大型公建项目结构设计选型

摘 要：针对北京某大型公建项目结构设计选型过程中的关键问题进行研究.通过结构体系选型研究,选定了钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒为结构体系；通过对混凝土楼板、钢筋桁架楼承板、压型钢板等组合楼板的分析研究,选定楼板体系；对23m的转换桁架进行专项分析,确定了桁架的形式及抗震性能目标.

关 键 词：混合结构；钢管混凝土；钢筋桁架楼承板；压型钢板；转换桁架；抗震分析

1工程概况

大吉片公建项目CD地块位于北京西城区菜市口.地上建筑面积17.2万m2,总共约26万m2.在地块内,地下连成一整体地下室,地上C、D两栋各自分开.C、D栋均为地上17层的办公楼,建筑高度为69m.建筑轮廓是东西向约92.5m,南北向55m.地下五层,埋深约为23m.地下室功能为人防地下室、商业、停车场和设备房.

项目由金融街投资建设,方案设计单位为美国SOM建筑设计公司,施工图设计单位为北京市建筑设计研究院.

该项目具有楼板局部不连续（通高中庭）,抗侧力构件不连续（为了营造首层大堂无柱空间,采用23m桁架转换上部柱子）两项超限.同时由于受施工各种因素制约,采用的混合结构体系较为特别,因此本文对项目结构设计选型过程中的难点及关键问题进行分析总结.

2结构体系选型研究

针对北京8度区,69m高,9m柱距、外框到核心筒12m进深的办公楼,通常采用的结构体系为混凝土框架-核心筒.由于本项目位于二环边,场地狭窄,施工不便,项目定位高端,要求设计LEED金级及绿色二星,因此最终选择钢结构外框,出于结构刚度及成本考虑,最后在钢骨柱框架-钢筋混凝土核心筒和钢管柱框架-钢筋混凝土核心筒中二选一.

二者的区别在于外框柱的形式,从结构设计角度,两种柱形式都能满足结构安全,均可采用,但钢骨混凝土柱相比钢管混凝土柱,型钢用量小,后续装修容易.钢管混凝土柱对柱内混凝土约束大,受力性能更好,承载力也更大,柱截面会略小,施工中不用支模,无须配筋,不需要在钢梁上开穿筋洞,施工简便,施工周期短,但是钢管内混凝土质量难以保证,对施工有较高要求,而且后期需要防火、防腐等维护成本.

从造价角度,经过测算,一个标准层内,钢管柱的型钢贵17.76万,但是能节约15万元的柱钢筋、混凝土1万元和4.3万元的柱模板,同时钢管柱的节点板要增加造价4万元,及防火涂料5.7万元,总共钢管柱方案造价要贵7.18万元,因此整个项目约贵250万元.

从施工角度,采用钢管混凝土柱,减少了柱子绑钢筋、支模板的施工工序,柱混凝土可以三层浇筑一次,且柱内混凝土浇筑与钢梁及压型钢板安装互不影响,交叉施工少,另外如采用十字劲性柱施工,梁柱节点位置支模复杂,柱箍筋需穿过钢梁,在钢梁加工阶段还需考虑提前开孔的要求,综合工序穿插及工艺,采用钢管柱能够比钢骨柱每层减少工期约3天左右,总共能缩短30天工期.

综合设计、施工、造价意见,两种柱形式总费用相差不大,鉴于项目的工期压力,为充分体现钢结构施工的工期优势,最终采用矩形钢管混凝土柱.

3地上楼板体系选型研究

钢管混凝土框架—钢筋混凝土核心筒结构体系,相对应的楼板形式,目前常用的有全混凝土楼板、闭口型压型钢板、钢筋桁架楼承板这三种楼板形式.

闭口型压型钢板和全混凝土楼板是两种成熟的楼板形式.

钢筋桁架楼承板,是将楼板中的钢筋在工厂采用设备加工成钢筋桁架,并将钢筋桁架与镀锌钢板在工厂焊接成一体的组合模板.在使用阶段,钢筋桁架与混凝同工作,承受使用荷载,镀锌钢板不参与受力.钢筋桁架楼承板因其现场钢筋绑扎量减少60～70%,以及最大无支撑间距可达4m以上（压型钢板大多为3m）,能设计成双向板等优势,这两年在大城市办公项目得到试行推广.

本项目板跨为3m左右,楼板厚度120mm,采用C30混凝土.三者的优劣势从设计、施工角度对比如表1所示.

从造价角度,通过三种方案的经济性对比,上是钢筋桁架楼承板>闭口型压型钢板>混凝土楼板.钢筋桁架楼承板比闭口型压型钢板要贵约17元/m2,约为4%.市场调查发现,目前能提供钢筋桁架楼承板的供应商不多,而且大多在浙江,具有日后供货不足、运输困难、垄断的风险.

综上所述,闭口型压型钢板比钢筋桁架楼承板略便宜,鉴于本项目的施工现场狭窄,堆料困难,以及采用新技术的风险评估,最终采用闭口型压型钢板的楼板形式.

4转换桁架的研究

23m跨的转换桁架在3和4层,一共高两层,上托15层的楼板荷载.为满足建筑使用要求,取消桁架四层跨中支撑（见图1）.转换桁架做为重点结构构件,挠度控制为1/2000,抗震性能目标定为中震弹性/中震不屈服（抗剪弹性、抗弯不屈服）,杆件应力比按0.9控制.计算满足要求后采用的截面为上下弦杆H1000×800×35×45,中弦H1100×800×30×30,腹杆H1000×800×40×40,竖杆BOX800×800×30×30,框支柱截面为BOX1200×1200×45×45.

5结论

（1）针对钢骨柱和钢管柱的优缺点对比,综合设计、施工、造价多方面考虑,选定了钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系.

（2）结合本项目特点,对全混凝土楼板、闭口型压型钢板和钢筋桁架楼承板三种楼板形式进行对比分析,确定闭口型压型钢板的楼板形式.

（3）对8度抗震的23m转换桁架进行抗震分析,抗震性能目标定为中震弹性/中震不屈服（抗剪弹性、抗弯不屈服）,杆件应力比按0.9控制,挠度控制为1/2000.满足了抗震设防要求.