某超高层建筑群2号塔楼结构设计概要及不同体系经济性比较

某超高层建筑群2号塔楼结构设计概要及不同体系经济性比较

叶成浩

深圳市特区建工集团  深圳 518000

摘要：超高层结构采用矩管钢框架-核心筒结构体系，即核心筒（一重）和周边外框架（二重）组成。核心筒与外框架柱之间通过楼层的主梁和位于设备层（避难层）的加强桁架联系在一起，并因此提高抗水平力（风作用及地震作用）的能力。本工程属于平面及立面不规则的超限高层建筑。由于在结构设计时采取了较为合理的结构布置，并对结构的薄弱处采取了有效的构造措施，从而减小了体型不规则带来的不利影响，使得结构仍具有良好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。与劲性钢骨混凝土柱-钢筋混凝土筒体结构体系进行经济性比较，综合考虑各因素，矩管钢框架-核心筒结构体系的优势。

关键字：矩管钢框架-核心筒；外伸桁架，加强层，振型

一、项目概况

本塔楼的平面呈正方形，地上部分高度约为 195.2m,地上38层，地下5层，主屋面高度为 164.8m。塔楼立面分成五个相对扭转的模块单元，下部六层为一模块单元、其它模块以八层为一单元，模块单元之间的扭转角度为6度。地面第一个单元左下角设置四层高的边庭，其余单元从右下角开始 按逆时针依次设置六层高的边庭，造成边庭角部立柱不连续。边庭外墙采用双层单索幕墙。

二、荷载条件：

1、建筑物抗震设防类别乙类，抗震设防烈度：7度；设计基本地震加速度： 0.15g；场地类别： III 类，地震分组：第一组；

2、基本风压值：WO=0.60kN/m2(100年一遇),用于主体结构设计；  WO=0.55kN/m2(50年一遇), 用于幕墙结构设计。地面粗糙度：B类。主体结构的体型系数取1.4;屋顶塔架部分体型系数取0.2

(无核心筒部分)和0.92(有核心筒部分)。

3、基本雪压值：S0=0.35kN/m2(50年一遇)。

4、活荷载：商店：5.0KN/M2；停车库：4.0KN/M2;塔楼办公区域：5.0KN/M2 (按《建筑物及其他结构的最小设计荷载》(ASCE 7-02)中国际甲类写字楼荷载标准取值，含隔墙、吊顶等荷载)。

三、结构体系

2号塔楼采用双重抗水平力结构体系，即核心筒(一重)和周边外框架(二重)组成。核心筒与 外框架柱之间通过楼层的主梁和位于设备层(避难层)的加强桁架联系在一起，并因此提高抗水平 力(风作用及地震作用)的能力。外框架柱为矩形钢管混凝土框架柱，框架梁为工字钢梁。

四、楼面结构体系

1、钢筋砼核心筒内的楼面结构为现浇钢筋混凝土梁板；

2、钢筋砼核心筒与外围柱之间由工字钢梁连接，楼面结构考虑采用钢筋桁架模板系统。

主要构件截面和材料的选用：

1、楼层及墙、柱、加强桁架信息表

2、外框架柱采用矩形钢管混凝土柱，采用国标轧制工字钢和焊接十字形工字钢，材质为Q345B。

3、楼层钢梁、支撑结构、加强桁架结构构件

4、工字钢梁、支撑斜杆、加强桁架、支撑柱材质为Q345B,箱形截面混凝土柱的混凝土强度等级C40~C30

六、结构主要参数输出结果

1、反应谱法主要计算结果(程序SETWE)

动力反应谱分析运用《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)的方法进行。分析包括了足够的振型，使建筑物质量参与度超过90%,每一振型的峰值反应均采用CQC法组合。分析考虑了多方向的水平地震效应。

(1)周期、地震力与振型输出文件

计算得到的前6阶模态的振动周期结果列于下表，对应的振型示意图见图1.1~1.6。

第3振型对应的周期T3=2.434为扭转为主的第一自振周期，第1振型对应的周期T1=3.8433为 平动为主的第一周期，二者之比T3/T1=2.285/6.457=0.633<0.9,说明该建筑不属于扭转不规则的建筑。

图1.1 一阶振型                         图1.2 二阶振型

图1.3 三阶振型                         图1.4 四阶振型

图1.5 五阶振型                         图1.6 六阶振型

（2）反应谱法计算得到的结构最大响应位移结果列于表1.5,楼层位移曲线见图1.7~图1.8,层间位移角沿竖向的分布情况见图1.9~图1.10。

反应谱法结构最大响应计算结果

由此表可以看出，层间位移角均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)中关于层间位移角不宜超过1/755的要求，

主体结构最大位移146.58mm,建筑物高度164.8米，二者比值为1/1124,满足（JGJ3-2002）的要求。

地震作用下的剪重比除了地下5~地下2层外均在正常范围内，满足抗震规范5.2.5条规定的最小地震作用2.26%的要求；地下5~地下2层范围内地震剪力不满足抗震规范5.2.5条要求，需要调整。

图1.7地震作用下楼层位移图1.8风荷载作用下楼层位移

图1.9地震作用下层间位移角图1.10风荷载作用下层间位移角

(3)地震和风载作用下结构层剪力分布情况见图9.11~图9.12。

图1.11地震作用下楼层剪力                 图1.12 风载作用下楼层剪力

(4)地震和风载作用下结构的楼层反应力分布情况见图9.13~图9.14。

图1.13地震作用下楼层反应力曲线            图1.14风载作用下楼层反应力曲线

(5)地震和风载作用下结构的楼层弯矩分布情况见图1.15~图1.16。

图1.15地震作用下楼层弯矩曲线图            16风载作用下楼层弯矩曲线

(6)结构相对抗侧刚度(等效剪切刚度)沿高度的分布见下表。由表可见，刚度比满足规范要求

(7)结构抗震性能的综合评价

本工程属于平面及立面不规则的超限高层建筑。由于在结构设计时采取了较为合理的结构布置， 并对结构的薄弱处采取了有效的构造措施，从而减小了体型不规则带来的不利影响，使得结构仍具  有良好的抗震性能，计算结果满足现行规范和规程的要求。

从结构的三维整体分析结果来看，结构沿高度方向的刚度基本是均匀变化，无明显突变。

七、结构体系中采用两种不同材质构件的经济性比较

为实现结构使用材料的最合理性，2号塔楼采用两个方案计算比较：矩形钢管混凝土框架柱-钢 筋混凝土简体结构体系、劲性钢骨混凝土柱-钢筋混凝土筒体结构体系。两方案的平、立面结构布置 相同。以下从造价、建筑构件尺寸、单方基础主结构自重、施工工期及施工对周围环境影响等综合 因素作全面、系统地分析不同材料对项目经济效益的优劣。初步分析结果如下：

1、工程量分析

矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构体系计算所得工程量

2、钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构体系计算所得工程量

3、结构造价分析

注：材料单价按以下计算：混凝土：500元/m3,钢筋：4500元/t,轧制型钢：5000元/t,焊接形钢8500元/t,外露钢结构考虑防火：防火涂料55/m2,防腐涂料50/m2。

以上可知，但从材料总体造价比较，采用矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构比采用钢骨框架柱-钢筋 混凝土筒体结构要高3211.84万元；

4、基础处理分析：

因矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构单方基础主结构自重要比钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构的自 重小20%,采用前一方案基础费用减少20%左右；

5、结构构件外形尺寸：

由上表可知，采用矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构占用面积比采用钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构占用面积小，建筑的有效使用面积1.5%、楼层净高相对增加200mm,销售上能体现出其经济 效益，可以抵消一部分因采用前方案而增加的费用；

八、结构工期：

矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构因框架柱、梁为工厂加工、现场吊装，其在工期、对周围环境 影响这方面的优势明显，而钢骨框架柱-钢筋混凝土筒体结构的造价低但工期长30%,时间成本相对 要高，工期效益就显得相对较低。施工工期对整体成本的影响主要体现在“时间即是成本”的关系 上。施工工期的缩短，可使建筑物提早投入使用，缩短贷款建设的还贷时间，并且能提早出租增加 租金收益，另外矩管框架柱-钢筋混凝土筒体结构建筑品质及精确度也较高。

因此，业主对2号塔楼结构材料方案进行评估时，可综合上述比较，从总体经济效益上考虑两 方案的优劣。

九、结论：

对2号塔楼结构方案进行评估时，综合上述比较，从总体经济效益上考虑两方案的优劣。钢结构成本较混凝土结构成本高，但是综合构件尺寸、基础造价、施工周期，钢结构方案占有一定优势。

参考文献

建筑抗震设计规范:GB 50011-2010(2016年版)[S].北京：中国建筑工业出版社,2016.

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3- 2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[2] 矩形钢管混凝土结构设计规程:CECS 159- 2010[S].北京:中国计划出版社,2004.