加强层，14层Y向刚度比为0.93，均出现了薄弱层。而方案3由于未设置加强层，没有出现薄弱层，各楼层刚度平稳过渡。

4 综合比选分析

4.1 建筑功能影响

方案1 和方案2 的框架-核心筒由核心筒与外围稀柱框架组成的高层建筑结构框架，框架-核心筒结构的建筑平面布置灵活便于设置大空间，方案3 的密柱框架-核心筒结构的外框柱柱距较为适中，也能较好地适应建筑结构设计对于建筑功能与外形的要求。建筑使用效率此处指扣除竖向构件后楼面实际可以使用的面积与楼面建筑总面积之比。3种结构体系建筑使用效率如表3所示。

由表3 可知，3 种结构的建筑使用效率差别不大，都在96%左右。

4.2 经济性分析

影响超高层建筑结构造价的因素较多，如建筑体型、结构体系、结构材料等［10-12］。本文造价仅从材料的用量方面考虑，即：混凝土的用量，钢筋的用量，型钢的用量。为方便比较，3 种结构体系的材料设置均相同，墙、柱混凝土等级釆用C45～C55，楼板与梁釆用C30，钢筋釆用HRB400，型钢釆用Q345，采用当地综合单价：砼单价为1 335元/m3，钢筋单价为7 600 元/t，型钢单价为13 500 元/t，对比分析后具体用量如表4所示。

从表4 可以看出，框筒混合结构由于型钢用量大，造价远高于框筒混凝土结构和密柱框架-核心筒混凝土结构，框筒混凝土结构的造价稍高于密柱框架核心筒混凝土结构的造价，即方案2 相对于方案1 节约19.5%，方案3相对方案1节约29.9%，方案3相对于方案2节约12.9%。

4.3 设计及施工周期影响分析

方案1 的混合结构体系为非超限高层建筑，不需进行结构抗震超限审查，设计周期相对较短；另混合结构中的钢梁需附加防火、防腐费用，竣工后每10～15年需重刷一次防火、防腐漆，后期维护较麻烦。方案2和方案3均为混凝土结构体系，属于超限高层建筑，需要进行结构抗震超限专项审查，设计周期稍长，基本无后期维护费用。

混合结构和混凝土结构均为常用的超高层结构体系，不存在较复杂或有难度的施工工艺，一般来说，混合结构施工速度稍快，与混凝土结构比较，每层工期大概可节省2～3 d。

5 结语

本文以某高烈度区127.94 m 超高层办公楼为研究对象，通过3种不同结构体系的各项整体指标对比，结合建筑功能、经济性及设计、施工周期影响进行综合比较，结果表明：

⑴密柱框架-核心筒结构受力性能优于框架-核心筒结构，体系的外框架部分能够承担足够比例的地震剪力与倾覆力矩，具有较好的共同受力性能、抗侧刚度和抗震性能。

⑵密柱框架-核心筒结构无需设置刚性加强层，沿结构高度无显著的刚度突变，避免了结构薄弱层的出现。

⑶密柱框架-核心筒结构型钢用量少，总造价低，具有较大的经济优势。

因此，在建筑平面和设计周期允许的条件下，高烈度区超高层可通过加密外框柱以形成密柱框架-核心筒结构的方式来增加外圈框架刚度，能在受力和经济上取得较好的效果，供高烈度区类似工程参考选择。