关于西安某超高层综合体结构计算方案分析

袁文健

摘 要：通过对某超高层建筑结构方案的选型分析，结合计算得出高烈度区大高宽比且核心筒偏置的超高层的建筑的结构刚度解决办法。

关键词：超高层;型钢混凝土框架;钢筋混凝土核心筒结构;高宽比;核心筒偏置

一、工程概况

拟建工程位于陕西省西安市雁塔区，建筑物檐口高度141.3米，地下3层，地上38层无裙房，属于超高层建筑。地下室为车库和设备用房，其中地下三层和地下二层层高3.9m，地下一层层高6.45m，地上首层～四层为办公用房，其中首层层高6m，二层层高4.5m，三、四层层高4.2m，五层及以上各层为公寓，层高均为3.6m，十三层和二十七层设有两个避难层兼做设备层。用地面积8501㎡，总建筑面积47125㎡，其中地上建筑面积30605㎡，容积率3.6。结构安全等级为二级，设计使用年限50年，抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为8度（0.2g），设计地震分组为第二组，场地土类别按II类，基本风压0.40KN/㎡（重现期100年），地面粗超度为B类。

二、工程难点

由于用地限制，本工程超高層地面以上东西方向开间尺寸只有17.1m，南北方向进深尺寸41.7m，平面面积707㎡，平面长宽比2.44，建筑物高宽比更是高达8.29，超出规范规定值6较多，结构东西向抗侧力刚度较差。由于平面本身的限制，核心筒尺寸紧张导致核心筒上洞口较多较大，核心筒的完整性较差。

三、方案初选

考虑到以上工程难点，本建筑若采用钢结构体系，规范规定抗震设防烈度8度时钢结构框架结构的最大适用高度仅为90m，做不到超高层范围;若采用钢结构框架-中心支撑或钢结构框架-偏心支撑建筑物高度可以分别达到180m和200m，满足本建筑高度要求，但是钢结构支撑势必破坏建筑物外立面效果，这对于追求外墙窗户最大化的建筑专业来说很难接受，同时由于建筑物功能定位的关系，钢结构需要定期维护的特点为业主方所不容;由是建筑物结构体系首先排除钢结构。本建筑东西向抗侧力刚度过于薄弱，若采用钢筋混凝土筒中筒结构按4m柱距17.1m的开间尺寸也仅能布置5根柱子，且此密柱方案对建筑功能影响较大，柱截面尺寸也受到限制，相较于布置4根较大柱子的方案其对结构整体抗侧力刚度的提升幅度不大，且减少一根柱子可以明显改善空间舒适度;另外与框架—核心筒结构相比，规范对于筒中筒结构楼层层间最大位移与层高之比的限值1/1000较框架-核心筒结构1/800的限值却提高了很多，若一种结构体系对于结构整体抗侧力刚度提升有限，其整体指标却被规范限制的更加严苛，显然此种结构体系并不是理想选择;最后本建筑物平面长宽比为2.44，同样不符合《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第9.3.2条筒中筒结构“矩形平面的长宽比不宜大于2”的规定，即本工程按筒中筒结构设计效率较低，建筑物结构形式进一步排除钢筋混凝土筒中筒结构。对于超高层建筑来说，建筑物竖向荷载较大，采用普通钢筋混凝土柱需要较大的截面尺寸，建筑物室内空间损失较大得房率低，另外规范规定B级高度钢筋混凝土框架-核心筒结构最大适用高度 140m，本建筑物檐口高度刚刚超出此限，综合考虑建筑物按混合结构进行设计，结构体系采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构。

四、平面推敲

最初建筑方案是核心筒居中，结构平面布置如图一（右边是北）。角柱及南北两侧边柱劲性混凝土框架柱钢骨采用钢管，东西两侧边柱劲性混凝土框架柱钢骨采用H型钢，框架梁采用钢筋混凝土梁，中间钢筋混凝土核心筒与框架柱对应轴线处4道剪力墙墙厚1m。

由于建筑物东西向平面宽度只有17.1m，核心筒开间尺寸8m，核心筒外侧上下宽度各自只有4.55m，房间内部净宽只有4.3m左右，减掉1.2m左右的框架柱尺寸，最窄处更是只剩3.3m左右，而三个柱跨的平面长度却有22.1m，建筑专业认为该方案过于狭长的平面布置不利于实现房间功能，强行设计的方案效果也会大打折扣，于是推翻了图一方案，决定将核心筒推至东边，形成核心筒偏置的平面布置，结构平面布置如图二。

核心筒偏置导致东侧的四根框架柱与核心筒剪力墙重叠，削弱了平面短向的抗侧刚度，反映在整体结构上平面短向位移角有较大幅度的上升，为此在核心筒外侧4道主剪力墙对应位置增加同主剪力墙等厚的短墙，长度为2m，该短墙与核心筒之间通过强连梁连接，且垂直方向设置剪力墙与其连接。

图二方案结构整体指标计算有难度，且核心筒完整性较差，经与建筑专业商量将与4道短墙相连的两端跨剪力墙推到外侧，形成如图三的结构平面布置图。

图三方案核心筒以外的剪力墙平面形状有了层次感，该部分剪力墙在某种程度上甚至可以看做是核心筒的延伸，平面刚度有所加强，下一步就是加强核心筒东侧外墙的完整性，经与建筑专业沟通，建筑专业做出了适当让步，形成如图四的结构平面布置图。

图四方案核心筒的完整性得到了加强，建筑专业空间上处理起来也比较合理，是一个建筑结构都能接受的方案，结构专业接下来要做的工作是继续深化计算。

五、深化计算

建筑物地上第十三层和二十七层设有两个避难层兼设备层，为了增加结构平面短向的刚度，可以考虑利用避难层设置两个结构加强层。加强层分别尝试了以下几种形式：a.平面长向两侧山墙设置高度接近层高的大梁，配合核心筒4道主剪力墙位置与框架柱相连的4根框架梁适当加大截面;b. 核心筒4道主剪力墙位置与框架柱之间设置4道伸臂桁架;c.上述a.b两条配合使用，即平面长向两侧山墙设置高度接近层高的大梁，核心筒4道主剪力墙位置与框架柱之间设置4道伸臂桁架。通过对以上三种方案的一一试算，发现设置结构加强层对结构整体刚度的贡献微乎其微，伸臂桁架若不能沿核心筒两侧对称布置基本起不到应有的作用，鉴于本建筑物平面长宽比高达2.44，平面长向结构整体刚度不存在问题的情况下于结构加强层设置腰桁架也不是一个合理的选择，本工程设置加强层提高结构整体刚度的做法行不通。通过以上尝试发现本工程的最大难题还是在于平面短向开间尺寸太小，结构抗侧力构件太少，只能通过增加每层墙柱的抗侧力刚度提升结构的整体刚度。

最终结构构件截面尺寸如下：劲性混凝土角柱首层～二十七层1400x1400，钢骨圆钢管◎1000x50，二十八层～顶层1300x1300，钢骨◎900x50;南北两侧劲性混凝土边柱首层～二十七层1300x1300，钢骨◎900x45，二十八层以上1200x1200，钢骨◎800x40;东西两侧劲性混凝土边柱首层～十四层1200x1300，钢骨H型钢H900x800x40x30，十五层～二十八层1200x1200，钢骨H800x800x40x30，二十九～顶层1000x1000，钢骨H600x600x30x20;核心筒4道主剪力墙及筒外对应4道短墙厚度：首层～二十八层1000mm，二十九～三十二层900mm，三十三层～顶层800mm;框架梁采用普通钢筋混凝土梁。各层构件混凝土强度等级：剪力墙、框架柱首层～七层C60，八层～十五层C55，十六层～二十五层C50，二十五层～三十层C45，三十一层以上C40;梁板首层～二十五层C50，二十六层以上C40。整体结构的振动周期以及扭转位移信息见下表。

结构周期及位移指标均满足规范要求。

另本工程平面长向地上首层～六层楼层剪重比均不满足《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第4.3.12条的要求，其中首层剪重比最小，为2.97%<3.2%，地上各楼层地震剪力均乘以1.077的放大系数予以调整;平面短向楼层最小剪重比满足要求。

六、结语

对于位于设防烈度为8度区、建筑平面长宽比大于2、建筑物高宽比超出规范规定数值较多、采用型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构且核心筒偏置于一侧外墙的超高层建筑物来说，设置结构加强层一般对于结构整体刚度的贡献不大，通常还是要靠提高结构本身墙柱等抗侧力构件的刚度达到提高结构整体刚度的目的，核心筒偏置还可能导致结构的质心偏心过大超过规范规定的数值，本工程结构质心偏心满足规范的规定。