汕尾市某超高层商业建筑的结构方案选型

2020-06-20梁钊浩

工程技术研究 2020年9期

梁钊浩

（广东博意建筑设计院有限公司，广东佛山 528311）

近年来，在我国科学技术水平不断提高的背景下，建筑业得到迅速发展，超高层建筑越来越多，其中很多都采用了型钢与混凝土的混合结构。虽然建筑工程成果多，但部分工程在结构方案选型合理度、经济性、节能环保、减小耗材等方面成效还有所欠缺。如何在沿海高风压地区对超高层建筑进行结构合理选型、优化建造，是建筑产业优化发展不可忽视的问题。文章对在汕尾市即将建造的一个超高层商业建筑的结构方案选型进行比对论述，探讨最优设计方案，在提升结构稳定性与安全性的同时，实现绿色节能施工的目标。

1 结构选型误区及实例概况

有些设计人员认为超高层高于常规高层，构件截面会很大，应优先采用混合结构，然而事实上并非如此。在总高度不太高、风压大的沿海地区，采用普通混凝土结构可能会更经济合理。

某工程建筑高度为179.85m（其上有10m大构架层，总高达190m），地上塔楼41层，地下室2层，层高主要为3.6m、4.2m、4.8m，设3个避难层，平面宽度为34m，平面示意图如图1所示。抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为一组，场地类别为Ⅱ类。

图1 标准层模板图（单位：mm）

该工程处于滨海地区临海位置，具有风压大、地面粗糙度不利的特点。基本风压w0=0.85kN/m2，A类地面粗糙度，建筑物体形取1.4。经试算，水平风荷载对结构截面、配筋起主要控制作用。

《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012 ）第8.5.1条要求，建筑高度＞150m或高宽比＞5的高层建筑可出现较为明显的横风向风振效应，需考虑横风向风振的影响。该超高层商住楼（以下简称塔楼）无论高度还是高宽比均满足此要求，需考虑横风向风振的作用。根据广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》（DBJ 15—92—2013）（以下简称《高规》），用插入法算得层间位移角的限值为1/596，结构顶点风振加速度限值alim=0.15m/s2[1]。按规范取值进行模型试算，风荷载作用非常明显。

2 结构体系论证比选

普通混凝土结构与组合结构各有其优缺点[2]。普通混凝土结构的优势：（1）成本低：做法常规普遍，材料及施工成本均较低；（2）刚度大：水平荷载作用下侧移较小；（3）防火及防腐蚀性能好；（4）施工作业面及塔式起重机的使用率要求不高。劣势：（1）质量重，所需截面大；（2）需大量脚手架及模板。

钢砼组合结构的优势：（1）质量轻，所需截面小：竖向构件截面减小，提高建筑空间使用率；水平构件截面小，提高建筑使用净高。（2）环保性好：部分构件可工厂化生产；拆除后钢构件可回收利用。（3）型钢（钢管）混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构，其最大适用高度高于普通混凝土结构。劣势：（1）材料成本及施工成本均较高；（2）需增设对应的专业技术人员及对应的施工器械设备；（3）外露钢构件的防火及防腐蚀性能差，防护要求高，需定期作检查维护[3]。

2.1 方案比选

方案1：普通钢筋混凝土结构。采用普通钢筋混凝土结构框架-核心筒体系，鉴于建筑高度符合：130m＜179.85m＜180m，属B级高度超高层建筑。此方案优点：施工方便、造价便宜、质量可靠、检测方便。缺点：梁柱截面大。

方案2：型钢（钢管）混凝土柱+混凝土梁结构。采用型钢（钢管）混凝土柱+钢筋混凝土核心筒+混凝土梁体系，根据《高规》第11.1.1条条文说明，此类结构不宜视为混合结构。按混凝土结构考虑，和方案1同属B级高度超高层建筑。此方案优点：柱强度高、截面小、抗震性能好。缺点：（1）若采用钢管混凝土柱：①钢管混凝土的节点牛腿影响美观；②横隔板和上下柱连接烦琐，并且穿心板会影响混凝土的浇捣；③钢管的焊接制作较普通钢结构要求更高，难度大；④钢管内混凝土浇筑质量难以检查。（2）若采用叠合柱，施工较钢管混凝土柱更难、造价更高：①钢管中心混凝土配置困难，对施工的密实度和收缩性要求高；②框架梁配筋多，且需穿钢管，钢管开孔数量多，位置、尺寸、精度要求严格，施工困难，特别是对于非垂直方向的梁钢筋定位更为困难；③绕过钢管的梁钢筋需弯折，由于弯折数量多、强度高，弯折困难；④材料及施工成本高：总用钢量高，材料单价高；工序多，技术人员及专业设备配置高。叠合柱节点示意图如图2所示。（3）若采用型钢混凝土柱，施工较普通混凝土柱困难，造价也高：①框架梁配筋多，且需穿型钢，型钢开孔数量多，位置、尺寸、精度要求严格，施工困难，特别是对于非垂直方向的梁钢筋定位更为困难；②绕过型钢的梁钢筋需弯折，由于弯折数量多、强度高，弯折困难；③材料及施工成本高。

图2 叠合柱节点示意图（单位：mm）

方案3：型钢（钢管）混凝土柱+钢梁（或组合梁）结构。采用型钢（钢管）混凝土框架（钢梁）-钢筋混凝土筒体系，属混合结构，179.85m＜190m，高度符合规范要求，不用做超限审查[4]。此类结构一般适用于地震力大的地区，通过减少截面有利于减轻重量、减少地震力。此方案优点：强度高、截面小、抗震性能好。缺点：（1）若采用钢梁：①刚度小，水平力由风荷载控制，侧向位置不满足规范要求；②梁高+板厚和普通混凝土梁差不多，不具优势。③造价比混凝土梁高：需全高设置型钢（钢管）柱，钢结构量多，防火防腐费用高。（2）若采用组合梁：①需要特定的剪力连接件和专门焊接设备和专门焊接技术人员；②与钢结构相比，还有一定量的二次防火设计；③由于压型钢板阻止混凝土收缩，在混凝土初凝期易出现临时裂缝。

2.2 比选结果

综上，3个方案具体如表1所示。

该工程塔楼高度＜180m，主要墙柱距＜10m，总高度不高，柱距不大，地方基本风压高，组合结构方案优势不明显。综合考虑结构性能、造价、施工难度、施工周期及使用功能效果等方面，普通钢筋混凝土结构（方案1）最具有优势。

表1 结构方案对比表

3 结构优化措施

3.1 进行风洞试验

风洞试验获得的风荷载普遍小于按照规范计算的风荷载，这是因为规范制定时需能涵盖住各种不利的工程情况，但无法考虑工程的具体环境。采用风洞试验的风荷载，可以优化梁、墙、柱等构件截面，获得良好的使用空间效果，有效地降低结构成本。风洞试验提供的建筑物风荷载不仅能优化高层建筑主体结构的成本，也能降低高层建筑外围幕墙结构成本[5、6]。

3.2 利用构造措施缩小柱截面、优化空间使用

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）第6.4.2条及表注4、注5：对普通混凝土柱，沿柱全高采用井字复合箍，箍筋间距不＞100mm、肢距不＞200mm、直径不＜12mm，轴压比限值可增加0.10；当柱截面中部设置由附加纵向钢筋形成的芯柱，且附加纵向钢筋的截面面积不小于柱截面面积的0.8%时，柱轴压比限值可增加0.05。可利用此两点措施进一步缩小柱截面，提升建筑空间使用效果。

4 技术结论

（1）水平荷载由风荷载控制和由地震力控制的不同情况，对结构方案合理选型有很大影响，应根据具体情况对比分析定案；（2）不能盲目地认为超高层就应优先考虑采用钢砼组合的混合结构，高度不是特别高的超高层直接采用普通混凝土结构更方便实际；（3）超高层可采用构造措施进行优化设计，若属高风压区，还可从风洞试验方向着手优化设计。