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高层钢筋混凝土框、混合框架—核心筒体系技术经济比较

筑龙结构设计2018-05-16 17:32:35


本文转自:《高层钢筋混凝土框架/混合框架——核心筒体系技术经济比较》 作者:周红梅、叶甲淳、谢忠良。

版权属原作者所有


0 引言

在我国 100 ~ 200m 的超高层建筑中,混合框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系的应用逐渐增多。 选择屋面高度分别为118,150,177m的三个具有较强代表性的工程实例,对三幢建筑分别采用钢筋混 凝土框架-核心筒结构体系( 简称“混凝土结构体系”) 和采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结 构体系( 简称混合结构体系) 进行设计和计算分析, 对每个工程的两种不同结构体系进行具体对比,对每种结构体系随高度增加显现出的规律进行探讨, 从技术和经济两方面对这两类超高层建筑结构体系进行一些分析。


1 工程实例概况

选取的工程实例均为地处杭州的已建和在建工程,三个项目分别为杭州坤和中心、中华航空大厦和 亚包大厦,项目的概况见表 1,结构平面布置和效果 图见图 1 ~ 3。



杭州设计基本地震加速度值为 0. 05g,抗震设防基本烈度 6 度,设计地震分组为第一组。三个工程场地类别均为III类,均属标准设防类( 丙类) 建 筑 。 1 0 0 年 重 现 期 的 基 本 风 压 取 0 . 5 0 k N / m 2 ,阻 尼 比取 0.04。杭州坤和中心和中华航空大厦属于 A 级高度,亚包大厦属于B级高度高层建筑。

在混合结构体系中,杭州坤和中心采用方钢管 混凝土柱,中华航空大厦和亚包大厦采用圆钢管混凝土柱; 楼面梁均采用 H 型钢梁或箱型钢梁,楼板采用压型钢板组合楼板或钢筋桁架组合楼板。钢框 架梁与外围钢管混凝土柱刚接,与钢筋混凝土核心筒之间的连接,中华航空大厦全部为铰接,杭州坤和中心和亚包大厦在核心筒角部采用刚接,其余部位 采用铰接。为了有利于刚性连接,同时增强核心筒角部延性,在核心筒角部设置了型钢。钢材均采用 Q345B 钢,混凝土强度等级为C60~C30。


2 结构计算分析及结构性能对比

选用 SATWE 分析软件对三幢建筑的两种结构体系进行了整体分析计算。采用考虑扭转耦联振动 影响的振型分解反应谱法,对结构做了多遇地震作 用下的整体弹性分析,计算结果详见表 2。


将表中混合结构体系的指标与混凝土结构体系的相比具有以下特征:

(1)总质量减少约20%杭州坤和中心减少

20% ,中华航空大厦减少 19% ,亚包大厦减少19% ( 以下均按此项目排序进行比较) 。混合体系单位面积质量约为1 200 ~1 400kg/㎡,混凝土结构体系为1 500 ~1 700kg/㎡。

( 2) 墙柱最大组合轴力减小

总基底墙柱最大组合轴力减小幅度分别为: 17% ,16% ,18% ; 外围框架柱基底最大组合轴力减小幅度分别为 29%,26% ,24% 。

( 3) 结构抗侧刚度减小

第一、二阶周期明显加大。第一阶周期分别增加 0. 21,0. 51,0. 44s; 第二阶周期分别增加 0. 35, 0.32,0. 13s。

( 4) 地震效应减小

地震荷载作用下基底总剪力: X 方向均减小16%,Y 方向减小15% ~17%; 基底倾覆弯矩: X 方向分别减小25%,19%,18%,Y 方向分别减小23% ,17% ,16% 。

( 5) 风荷载效应增大

刚度减小,结构自振周期增大,因此风荷载效应增大。风荷载作用下,X 和 Y 方向基底剪力增大的 百分比分别为: 9. 5% ,9. 0% ,8. 7% ; 基底倾覆弯矩 增加 1 0 . 5 %,1 0 . 0 % ,9 . 7 % 。

( 6) 风载作用下的层间位移角增幅大于地震作用下的增幅。结构刚度变柔,风效应增大,风载作用下,层间位移角增加 39% ~ 114% ; 地震荷载作用 下,层间位移角增加 10% ~ 35% 。

( 7) 框架层剪力分担率减小

地震荷载作用下,钢筋混凝土框架分配到的层剪力为 9% ~ 35% ,混合框架分配到的层剪力只有3. 5% ~ 25% ,两种形式框架部分分配到的剪力百分比曲线对比见图 4。图中虚线所示,混合结构体系的框架柱分配的层剪力大多达不到 20% ,下部楼层甚至达不到 10% ,绝大部分剪力由核心筒承担。


抗震设计时,框架部分分配的楼层地震剪力标 准值的最大值与结构底部总地震剪力标准值之比: 混凝土结构为12% ~23%,混合结构为8.2% ~ 13.40%。

( 8) 随着建筑高度增加,结构风载效应增大,两种结构体系的风载效应随高度增幅基本相同。

( 9) 随着建筑高度增加,结构地震荷载效应增大,地震荷载效应的增幅小于风载效应增幅。


3 基础设计及对比

三个工程均设三层地下室,基础形式均采用桩 筏基础,其中杭州坤和中心采用桩径1 000mm 的钻 孔灌注桩,持力层为中风化泥质粉砂岩,有效桩长 44 ~57m,单桩承载力特征值为5 350kN,每桩的造 价约32 000元( 以桩长 50m 计) ; 中华航空大厦及亚包大厦均为桩径 850mm 的钻孔灌注桩( 压力注 浆) ,持力层为圆砾层,有效桩长约为30m,单桩承 载力特征值分别为4 850及4 500kN,每桩的造价约 23 500元。采用混合结构体系时,三幢建筑总桩数 分别减少 28,34 和 52 根,比混凝土结构体系减少约 16%~18%,桩基造价分别节约90,80万元和122 万元。基础底板厚度减小 0. 2 ~ 0. 3m,可减少造价 约 15 ~ 30 万元。


4 结构构件设计及对比

结构主要构件尺寸对比详见表 3。


通过对三幢建筑的构件设计,总结了几点体会:

( 1) 采用钢管混凝土柱可大幅减小柱的断面,增加有效使用面积。以 KZ1 为例,坤和中心减少约73% ,中华航空大厦减少约 75% ,亚包大厦减少约 74% ; 柱截面减小使坤和中心下部楼层单层有效面 积增加约16m2 ,中华航空大厦增加 16m2,亚包大厦 增加约 24m2 ,达到标准层面积的 1.1% ~ 1. 3% 。

( 2) 结构梁板总高度可适当降低。钢梁高度加上楼板厚度之总高度比混凝土梁高减少大约 40 ~ 90mm,降低幅度不大。

( 3) 部分设备管线从钢梁腹板的开洞处穿越, 可以减小吊顶高度,有效增加楼层净高。做好综合 管线设计,在保证楼层净高不变的情况下,每层设备管线占用高度减少100mm,则有可能增加出一个楼 层,产生可观的经济效益。

( 4) 采用钢管混凝土柱可更好地满足建筑立面和功能需求。以坤和中心为例,由于建筑立面要求纤细的密柱效果,若采用混凝土柱,柱宽加上两侧干挂石材的厚度,总宽度近900mm,改用钢管混凝土柱后建筑外包宽度减小为700mm,解决了建筑与结 构间的矛盾,使建筑呈现出不同效果。同时外柱变小,使室内的采光更好,视野更开阔,功能得到提升。

( 5) 按刚度分配框架的层剪力分担率较小时, 应加强核心筒抗震性能。混合结构外围框架刚度较小,有必要加强混凝土核心筒的侧向承载能力, 以保证核心筒的抗震性能。为提高核心筒的延性,坤和中心采取了以下措施: 在核心筒角部设角柱,并内设型钢( 也便于刚接) ,加强角部配筋,以 加强筒体角部延性和受力性能,同时加强了核心筒的抗震构造; 核心筒部分墙体加厚,以控制墙体剪应力; 在楼层标高处均设钢筋混凝土暗梁; 连梁内配置交叉暗撑。

( 6) 钢梁应考虑与楼板的组合形成组合梁。组合梁可大幅提高受力和变形性能,有效减少钢梁用钢量。简支梁和框架梁的跨中均应考虑梁板组合作 用,注意框架梁的上部负弯矩不应考虑梁板组合作用,可在梁柱( 墙) 节点处加腋,增强支座的抗弯能力,提高钢梁整体的受力性能。

( 7) 组合梁中钢梁上翼缘可适当减小以充分发挥上部混凝土板的组合作用,降低用钢量。


5 上部结构材料用量及经济性对比

两种体系上部结构材料用量及造价计算结果详见表 4。对比表中数据可以看出:


( 1) 单纯就上部建筑的结构部分的( 仅地下室 以 上 梁 柱 板 墙 ,不 计 门 窗 、幕 墙 、内 隔墙 、装 修 、电 梯 、 设备等) 造价而言,混合结构体系的相比混凝土结构体系的增加较多。坤和中心造价增加1 800万元, 增幅为 63%; 中华航空大厦增加2 134万元,增幅 62% ; 亚包大厦增加2912万元,增幅 53% 。

( 2) 随建筑高度增加,混合结构的造价增加幅 度比混凝结构的减小。

( 3) 与混凝土结构相比,混合结构可大幅度节约 混凝土材料用量。混凝土用量节约的幅度,坤和中心 为 36% ,中华航空大厦为 32% ,亚包大厦为 32% 。

( 4) 混合结构中,钢筋混凝土部分的造价占总造 价的百分比随高度增加而增加。三幢建筑钢筋混凝土造价占总造价的百分比分别为 39% ,42% ,44% 。

( 5) 随着建筑高度增加,地下室以上结构部分造价的增幅,混合结构的要小于混凝土结构的。


6 综合技术和经济分析

6.1 技术分析总结

( 1) 对于 100 ~ 200m 的超高层建筑,两种结构体系均适用。混合结构体系与混凝土结构体系相比,总质量减小约 20% ,风载效应增大约 10% ,地震效应减小约 15% ~ 25% ,梁柱构件尺寸减小,有效 使用面积增加。

( 2) 外围框架部分的刚度,能否起到二道防线 作用,是这两种结构形式设计的核心问题。框架部分按侧向刚度分配的楼层地震剪力标准值的最大值不宜小于结构底部总剪力标准值的 10% 。三个项目混凝土结构可达 12% ~ 23% ,而混合结构只有 8% ~13.4%。混合结构外围框架的刚度设计应具 体斟酌,不应过弱,当不满足10% 的要求时,各层框架地震剪力标准值应按结构底部总剪力标准值的 15% 进行调整。

( 3) 混合结构体系应更加重视和加强核心筒的设计。两种结构形式内部核心筒的尺度、刚度相差不大,变化大的仅是外围框架部分。混合框架比混 凝土框架刚度小,分担的地震剪力更小,整个建筑的抗震性能很大程度取决于核心筒,保证核心筒的延 性十分重要。当框架按刚度计算分配的最大楼层地震剪力小于结构总地震剪力的10%时,核心筒承担 的地震作用应加大,甚至让筒体具有承担100%的地震剪力的能力。规范规定此时核心筒墙体地震剪力宜乘以 1. 1 增大系数,而且将核心筒抗震等级提高一级。

( 4) 混合结构与混凝土结构相比,自重减轻,地震效应减小,加之延性较混凝土结构好,通过合理设 计,混合结构的抗震性能优于混凝土结构。本文对比的建筑位于低烈度区( 6 度) ,地震荷载较小,风荷载起控制作用。在更高烈度区地震荷载起控制作用 的情况下,混合结构的优势应更明显。

( 5) 混合结构工厂化程度高,施工周期短,更为 环保。采取交错施工的方案,混凝土核心筒的施工比钢框架的安装提前 4 ~ 5 层,作为钢框架施工时的 稳定支承,使周边钢框架易于施工; 梁、柱的施工省去了绑扎钢筋、支模拆模和等候养护等过程; 楼板采用压型钢板做模板,上浇钢筋混凝土楼板,可多层同时操作,不必像混凝土结构施工时必须等混凝土达到一定强度后才能进行下一层施工,可有效加快施工速度。

( 6) 与钢筋混凝土柱相比,钢管混凝土柱具有明显优势。柱截面面积减少约 70% ~ 75% ; 施工方便,不需要支模,也不受混凝土养护时间限制; 钢管对混凝土的约束使混凝土抗压强度得以提高; 混凝土的填充限制了钢管的局部屈曲,使钢材强度更好地发挥,也使钢管的防火性能提高; 钢管混凝土柱的延性更好。

( 7) 钢管混凝土应用中尚存在一些问题,如管内混凝土在硬化过程中的收缩导致管壁与混凝土粘 结不紧密、长期混凝土徐变对钢管与混凝土整体性的影响等问题尚需进一步研究。

( 8) 混合结构需作防腐与防火处理,并需要后期维护。

6.2 经济分析总结 混合结构体系与混凝土结构体系相比,综合经济比较如下:

( 1) 上部结构造价增加约 53% ~ 63% ,桩基基础造价节省约 16% ~ 18% ,综合后结构造价的增加值如下( 折合面积仅计地下室以上的面积,若计入包括地下室在内的整个工程总面积,则单位面积增加的造价相应降低) : 坤和中心为1 690万元,折合单位面积增加347元/m2;中华航空大厦2034万元,折 合单位面积增加366元/m2;亚包大厦2760万元,折合单位面积增加363元/m2。

( 2) 由于上部结构的造价仅占整个工程总造价的小部分,假设整幢建筑的单位面积总造价为3 500 元/m2,三个项目采用混合结构所增加的造价分别为建筑总造价的 9. 9% ,10. 5% ,10. 4% ,可知采用 混合结构增加的造价占整个工程总造价的比例约为 1 0 % ( 钢 结 构 造 价 按 0 . 8 5 万 元 / t 计 算 ) ,若 钢 结 构 造价按 1 万元 /t 计算,增加的造价大约占工程总造价的12%。

( 3) 钢梁的应用使结构和设备所占高度减少, 在满足净高要求下降低层高,由此可使建筑总层数 得以增加 1 ~ 2 层。以杭州坤和中心为例,在保证楼 层净高不变的前提下,标准层层高由原来 3. 6m 降 低为3. 45m,每层减少 0. 15m,24 个标准层累计减 少3. 6m,整个建筑增加了 1 层,经济效益可观。

( 4) 柱截面大幅减小,有效使用面积增加,下部楼层有效面积可增加 1% 以上,为使用者带来实实在在的利益,也为建筑立面和功能布局提供更有利的条件。

( 5) 良好的施工组织可使混合结构建造工期缩短,产生相应经济效益。


7 结语

对上述两种结构体系选型应结合工程具体条件、工期、造价、建筑效果等因素综合考虑。混合结 构在超高层建筑中具有一定的综合优势,因而发展 趋势较好,目前制约混合结构发展的主要因素有:

1) 造价较高;

2) 有关研究和规范编制相对滞后;

3) 设计人员更熟悉传统混凝土结构的设计;

4) 对两种结构形式的工程对比经验有限。


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