框筒与混合结构比较.doc

混合体系单位面积质量约为1200～1400kg/m2，混凝土结构体系为1500～1700kg/m2。

（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%。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）

结构构件设计及对比
（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。
（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。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。

昆明苏宁广场主楼结构体系分析比较

本工程建设地点位于云南昆明，抗震设防烈度为8度（0.20g），根据建筑平面，初步确定结构方案为框筒结构。框筒结构可采用钢筋混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构以及型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒两种结构形式，即所谓的混凝土结构和混合结构。
根据以往经验，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。相对应的，由于混合结构大量使用钢材，含钢量会大大提高，主楼部分成本增加约40%~50%，综合地下室、裙房及基础后，整个项目造价增加约20%左右。
本工程结构高度147.6m，抗震设防烈度8度，A级高层限高100m，B级高层限高140m，本工程为超限高层。昆明地区50年基本风压0.30kN/m2，显然，结构的总体指标由地震作用控制。
由于建筑功能及平面布局的因素，结构核心筒区域尺度偏小，试算后，无论是混凝土结构还是混合结构，层间位移角均为结构的控制指标，本工程层间位移角限值为1/800。
A、混凝土结构体系
混凝土结构体系结构布置如下：

标准层结构平面布置

加强层结构平面布（设置伸臂桁架）
框架柱尺寸由轴压比控制，为了增加结构延性，本工程框架柱轴压比控制在0.65。为减小柱截面，采用型钢混凝土柱，含钢量在4%~6%，型钢混凝土柱截面底层最大为1200x1500，沿楼层逐渐收缩至600x1500。剪力墙厚度底层最大为800，沿楼层逐渐收至400，由于建筑平面为长方形，为了减少结构的扭转效应，尽量将剪力墙布置在外圈，已满足扭转周期与平动周期的比值要求。框架柱间距以及与核心筒之间间距为9m~11m，框架梁一般尺寸取为500x700。
初步计算结果，钢筋混凝土结构总重量为118580吨，由于隔墙较多，单位面积质量约为1500kg，外框柱柱底轴力为37721kN，结构最大周期3.19秒，最大层间位移角为1/821。由于地震烈度高，地震影响系数最大值为0.16，为达到层间位移角要求，利用建筑避难层，在主楼1/3和2/3的位置设置两道加强层，加强层采用双向伸臂桁架。

B、混合结构体系
混合结构体系结构布置如下：

标准层结构平面布置

加强层结构平面布（设置伸臂桁架及腰桁架）
混合结构平面布置与混凝土结构基本一致，框架柱由型钢混凝土柱改为钢管混凝土柱，在方便钢梁连接的同时，因为混凝土被钢管约束，大大提高混凝土的抗压能力，减小框架柱的截面，外框柱尺寸底部最大为直径1000，沿楼层逐渐收至直径600。为保持整体结构刚度，混凝土核心筒部分尺寸不变，由底部800厚收至400厚。钢框梁截面为H型钢600x300x12x25，钢框梁与外框柱之间为刚接，与混凝土核心筒之间为铰接。
混合结构由于外框柱截面减小，钢框梁与核心筒之间铰接，造成结构整体刚度减小，虽然结构总质量有所减小，但刚度的削弱带来层间位移角的增大，经计算，需要设置三个加强层，且每个加强层均需要设置伸臂桁架和外圈框架柱之间的腰桁架。
混合结构外围框架刚度较小，需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，需在核心筒角部设置型钢，并加强角部配筋，以保证筒体角部的延性和受力性能。
计算结果，混合结构总重量为101218吨，单位面积质量约为1300kg，外框柱柱底轴力为29049kN，结构最大周期3.12秒，最大层间位移角为1/834。

综合以上两种结构体系的优缺点，混合结构质量小，地震效应小，延性较混凝土结构要好，但由于本工程结构主要由层间位移角控制设计，使得混合结构的优势不能充分发挥，且结构总高度不到200m，而在造价上差距较大，故本工程方案设计仍采用钢筋混凝土结构体系。