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高层钢结构住宅结构优化与经济分析 摘要钢一混凝土组合结构兼有钢结构和混凝土结构的优点，目前在高层钢结构住宅领域应用较多。但已建或在建的部 分高层钢结构住宅成本居高不下，设计偏于保守，困扰其发展。为解决上述问题，在设计源头上降低成本，明确结构布 置对成本的影响。本文利用 MTS 多高层钢结构设计软件，对某小区 24 层钢结构住宅的结构方案进行优化。通过调整柱 网布置和剪力墙设计，在降低结构主体造价的同时，还增加用户使用空间，取得较好效果。 关键词钢框架；混凝土剪力墙；优化设计 1. 引言 随着我国经济发展建筑技术进步，多高层建筑成为城市建筑的主流。目前，我国高层建筑一般选用 钢混凝土组合结构体系。该结构体系能发挥钢和混凝土各自的特性，与全钢结构相比，具有节省用钢 量、减少防火处理、降低工程造价等优点；与混凝土结构相比，具有自重轻，施工速度快等优点，是一 种符合我国国情的高层建筑结构形式。天津，山东和上海等地先后建成一批此类体系的高层住宅，对此 结构体系在高层住宅中的应用进行了有益的探索。但是目前我国高层钢结构住宅主要存在开发成本高， 设计和施工的标准化程度低，缺乏体系化的设计、建造依据等问题。本文以某钢结构高层住宅为例，进 行结构优化和经济性比较，供高层钢结构住宅设计和房地产开发参考。 2. 工程概括 某住宅建筑高度为 70.00 米，地下 1 层，地上 24 层，标准层层高 2.9m，地上建筑面积 11423.7m2。 原方案标准层建筑和结构平面布置如图 1 和图 2 所示。 －1 层采用钢筋混凝土梁钢骨混凝土柱结构体 系；地上部分采用圆钢管混凝土柱－H 型钢梁钢骨混凝土剪力墙结构体系，钢框架采用 Q345B 钢， 梁柱截面如表 1 所示。楼梯间、电梯井和 A6 户型设计成钢骨混凝土剪力墙，截面尺寸如表 2 所示。采 用现浇钢筋混凝土楼板，标准层楼板厚度 120mm；加气混凝土砌块做填充墙。 本地区抗震设防烈度为 6 度，设计基本加速度为 0.05g，设计地震分组为第二组，抗震设防类别为 丙类。基本风压 0.5kN/m2。 鉴于地下部分为停车库，且为钢筋混凝土结构，本文只对0.000 以上部分进行分析讨论。 图 1. 原方案标准层建筑平面布置图 图 2. 原方案标准层结构平面布置图 表 1. 原方案框架梁柱截面表 项目 圆钢管混凝土柱 钢框架梁 原方案 编号 截面尺寸 标高 编号 截面尺寸 ○37010 0.000～8.700 GL-1 HN25012569 Z-1 ○3708 8.700～69.600 GL-2 HN 3001506.59 ○40014 0.000～8.700 GL-3 HW3003001015 Z-2 ○40010 8.700～69.600 GL-4 HN 2001005.58 表 2. 原方案混凝土剪力墙截面表 项目 混凝土剪力墙 暗钢框架 编号 截面尺寸 标高 编号 截面尺寸 400 0.000～8.700 HZ-1 HW10010068 W-1 350 8.700～69.600 HZ-2 HW32012068 W-2 250 0.000～69.600 原方案 W-3 200 0.000～69.600 AL HN 2001005.58 原方案型钢用钢量共计 299.2t，钢筋混凝土用量是 1933.5m3。根据上述结构方案布置，分析所得应 力比，结构变形和自振周期分别如表 3～5 所示。 表 3 原方案主要构件应力比 项目 柱 横向主梁 纵向主梁 次梁 原方案 0.5～0.85 0.33～0.8 0.310.88 0.5～0.8 表 4 原结构方案结构变形 顶点位移角 最大层间位移角 项目 荷载类型 x 方向 y 方向 x 方向 y 方向 风荷载 1/9150 1/4954 1/7014 1/4028 原方案 地震荷载 1/2967 1/3513 1/2228 1/2755 表 5 原结构方案自振周期 项目 振型 1 横向平动 振型 2 纵向平动 振型 3 扭转 振型 4 扭转 振型 5 扭转 振型 6 扭转 原方案 1.467 1.197 0.686 0.320 0.259 0.215 根据上述分析结果，方案存在如下问题 1 钢框架部分设计偏于保守。如表 3 所示，梁柱应力比富裕度较大，设计偏于安全。 2 混凝土剪力墙设计不合理。首先，如表 4 所示，结构抗侧刚度过大。结构变形远远小于 1/800 的规 范要求[1]。 另外，结合现场施工实际情况，电梯间、楼梯间剪力墙中暗含的钢框架导致钢筋绑扎复杂。暗钢框 架梁 HN200100 在混凝土剪力墙中的布置为例， 如图 3 所示。 混凝土剪力墙厚 200mm， 内置梁 HN200， 剪力墙配置直径 22mm 的钢筋。去除 25mm 厚混凝土保护层，型钢和钢筋之间无缝隙，混凝土无法浇 注和振捣，不满足混凝土施工规范要求。现场只能将型钢两侧翼缘各切去 25mm，只保留腹板和局部翼 缘， 不仅导致暗含钢框架无法发挥增加结构延性的作用， 而且减缓了施工进度， 与纯混凝土剪力墙相比， 延长了 2/3 的工期。 图 3. 钢骨混凝土剪力墙剖面示意图 针对上述问题，在建筑方案不变的情况下，对原结构方案进行优化得到优化方案。并对两个方案的 经济性和技术性对比分析。 3. 结构优化设计 3.1 结构方案布置 优化方案仍采用圆钢管混凝土柱－H 型钢梁－混凝土剪力墙结构体系。 布置柱网应考虑建筑的使用功能，经济要求和结构体系等因素[2]。因此建议保留外墙角柱，去除室 内隔墙交角处的钢柱，将柱网尺寸加大至 7.2m8.5m 之间。并根据楼层变化，合理调整钢管柱的截面 尺寸，增加室内使用面积。实现 A4 和 A5 两户型的室内大空间布置，方便业主的二次开发利用，改善 空间效果。 目前，国内外对钢骨混凝土剪力墙的研究不多。清华大学曾做过一批无边框钢骨混凝土剪力墙在 轴压力和水平反复力作用的试验， 发现试件的破坏多为剪切破坏， 弯曲变形和滑移变形所占比例较小[3]。 可见暗含钢框架对结构抗震性能贡献不大，而且钢骨混凝土钢筋绑扎复杂，施工难度大。因此优化方案 中去除了暗含的钢框架。依据国家规范关于高层建筑平面布置，抗扭性能的规定，未对混凝土剪力墙的 平面布置进行调整。仅适当调整混凝土剪力墙厚度，合理降低结构自重。优化方案结构平面布置图如图 4 所示。 图 4. 优化方案标准层结构平面布置图 经过计算分析，得到框架部分构件和剪力墙截面尺寸如表 6 和表 7 所示。 表 6 优化方案截面尺寸表 项目 圆钢管混凝土柱 钢框架梁 编号 截面尺寸 标高 编号 截面尺寸 GKZ-1 ○35010 0.000～69.600 GL-1 HN25012569 ○40010 0.000～8.700 GL-2 HN 3001506.59 GKZ-2 ○40014 8.700～69.600 GL-3 HN350175711 ○45014 0.000～8.700 GL-4 HN 400200813 ○45010 8.700～17.400 GL-5 HN 2001005.58 优化 方案 GKZ-3 ○4508 17.400～69.600 GL-6 HW3003001015 表 7 优化方案混凝土剪力墙截面尺寸表 项目 混凝土剪力墙 编号 截面尺寸 标高 350 0.000～8.700 优化 方案 W-1 250 8.700～69.600 W-2 250 0.000～69.600 W-3 200 0.000～69.600 3.2 优化方案分析结果 表 8 主要构件应力比 项目 柱 横向主梁 纵向主梁 次梁 优化方案 0.72～0.95 0.6～0.9 0.60.92 0.5～0.8 比较表 8 和表 3，优化方案中构件应力比较大且幅度减小，富裕度也相应降低，构件承载力得以充 分发挥。 同时，以两方案中相对应位置处 GKZ-2 与 Z－2 的强度和稳定性验算结果比较，如表 9 所示， 表 9 两方案最不利底层角柱 GKZ-2 强度与稳定性比较表 项目 柱截面 强度应力比 局部稳定应力比 优化方案 GKZ-2 ○45014 0.981 0.383 原方案 Z-2 ○40014 0.772 0.570 优化方案中钢柱截面尺寸略有增大，而构件承载力得以充分利用。 表 10 优化方案结构变形值 顶点位移角 最大层间位移角 项目 荷载类型 x 方向 y 方向 x 方向 y 方向 风荷载 1/8842 1/4929 1/6791 1/3969 优化方案 地震荷载 1/3067 1/3697 1/2304 1/2878 优化方案 X 方向和 Y 方向的最大层间位移角小于 1/800，满足相关要求[1]。 比较表 4 与表 10，优化方案各项控制指标与原方案相比基本相当，建筑结构整体的抗侧刚度和结 构延性均符合规范要求。去除暗含钢框架，并适当减薄剪力墙厚度，对整体结构抗侧刚度影响不大。 表 11 优化方案结构自振周期 项目 振型 1 横向平动 振型 2 纵向平动 振型 3 扭转 振型 4 扭转 振型 5 扭转 振型 6 扭转 优化方案 1.446 1.190 0.646 0.312 0.253 0.205 比较表 5 和表 11 相应，两个方案的自振周期较为接近。而且前两个周期均为平动周期，满足国家 规范要求。 4. 经济性分析 钢结构造价包括钢材费用，制作安装费用和防火涂料费用，三者分别占全部费用的 45％，35％和 20％[4]。经过上述技术分析，优化方案的经济效益表现在如下方面 1. 单位用钢量降低。框架部分优化，钢柱数量减少和暗含钢框架的去除，使得单位用钢量降低，详见 表 12。地上部分节约用钢量 4.25kg /m2，共计 48.55t，按照目前钢结构市场价格每吨 6000 元计算， 直接经济效益 29.13 万元。 表 12 钢材用量比较表 项目 钢框架柱用钢量 （单位kg/m2） 钢梁用钢量 （单位kg/m2） 暗含钢框架 （单位kg/m2） 合计 （单位kg/m2） 优化方案 6.75 16.41 23.16 原方案 11.44 14.69 1.28 27.41 2. 梁柱节点减少。柱网尺寸的增大和暗含钢框架的去除，使得地上部分梁柱节点一共减少 1164 个。 钢结构制作安装的技术含量较高，相应的劳务费也高。梁柱节点的减少，大大降低工厂加工和现场 施工的工作量，框架部分工期减少一半，约 50 天。 3. 钢筋混凝土用量减少。如表 13 所示，钢管混凝土柱个数的减少，混凝土剪力墙厚度的合理调整， 楼板厚度的减薄，使混凝土共减少 244.7m3，共计 611.75t，节约 24.47 万元。同时，降低现场浇筑 量和湿作业的劳动强度，有利于缩短工期。 表 13 混凝土用量比较表 项目 钢框架柱混凝土用量 （单位m3/ m2） 剪力墙混凝土用量 （单位m3/ m2） 楼板混凝土用量 （单位m3/ m2） 合计 （单位m3/ m2） 优化方案 0.009 0.150 0.107 0.266 原方案 0.016 0.154 0.129 0.299 5. 结论和建议 1. 合理柱网布置对单位用钢量具有显著影响。结合建筑功能要求，调整柱网尺寸，使构件承载力得以 充分发挥并且单位用钢量降低，地上部分每平方米节约用钢量 4.25kg /m2，共 48.55t，按照目前钢 结构市场价格每吨 6000 元计算，直接经济效益 29.13 万元。 2. 钢骨混凝土剪力墙的工程实际应用还需要进一步理论和实践上的完善。 根据计算分析结果， 去除暗 含钢框架，合理调整剪力墙厚度，建筑结构整体的抗侧刚度和结构延性均符合规范要求，对整体结 构抗侧刚度影响不大，共减少混凝土 611.75t，节约 24.47 万元。 优化设计取得较好经济效益，混凝土和型钢费用共节约 53.6 万元。而且优化设计后的结构趋于合 理，使之更加方便施工。在取得良好的经济效益的同时，也提高住宅空间使用率。