结构轻骨料混凝土在金鹰财富中心工程的设计应用

2012-06-13周含川杨再富

重庆建筑 2012年8期

周含川，杨再富

（1重庆市设计院，重庆 400015；2重庆建工新型建材有限公司，重庆 401122）

0 引言

轻质高强材料是结构设计追求的永恒主题，混凝土结构的应用已经有了百多年历史，目前在结构材料中占据重要地位，然而由于自重较大也长期受到诟病，结构看起来“肥梁胖柱”，不但不美观，也导致地震力过大。轻质混凝土结构一直是混凝土发展的重要方向。轻骨料混凝土是轻质混凝土中研究发展较成熟的一个分支，结合重庆地方特色，采用蕴藏丰富的页岩作为原料加工成陶粒，利用高强陶粒作为混凝土的骨料。此项研究已经长达10年之久，且具备了生产、设计、检测、运输和浇筑等各项技术条件，将该技术运用于工程实践已经初步具备条件。

1 项目简介

“解放碑金鹰财富中心”工程位于重庆市渝中区解放碑旁，系扬子岛大厦部分裙楼，建于20世纪90年代初期，属大修解危工程。其主要结构类型为现浇密肋无梁楼盖。原层高3.6m、原柱距7.2m，如果不增加层高，改变柱距，很难引进国际高端品牌。为了达到层高要求，符合业态调整，满足国际一线品牌入驻条件，经多方征求意见后，决定对其正负零以上部分拆除重建。改造部分地面以上共6层，建筑高度25.7m，占地面积1544.8 m2，改造区域建筑面积10503.02m2；其中地上面积9517.79 m2，地下层商业面积985.23 m2。建筑类别为高层公共建筑，耐火等级均1级，抗震设防烈度为6度，建筑设计使用年限为原建筑的后续使用年限。

2 方案比选

2.1 设计条件及目标

2.1.1 设计限制条件

⑴不改变基础及地下室结构，地下室相邻的扬子岛大厦设备用房不能停止运营，地下室无产权也无法进行加固及改变原结构形式。

⑵此次改造为扬子岛大厦裙楼部分，改造结构应尽量减小对主楼的影响。

⑶新建建筑不影响原地下结构的安全。

⑷建建筑不超过规划限高。

2.1.2 设计目标

⑴在不改变基本跨度的前提下将原来7.2m标准跨度增大，提供商业大空间，即将部分中柱取消跨度变大。

⑵提高首层商业的层高（见图1）。

图1 项目效果图

2.2 设计方案比选

2.2.1 普通现浇钢筋混凝土框架结构方案

由于原结构裙楼属现浇钢筋混凝土框架结构，因此首先考虑用原方案结构体系进行设计。但考虑到设计目标中局部跨度增大一倍，柱底内力将增大，对地下室柱可能造成不利影响，经建模计算分析结果表明，柱底轴力需比原设计增大约20%~40%。如果仍采用普通现浇钢筋混凝土结构体系只有减少楼层，鉴于该项目位于商业价值极高的黄金地段，减少楼层将带来巨大的经济损失，此方案不可行。

2.2.2 钢结构框架方案

图2 平面布置

根据上面分析，由于抽柱增加了跨度，要在更大的负荷面积下满足柱底内力不超过原设计，只有减轻结构自身重量。钢结构具有重量轻，强度高的优点。经过建模计算，钢结构方案能够实现增加跨度的同时不增加柱底轴力，为可考虑方案。此方案施工速度较快，但是造价较高，防火性能和耐久性能较差（指的是在建筑使用期要进行防腐涂料更换），由于此次设计为高层裙楼的改造，原结构方案为钢筋混凝土方案，而钢结构方案将改变原结构形式，钢结构与原混凝土结构刚度差异较大，钢结构阻尼与混凝土差异较大，采用此方案将对主楼产生诸多不利影响。

2.2.3 轻质现浇钢筋混凝土框架方案

目前轻质混凝土分为结构用轻质混凝土和非结构用轻质混凝土，该工程主要关注结构用轻质混凝土。结构用轻质混凝土又分为全轻混凝土和轻骨料混凝土。根据建模计算由柱底内力反推混凝土容重，确定采用容重1800级混凝土来满足设计需求。考虑到经济性及当地资源和生产的特点，最终选择了页岩陶粒作为轻骨料。柱内采用LC40,梁板采用LC30轻质高强陶粒混凝土[1-2]。

采用轻骨料混凝土与普通钢筋混凝土方案相比，不但解决了结构自重过大的问题，保证了建筑功能对大开间抽柱的需求，还不减少总层数，带来了综合效益；与钢结构方案相比，轻骨料混凝土与原结构采用相似材料，刚度相似，阻尼比基本相同，对主楼的影响最小，而且耐久性和防火性能好，造价与钢结构方案相当[3]（见图2～3）。

图3 结构模型示意图

2.3 轻骨料钢筋混凝土结构的设计特点

2.3.1 结构自重轻

一般情况下结构构件自重为建筑物总重量约60%~85%（建筑层数越高比例越高），与普通混凝土相比，结构轻骨料混凝土是普通混凝土重量的65%~85%，所以使用轻骨料混凝土建筑总重量约为普通混凝土的70%~90%。对于梁板类受弯构件，当计算配筋时，配筋量与荷载成正比；对于墙柱类受压构件，截面面积与荷载成正比。所以采用轻骨料混凝土能较明显地节约钢材，使每平方米含钢量下降5%~15%；并减小柱、墙构件的截面面积，增加得房率，带来较好的经济效益。

2.3.2 保温隔热效果好

由于轻骨料混凝土骨料内部有较多密闭孔洞，具有密闭孔洞的材料有更好的防火保温效果。表1看出合理的设计可以实现楼面结构自保温。

表1 轻骨料混凝土的导热系数

2.3.3 弹性模量较小

以同等强度对比LC30和C30的弹性模量见表2，设计时应当注意对参数进行调整。注意复核挠度及变形要求，挠度较大时提出起拱要求。

表2 混凝土的弹性模量（×104MPa）

2.3.4 收缩徐变与普通混凝土相当

当需要考虑收缩徐变进行计算时，可参考规范[1-2]及相关资料[4]。

3 施工过程及调整

该工程于2011年4月完成施工图设计和审查，在混凝土浇筑过程中设计方同业主、监理、施工方密切合作，解决技术问题，施工过程无重大变更，工程质量良好。工程于2012年6月主体结构已经验收，国际品牌主力门店已开业。

4 设计总结及展望

4.1 设计总结

设计是在现有具体技术经济条件下做出最优的选择。根据工程的特点进行概念设计，对比多个方案，提出了以轻质高强的混凝土作为结构主材。

设计工作还是一种实践性很强的工作，需要在总结成熟经验的基础上进行。国家相关规范规程规定就是最好的技术支撑，《轻骨料混凝土技术规程》GJG51-2002为设计采用轻骨料混凝土提供了直接的技术支撑。

设计也不能墨守成规，还需要创新，但创新更需要充分的依据。虽然在此之前，重庆并未进行过轻骨料混凝土的工程实践，但其他省市的成功经验可以作为示范。重庆轻骨料混凝土的研究工作已有10年之久，试验结果较好，具有指导生产、泵送和浇筑的能力；生产厂家也初具生产高强陶粒的能力。基于此，设计方大胆假设，小心求证，最终确定了采用页岩陶粒轻骨料混凝土作为结构柱梁板的主要材料。