高层框架—支撑体系钢结构建筑优化设计案例

汤嘉虹 宋 鹤

(1.太原市晋源区建筑工程质量服务站，山西 太原 030000； 2.山西四建集团有限公司，山西 太原 030000)

1 概述

近年来，装配式建筑得到了政府的大力推广，其中钢结构工程主要是通过工厂化的形式生产各类结构构件，实现全生命周期的设计，包括生产、施工和安装等环节，具有节能环保的社会效益，在装配式建筑中具有明显的优势。因此在高层住宅、公寓等建筑中，钢结构作为结构主体的应用得到了较大规模的普及。而经济性能是影响其应用的一个关键问题，如何控制工程造价，充分发挥钢结构建筑技术经济上的综合优势，工程设计是一个非常重要和关键的阶段。

2 工程概况

2.1 工程简介

本工程地上10层，地下2层，其中地上部分使用功能为公寓和办公，地下部分为车库。地上部分总建筑面积为135 525 m2，分为A座、B座两部分，层高为48.72 m，每部分通过抗震缝分为四个单体，平面布置如图1所示。结构层高见图2。该工程结构设计基准期50年，安全等级二级，抗震设防烈度8度，地震分组第二组，场地类别三类，抗震设防分类为丙类。适用的主要钢结构规范为GB 50017—2017钢结构设计标准[1]及JGJ 99—2015高层民用建筑钢结构技术规程[2]。

2.2 原结构设计评价

1)每部分通过防震缝划分为4个结构单元，各单元功能单一且有单独的疏散出入口，独立承担地震作用，彼此之间没有相互作用，地震发生时人流疏散较容易。并且结构分析模型较简单，容易估计其地震作用及抗震措施，但需考虑扭转地震效应。

2)结构体系为钢框架—中心支撑，支撑起到如同剪力墙的作用，有效提高了抗侧刚度。框架柱选用钢管混凝土柱，可以充分发挥结构良好的抗侧能力和优越的承压性能，且宽厚比构造要求宽松，柱的用钢量较为节省。

3)公寓部分的LOFT夹层作为面荷载施加于下层梁板处，未考虑夹层结构抗侧移刚度，且易存在竖向荷载传递不准确问题[3]，部分荷载取值较大。

4)钢梁多为热轧H型钢，焊接H型钢也多为中翼缘，承载力富余较多，截面利用率偏低。

2.3 模型建立及设置说明

本次设计采用北京盈建科软件有限责任公司编写的盈建科建筑结构计算模块YJK(1.9.1.0网络版)进行结构分析，计算模型见图3。在建立计算模型时做如下假定：

1)整体指标计算时，假定楼板平面外刚度为零，平面内刚度无穷大；构件计算时，认为楼板与钢梁之间具有可靠性连接。2)弹性阶段阻尼比为3.5%。3)材料主要包括C30，C50混凝土及Q345钢材，本构关系依据《混凝土结构设计规范》[4]和《钢结构设计标准》[1]。

3 优化方案

3.1 结构体系及抗震等级

选用钢框架(钢管混凝土柱框架)—支撑体系，即在框架体系中的部分框架柱之间设置竖向支撑，形成若干榀竖向支撑框架，见图4。采用支撑结构能大大增加整体刚度，提高抗侧能力。且该体系受力逻辑清晰，腹杆轴力的水平分量承担侧向剪力，可接近于一个真正悬臂梁的性能，悬臂结构上的竖向荷载就是高层建筑的水平力；横向剪力就是层间剪力；悬臂结构根部的弯矩就是倾覆力矩。

对于矩形钢管混凝土结构目前各规范冲突较大，例如高度的限制、抗震等级的判定等均有较大不同，具体见表1。对于钢框架(钢管混凝土柱框架)—支撑体系的抗震等级，规范中没有专门规定，因此在对规范内容深入理解后，将框架柱定为一级，梁和支撑等纯钢构件定为二级。

与原设计相比，框架柱抗震等级提高了一级，底层钢柱加强，更易满足结构的竖向规则性，使结构的整体指标更加合理。

表1 不同规范对高度限值及抗震等级判定的要求(8度50 m以下)

3.2 荷载取值

根据建筑工程做法，计算结构各部分的楼屋面恒载，减小部分取值过大的荷载，同时考虑玻璃的面积，从而减小外墙线荷载。

考虑夹层结构的实际布置方式，在与甲方及装修单位沟通后，根据夹层建筑的平面要求布置梁柱(如图5所示)并将其作为普通楼层设置荷载，由于夹层楼板多为轻型板，面内刚度较小，因此将其厚度设为0，仅起到传递荷载的作用。这种处理方式考虑了夹层结构抗侧移刚度，符合结构实际受力状态，且质量源分布较为均匀，一定程度上提高了结构的整体刚度，减小了楼层地震力，从而可以降低楼层最大位移角。

3.3 梁规格选取

作为受弯构件的梁，在保证相同抗弯能力的条件下，选择高而窄的截面，可以提高截面利用率。同时在次梁设计时，考虑混凝土楼板的组合作用，将其翼缘设置为上窄下宽，更符合组合梁的受力机理，优化前后钢梁截面如图6所示。

4 指标控制及优化结果

髙层建筑结构的用钢量是成本控制的首要问题，优化设计时应特别注重概念设计，把握好结构布置的平面立面规则性、周期及振型、结构侧移等关键指标，注重竖向荷载的传力途径、抗侧刚度，避免结构扭转过大。现以B-1为例，对优化前后各项指标进行比较分析。

4.1 结构规则性判断

高层民用建筑钢结构及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变[3]。由图1，图2可知，首层层高接近2层层高的1.4倍，抗剪承载力较2层偏弱，宜形成薄弱层；结构单元长宽比大于2，易造成扭转不规则；钢结构高层建筑偏心率普遍较大，易形成偏心布置不规则。因此优化设计时将首层钢柱及支撑适当加强，避免承载力突变，减小不规则项目，避免超限审查，减小设计难度及设计周期。

结构的平立面规则性主要体现在楼层抗剪承载力及位移比两方面，由表2可知，因层高较高，首层抗剪承载力之比最小。优化前，两个方向的比值分别为0.79和0.73，均小于0.8，属于楼层承载力突变，优化后，两个方向的比值分别为0.85和0.81，均大于0.8，满足了规范对竖向规则性的要求；由图7可知，规定水平力作用下，优化前后两个方向的楼层位移比均小于1.2，满足平面规则性的要求，结构扭转得到了有效控制。

4.2 楼层位移角控制

楼层位移角是体现结构抗侧刚度的重要指标，在《建筑抗震设计规范》和《高层民用建筑钢结构技术规程》中限值为1/250，《矩形钢管混凝土规程》和《钢管混凝土规程》中为1/300，而老版抗规中侧移角的限值为1/300，综合考虑，将侧移角限值控制在1/300以内，保证结构有足够的侧移刚度及安全储备。

由表3可知，X向地震作用下，优化前后最大位移角分别为1/585和1/473，Y向地震作用下，优化前后最大位移角分别为1/331和1/319，优化后结构侧移略大于优化前，且均满足规范限值及位移控制指标，结构抗侧刚度较大。

表2 优化前后楼层受剪承载力

表3 地震作用下优化前后层间位移角

4.3 周期、振型分析

由表4可以看出，第一振型为Y向平动，第二振型为X向平动，第三振型为整体扭转，优化前后周期及振动特性相接近，以扭转为主的周期T3与以平动为主的周期T1之比分别为0.53和0.55均小于规范限制0.9，一阶平动中扭转方向因子均为0，二阶平动中扭转方向因子，优化前后分别为0.10及0.12。反映出结构抗扭刚度理想，整体性较好，刚度分布合理，有效降低了地震工况下的扭转耦联效应。

表4 优化前后周期信息

4.4 优化结果

优化后，节约用钢量1 473 t，优化百分比为12.47%，并且通过合理的结构选型及计算参数设置，结构各项指标(侧移、扭转位移等)均满足相关规范要求，且与原设计相近，在节约用钢量的同时，并未降低原设计预留的安全储备。优化量清单见表5。

表5 优化量清单

5 结语

通过本文分析，高层框架—支撑体系钢结构建筑的优化设计应注重概念设计，根据预设目标控制结构的扭转、侧移及平立面规则性等指标，对结构模型进行合理的计算假定，并根据实际情况布置夹层楼面结构，选用合理的钢梁截面规格，对荷载精细化计算，在用钢量降低的同时，保证结构有合理的安全储备。