浅析某超高层综合楼的结构方案选择

作者：郑晓敏

1  工程概况

    某拟建超高层综合楼位于南宁市五象新区总部基地，该建筑地下4层，地上62层，屋面高度272. 3m，建筑总高度300m。地上建筑面积约13. 18万m2，主要建筑功能为办公和酒店。其中1~·4层为裙房区域，层高为5.7~6. 9m；5～35层为办公区域，标准层层高为4. 5m，避难层层高为6m；36~59层为酒店区域，标准层层高为4. 2m，避难层层高为6m；59层以上为设备楼层。

    塔楼建筑平面尺寸为48. 8m×46. 8m，建筑立面上下一致，楼层无收进和挑出，塔楼高宽比约为6.4。塔楼核心筒在20层以下平面尺寸为25. 3m×23. 9m，20层以上核心筒南侧剪力墙有部分收进，收进以后的核心筒平面尺寸为25. 3m×19. 6m，核心筒高宽比约为11.4。核心筒外墙与建筑边线之间的距离约为llm，核心筒南侧剪力墙收进后与建筑边线的距离约为12m。塔楼建筑效果如图1所示，标准层平面布置如图2所示。

    该地区抗震设防烈度为6度，安评报告提供的小震地震动峰值加速度为35 gal（7度水平），设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。50年重现期的基本风压为0. 35kN/m2，风洞试验报告提供的风荷载与《建筑结构荷载规范》( GB 50009-2012)风荷载大小基本相当。

2  结构方案对比

2.1可采用的结构方案

    根据本工程的地震烈度和风荷载大小，以及建筑高度和平面布置的情况，塔楼可采用带伸臂桁架加强层的钢管混凝土柱框架一核心筒混合结构方案（简称混合结构方案）和钢筋混凝土框架一核心筒结构方案（简称钢筋混凝土结构方案），混合结构方案中的钢管混凝土柱可采用矩形钢管混凝土柱和圆钢管混凝土柱两种截面形式。

    混合结构方案和钢筋混凝土结构方案的结构体系构成见表1和图3、图4，混合结构方案由于钢管混凝土柱外框架的刚度相对较弱，需在41层设置4榀Y向伸臂桁架，以提高结构的y向抗侧刚度，如图5所示。

2.2构件截面尺寸对比

    为探讨本工程采用不同结构方案的最优选择，对上述三种结构方案进行分析对比。三种结构方案的结构平面布置见图6。

    方案一和方案二的核心筒剪力墙、楼面梁和伸臂桁架的截面尺寸均一致，仅外框柱截面形式不同。两方案的核心筒内楼面梁采用钢筋混凝土梁，核心筒外采用H型钢梁，为尽量减小H型钢梁的截面尺寸，外框架与核心筒之间连接的楼面次梁采用钢-混凝土组合梁。在41层设置4榀Y，向伸臂桁架，尽量减小伸臂桁架斜杆的截面尺寸，以方便与核心筒剪力墙连接。方案一的外框柱采用矩形钢管混凝土柱，钢管壁厚以规范要求的最小宽厚比60控制。方案二的外框柱采用圆钢管混凝土柱，钢管壁厚以规范要求的最小径厚比(20~100)控制。

    方案三的楼面梁均采用钢筋混凝土梁，外框柱在20层及以下采用型钢混凝土柱，以控制柱截面，20层以上采用钢筋混凝土柱。由于钢筋混凝土结构的自重相对较大，20层以下的核心筒外墙厚度与方案一和方案二相比需增加100mm。三种结构方案的构件截面尺寸见表2~4。

2.3整体计算结果对比

    三种结构方案的整体计算结果对比见表5，层间位移角曲线和外框柱承担的底部剪力比曲线见图7、图8。

    方案一和方案二的混合结构方案大部分结构计算指标基本可满足规范要求。结构的平均重度约为14.7 kN/m2，结构自重较轻，有利于基础设计。结构在地震和风荷载作用下的最大层间位移角为1/723，仍有较大富余。结构两个方向的刚重比均在1. 486~1.552之间，接近规范限值要求，结构设计实际上由刚重比控制。由于伸臂桁架的存在，加强层下一层与加强层的y向侧向刚度比为0. 85，受剪承载力比为72%，均小于规范限值要求。加强层下一层同时存在侧向刚度突变和受剪承载力突变，对结构抗震不利。从层间位移角曲线亦可看到，Y，向层间位移角在40层伸臂桁架加强层存在较大的突变。

    方案一外框柱承担的X向和y向底部剪力比在大部分楼层均大于10%，可满足外框柱承担的底部剪力比的要求。方案二除了加强层上下层外，其余楼层外框柱承担的y向底部剪力基本上均小于10%，未满足外框柱承担的底部剪力比的要求，仍需进一步加大外框架柱和框架梁的截面尺寸。

    方案三的钢筋混凝土结构方案的主要结构计算指标均可满足规范要求。结构的平均重度为16. 7kN/m2，与方案一和方案二的混合结构相比略大，但仍在合理范围。结构在地震或风荷载作用下的最大层间位移角为1/759，仍有较大富余。结构两个方向的刚重比在1. 554~1.694之间，与方案一和方案二的混合结构方案相比更容易满足规范限值要求。并且由于没有伸臂桁架加强层，结构不存在楼层侧向刚度突变和受剪承载力突变，层间位移角曲线较为光滑，结构具有较好的抗震性能。并且外框柱承担的X向和y向底部剪力比在大部分楼层均大于10%，可满足外框柱承担的底部剪力比的要求。

    三种结构方案的最小剪重比基本接近，均可满足最小剪重比的限值要求。

2.4经济性对比

    三种结构方案的材料用量对比见表6和表7。方案一和方案二的混凝土用量约为0. 335 m3/m2，方案三的混凝土用量为0. 427m3/m2，钢筋混凝土结构方案的混凝土用量较大。

    方案一和方案二的钢筋用量约为35kg/m2，方案一的型钢用量为87. 21 kg/m2，方案二的型钢用量为68. 53 kg/m2。方案一由于矩形钢管混凝土柱的钢管壁厚较大（壁厚比控制），型钢用量较大。方案三的钢筋用量为67. 55kg/m2，型钢用量为12. 66kg/m2，钢筋混凝土结构方案的钢筋用量较大，但型钢用量较小。

    根据结构计算模型的总面积137 306m2估算结构的总造价，型钢单价取9 049元／t，钢筋单价取4 894元／t，混凝土单价取551.9元／m3，钢结构防火按l200元／t计，组合楼板的楼承板按60元/m2计，桩基础混凝土和开挖单价按1360元/m3计，桩基配筋率取0. 4%，桩基钢筋按6 500元／t计，方案一和方案二的总桩数为126根，方案三的总桩数为142根。

    三种结构方案的结构造价对比见表8，方案一由于采用矩形钢管混凝土柱，与方案二相比，结构造价高约3109.9万元。方案三采用钢筋混凝土结构，即使考虑了由于结构自重相对较大造成的桩基础费用增加，与方案一相比可节省结构造价约8 338.7万元，与方案二相比可节省结构造价约5 228.8万元。

3  结构方案选择

    带伸臂桁架加强层的钢管混凝土框架．核心筒混合结构方案，可适当减小核心筒外墙的厚度，结构的自重相对较轻，且混合结构的施工速度较快，与钢筋混凝土结构相比，每层的施工工期可缩短约2～3d。工程对施工工期要求较高时，混合结构方案具有较大优势。混合结构方案中的方案一与方案二相比，结构刚度略大，且外框柱承担的底部剪力百分比可满足规范要求，但型钢用量较大。方案二由于外框柱承担的y向底部剪力未满足规范要求，仍需进一步加大外框架柱和框架梁的截面尺寸，增加型钢用量。

    钢筋混凝土结构方案不需要设置伸臂桁架加强层，结构具有更好的抗侧刚度和抗震性能，且结构的型钢用量最小，即使考虑了由于结构自重相对较大造成的桩基础费用增加，与混合结构的方案相比仍可节省结构造价5 000～8 000万元，具有更好的经济性。本工程工期要求不紧，最终采用了钢筋混凝土结构方案进行设计，目前已通过超限高层建筑抗震设防专项审查。

4  结语

针对6度区某超高层综合楼的工程条件和建筑特性，从受力性能和经济性出发，对矩形钢管混凝土柱框架一核心筒混合结构、圆钢管混凝土柱框架一核心筒混合结构和钢筋混凝土框架，核心筒结构三种不同的结构方案进行对比分析，选择了钢筋混凝土框架一核心筒结构方案作为结构设计的方向。该工程由于选用了合适的结构方案和合理的结构布置，使工程在具有良好的结构性能和更优的经济性之间获得平衡，可为此类工程的设计提供参考。

5[摘要]  某超高层综合楼地下4层，地上62层，建筑总高度300m。针对该超高层建筑的特性，从受力性能和经济性出发，对矩形钢管混凝土柱框架一核心筒混合结构、圆钢管混凝土柱框架。核心筒混合结构和钢筋混凝土框架一核心筒结构三种不同的结构方案进行对比分析，最终选择钢筋混凝土框架一核心筒结构方案作为结构设计的方向。该工程由于选用了合适的结构方案和合理的结构布置，使工程在具有良好的结构性能和更优的经济性之间获得平衡。