某高层办公楼结构选型及重难点分析

某高层办公楼结构选型及重难点分析

 王红

筑博设计股份有限公司，广东 深圳 518000

摘要：本项目高度163.75米，通过综合考虑建筑效果、经济性、施工难度、工期等，采用混合结构体系；对30米大跨度结构进行选型及受力分析；对跃层柱、钢梁与钢管混凝土柱连接节点、塔楼收进处的楼板等进行专项分析，实现建筑需求与结构安全的和谐统一。

关键词：混合结构；桁架；节点分析；屈曲分析；楼板应力；

0 前言：随着城市化和经济的快速发展，办公楼已经由单一办公地点需求逐渐演变成了承载企业发展的重要载体，功能需求也日益增长，高层办公楼建筑结构选型及重难点分析是设计工作中的关键环节。本文从经济效益、施工工期、施工难度等因素综合比选方案，有利于为相似项目提供科学的参考依据。同时，对大跨、跃层柱、塔楼收进等薄弱部位进行分析，为相关工程提供一定的经验。

1 工程概况

本项目位于广州市海珠区，塔楼共36层，屋面结构标高163.75m，1层~8层为商业，9层为裙房屋面，10层~36层为办公。抗震设防烈度7度0.10g，基本风压0.55kN/m²。

塔楼平面为规则平面，塔楼沿竖向体型规则。裙房4层有空中连廊，为保证建筑效果，取消两颗柱，导致柱间跨度约30米。由于建筑功能的需求，底部2~3层外框柱不能拉梁，形成跃层柱。

图 1 建筑效果图

2 地质条件

根据地勘报告，场地内土层依次是粘性素填土、淤泥质土、粉细砂、粉砂、泥质粉砂岩、砂岩、含砾砂岩。《场地详勘》建议抗浮设计水位取广州程8.9m(相对标高-0.1m)，本工程采用筏板基础，局部柱下设置墩基础，塔楼相关范围筏板厚度为2600mm，采用结构自重抗浮。裙房范围筏板厚度为1000mm、1400mm，采用锚杆抗浮，按抗拔承载力控制，抗拔锚杆长度约7m。锚杆抗拨承载力特征值为550kN。

3 方案比选

裙房采用混凝土框架结构，塔楼对比分析两种方案，方案一核心筒外采用混凝土框架，方案二核心筒外采用钢管混凝土柱加钢梁的混合结构形式，两个方案均采用钢筋混凝土核心筒。对比结果如下：

（1）建筑效果

方案一主要框架梁高750mm，方案二楼板厚120mm、钢梁高550mm，总计670mm，方案二比方案一梁下净高可增加80mm。

（2）施工难度

因建筑角部为大悬挑且悬挑跨度不同，若采用方案一，为方便施工，一般会将外挑设计成钢结构且需二次施工，导致混凝土和钢结构连接位置易留下安全隐患。采用钢梁的方案二可避免此问题，施工更方便且工期更短，也更容易满足装配式建筑主体结构得分要求。

（3）工期

混合结构施工常采用爬模技术，混合结构施工速度约为6~8天/层，而钢筋混凝土结构施工速度约为8-10天/层，本工程若采用方案二，可提前2.5个月左右。

（4）造价对比

混合结构方案比纯混凝土方案造价多3470万元，由于混合结构可以提前2.5个月投入使用，可以节约部分间接成本。利息节约费估算为562万元。混合结构比混凝土方案造价增加约2908万元。考虑提前使用获得的其他经济效益，造价差异会进一步缩小。

通过对各影响因素综合分析，为提升建筑使用品质，增加建筑净高，减少工期，减小施工难度和更好的保证结构的安全性，采用混合结构方案。

4  重难点分析

(1)桁架和斜柱关键构件性能分析

本项目裙房四层为空中连廊，为保证建筑效果，取消两颗柱，柱间跨度约30米，采用YJK进行初步分析，若采用大跨钢梁结构形式，各层梁高约1.3m~1.5m，不能满足建筑使用功能需求。若采用桁架下挂钢柱形式，各层梁高均为0.8m，除桁架层外，能更有效提高建筑净高，故选择桁架形式。由于建筑造型的需要，5层~7层局部采用斜柱方式实现竖向形体变化。

图2桁架计算模型

根据既定的抗震性能目标的要求，对桁架及斜柱节点进行小震弹性、中震抗剪弹性、抗弯不屈服和大震不屈服分析，以判别结构及相连关键构件的抗震性能。

图 3 中震作用下吊柱N-M曲线                 图 4  中震作用下桁架斜杆N-M曲线                                                 

图 5 大震作用下吊柱N-M曲线              图 6大震作用下桁架斜杆N-M曲线

通过分析可以看出，桁架及吊柱均满足小震弹性、中震抗剪弹性、抗弯不屈服和大震不屈服的性能目标。

(2)跃层柱屈曲分析

本工程由于建筑功能的需求，底部外框柱不能拉梁，形成跃层柱，最大跃层高度为15.00m，为保证此跃层柱的结构安全，采用Midas 软件，在跃层柱柱顶处施加单位轴向压力，进行屈曲稳定分析。

从分析结果可知，跃层柱在大震作用下不会发生屈曲失稳，屈曲荷载有很大的富余。

图 7 跃层柱第一屈曲模态

(3)梁、柱连接节点有限元分析

 本项目外框架为钢管混凝土柱及钢梁，为保证梁柱节点的性能，选择典型的节点建立有限元模型进行分析，结果如下：

钢材均采用Q355B，混凝土强度等级C60。小震弹性包络工况下分析结果表明，除应力集中外，钢材应力为251Mpa，混凝土压应力为19.3Mpa，均小于其材料强度设计值，可满足小震弹性性能目标；中震不屈服包络工况下分析结果表明，除应力集中外，钢材应力为310Mpa，混凝土压应力为27.7Mpa，可满足中震不屈服性能目标；大震不屈服包络工况下分析结果表明，除应力集中外，钢材应力为360Mpa，混凝土压应力为35.3Mpa，可满足大震不屈服性能目标。

图 8 小震下柱和梁钢材应力（Mpa）      图 9 小震下柱混凝土应力（Mpa）

图 10 中震下柱和梁钢材应力（Mpa）      图 11 大震下柱和梁钢材应力（Mpa）

(4)塔楼收进对楼板应力的影响

对8~11层楼板进行风荷载及中震下的应力分析，从楼板应力云图可以看出，收进层楼板应力变化较明显，且各层处楼板均存在应力集中现象。当楼板从9层到10层收进时，第10层楼板应力明显减小，说明第10层楼板内力小于第9层楼板。

根据上述拉应力结果，通过对受拉应力较大区域的楼板中震及风荷载作用下的钢筋不屈服验算，按照计算配筋结果进行双层双向配筋加强后，可使楼板达到受弯不屈服和抗剪弹性，满足抗震性能目标的要求。

    图 12 九层X风荷载基本组合-Sxx        图 13 十层X风荷载基本组合-Sxx

5  结论

(1)混合结构方案对比混凝土结构方案具有施工方便、工期短、增加净高等优势，但相对造价略高，选型时需综合比较。

(2)存在大跨度时，可采用选择桁架加吊柱方式，对比大跨钢梁形式，除桁架层外，可减小梁高，提升建筑品质。

(3)可对跃层柱进行屈曲分析，以保证跃层柱的稳定性及承载力。

(4)通过有限元分析，钢管混凝柱-钢梁采用外加强环形式，可满足小震弹性、中震不屈服、大震不屈服的抗震性能目标。

(5)塔楼收进相关范围存在楼板应力集中情况，可采用双层双向板配筋及提高配筋率方式减小楼板开裂。

参考文献：

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