深圳平安金融中心结构方案比较分析报告.doc

深圳平安金融中心结构方案比较分析报告
中建国际（深圳）设计顾问有限公司
2008-12-8
目录
一. 建筑结构体系构成
二. 结构工作性能
三. 结构方案的优缺点
四. 结论
一、建筑结构体系构成
按建筑结构体系的不同，分为推荐结构方案和结构概念方案。以下分别对两种不同方案的结构构成特点进行分别论述。
1、推荐结构方案结构体系构成
1.1 外筒
外筒由四组矩形钢管V形支撑、八根矩形钢管混凝土角柱以及四组“［”型矩形钢管混凝土框架共同形成空间外筒结构体系，既承受垂直荷载又提供了强大的抗侧刚度。
图1和图2分别给出了外筒结构构成的平面示意图和三维示意图，表1给出了外筒结构构件尺寸沿楼层变化。
角梁
矩形钢管混凝土外框柱
V形支撑
外框梁
矩形钢管混凝土角柱

图1 外筒构成平面示意图

(a) 矩形钢管混
凝土框架
(b) 矩形钢管
V形支撑
(c) 矩形钢管混
凝土角柱
(d) 外筒结构体系
图2 外筒构成三维示意图
表1 外筒结构构件尺寸沿楼层变化
层数
矩形钢管混凝土角柱
(H×B×T)
矩形钢管混凝土
框架柱(hxbxt)
框架裙梁
(h1xb1xtwxtf)
V形支撑
101-117
1500x1100x30C50
600x600x25
H1000x400x20x25
(角梁采用900x900x50的方形钢管截面)
900x900x40的方形钢管截面
91-100
1700x1200x30C50

81-90
1800x1400x35C50
700x700x30
71-80
2000x1500x40C60

61-70
2100x1700x40C60
800x800x35
51-60
2200x1900x40C60

41-50
2300x2000x40C70

31-40
2300x2000x45C70
900x900x40
21-30
2400x2000x45C70

11-20
2500x2000x45C80

1-10
2500x2000x50C80
900x900x50
注：H×B×TC**——矩形钢管混凝土角柱截面长边边长×短边边长x钢管壁厚(混凝土强度等级)
hxbxt——矩形钢管混凝土框架柱截面长边边长×短边边长x钢管壁厚
h1xb1xtwxtf——H形框架裙梁的截面高度×截面宽度×腹板厚度×翼缘厚度
1.2 内筒
内筒由在四角及门洞口设置型钢的现浇钢筋混凝土剪力墙组成（如图3）。通过在内筒关键受力部位设置型钢，改善了内筒的工作性能。内筒门洞处采用800mm高的连梁，其跨高比在L/3~L/5之间，这些跨高比较大的连梁在罕遇地震下呈现弯曲破坏，可改善整体结构的延性性能。
增加内筒外侧墙体厚度，减小内侧墙体厚度即在获得较大的结构抗侧刚度又有效减少结构墙体占用的使用空间，且随着楼层墙厚逐渐减小，尽可能为建筑提供更多的有效使用空间。
外墙
内墙
型钢
型钢

图3 内筒平面示意图

图4 内筒三维示意图
表 2 内筒构件尺寸沿楼层变化
层数
核心筒外墙
核心筒内墙
厚度(mm)
混凝土强度等级
厚度(mm)
混凝土强度等级
101-117
1600
C80
500
C80
91-100
1600
C80
500
C80
81-90
1400
C70
500
C70
71-80
1400
C70
500
C70
61-70
1200
C70
500
C70
51-60
1100
C60
500
C60
41-50
900
C60
500
C60
31-40
900
C60
500
C60
21-30
800
C50
500
C50
11-20
800
C50
500
C50
1-10
600
C50
500
C50
1.3 矩形钢管混凝土K型支撑伸臂桁架
在建筑的设备层设置三道矩形钢管混凝土K型支撑桁架，连接角柱与核心筒，进一步发挥角柱与外筒的作用抵抗水平荷载，提供更大的抗侧刚度。
K型支撑上下弦支撑与内筒连接处在施工阶段铰接，在使用阶段刚接。
表3给出三道矩形钢管混凝土K型支撑的截面尺寸和所在层数，图5给出了三道矩形钢管混凝土K型支撑桁架布置三维示意图。
表 3 三道矩形钢管混凝土K型支撑的截面尺寸和所在层数

所在层数
矩形钢管混凝土截面(hxbxt)
内灌混凝土强度
第一道
54-55
1500x1100x100
C80
第二道
86-87
1500x800x100
C80
第三道
116-117
1500x600x100
C80
第二道
第三道
第一道

图5 三道矩形钢管混凝土K型支撑桁架布置三维示意图
1.4 结构构成及特点
内外筒由现浇混凝土楼板及8根连接角柱与内筒的刚接钢梁及连接外框与内筒的两端铰接的楼面钢梁构成的有效空间结构体系，各构件共同协调工作，承受竖向荷载及水平荷载。其构成特点如下：
a. 核心筒与角柱相连的钢梁刚接，外框梁与外框柱刚接；
b. 设置三道“有限刚度”的伸臂桁架；
c. 角梁采用矩形截面钢管梁，增加外筒作用；
d. 核心筒门洞采用800mm高弱连梁，改善结构延性。
外框柱
角柱
核心筒
V撑

弯曲型内外筒整体结构体系
2、结构概念方案结构体系构成
2.1 外筒
外筒由四组矩形钢管V形支撑、八根巨型型钢混凝土柱以及矩形钢管混凝土框架共同形成空间外筒结构体系组成。
巨型型钢混凝土柱截面：底部4.5m×3.5m沿高度变化至顶部为2.5m×1.5m。矩形钢管混凝土框架与角柱采用两端铰接的钢梁连接，V形支撑与角柱刚接。
钢管混凝土外框架柱的截面为：
V形支撑截面尺寸为：矩形截面钢管
图6 外筒构成平面示意图
2.2 内筒
内筒由内外墙厚为1米的钢筋混凝土剪力墙组成，门洞处设置800mm高的连梁。
外墙
内墙

图7 内筒平面示意图
2.3 钢筋混凝土伸臂
在建筑的避难层设置6道钢筋混凝土剪力墙伸臂加强层，连接巨型钢筋混凝土角柱与内筒。
图5 六道钢筋混凝土剪力墙布置三维示意图
2.4 结构的构成及特点
内外筒由现浇钢筋混凝土楼板及连接外筒与角柱两端铰接的楼面钢梁连接，并设置了六道钢筋混凝土伸臂组成了概念结构方案的竖向承重及抗侧结构。
其结构构成特点如下：
a. 外框架柱与角柱采用刚接钢梁连接，角柱与内筒采用铰接钢梁连接；
b. 巨型截面型钢混凝土角柱
外框柱
角柱
核心筒
V撑

弯曲型内外筒独立结构体系
二、结构工作性能
同上，以下分别对两种不同方案的结构工作性能进行分别论述。
1、推荐结构方案
1.1 结构周期和模态
表 1结构周期和模态
Mode
Period(s)
UX(%)
UY(%)
SumUX(%)
SumUY(%)
RZ(%)
SumRZ(%)
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

(a) 模态1(Y向平动)
(b) 模态2(X向平动)
(c) 模态5(扭转平动)
图7 结构模态图
该计算结果表明，结构周期表现出规则的变化，占主要作用的周期振动分量耦合小，振型“纯净”。前四个周期均为平动周期，第五周期为扭转周期，周期比为0.57，结构表现出良好的动力性能。由于建筑的限制，Y向的刚度约为X向的0.7倍。
1.1 层间位移角
图8和图9给出了结构在风荷载和地震作用下，结构层间位移角随结构高度的变化曲线。高规的要求层间位移角不宜大于1/500。上图表明，在风荷载和地震作用下结构均满足层间位移角的限值要求。结构在风荷载作用下侧移较大，故风荷载在本工程中起控制作用。
结构双向刚度不等，在水平荷载作用下表现有所不同。结构的X向刚度较大，在风荷载作用侧移较小，但是较大的刚度会吸引较大的地震等效荷载，故在地震作用下X向和Y向的层间侧移角的差别没有风荷载作用下大。

图8 风荷载作用下的层间位移角曲线

图9 地震作用下的层间位移角曲线
2、推荐结构方案
2.1 结构周期和模态
表 2结构周期和模态
Mode
Period(s)
UX(%)
UY(%)
SumUX(%)
SumUY(%)
RZ(%)
SumRZ(%)
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

(a) 模态1(Y向平动)
(b) 模态2(X向平动)
(c) 模态5(扭转平动)
图7 结构模态图
该计算结果表明，结构周期表现出规则的变化，占主要作用的周期振动分量耦合小，振型“纯净”。前四个周期均为平动周期，第五周期为扭转周期，周期比为0.57，结构表现出良好的动力性能。由于建筑的限制，Y向的刚度约为X向的0.7倍。
2.2 层间位移角
图8和图9给出了结构在风荷载和地震作用下，结构层间位移角随结构高度的变化曲线。高规的要求层间位移角不宜大于1/500。上图表明，在风荷载和地震作用下结构均满足层间位移角的限值要求。结构在风荷载作用下侧移较大，故风荷载在本工程中起控制作用。
结构双向刚度不等，在水平荷载作用下表现有所不同。结构的X向刚度较大，在风荷载作用侧移较小，但是较大的刚度会吸引较大的地震等效荷载，故在地震作用下X向和Y向的层间侧移角的差别没有风荷载作用下大。
图8 风荷载作用下的层间位移角曲线
图9 地震作用下的层间位移角曲线
3、结构方案的优缺点
3.1 两种结构方案角柱对使用率的影响
推荐结构方案角柱截面为2.5x2.0m渐变为1.7x1.3m，其沿高度平均截面为1.85x1.65m，结构概念方案角柱截面为4.5x3.5m渐变为2.5x1.5m，其沿高度平均截面为3.5x2.5m，故可计算获得：推荐结构方案单根柱节省的建筑使用面积为：3.5x2.5-1.85x1.65=5.6975平方米。
每层节省的建筑使用面积为：8x5.6975=45.58平方米
整栋建筑按110层计，则全楼节省的面积为：110 x45.58=5013.8平方米
若每平方米的使用面积售价为3万元，则可为业主增加收入：5013.8 x3=15041.4万元即1.5亿元。
3.2 两种结构方案对使用功能的影响
角柱截面的减小，可使建筑从内向外看，获取更好的景观资源。
3.3 两种结构方案角柱造价分析
推荐结构方案角柱按平均截面1.85x1.65m，平均钢板厚度为（50+30）/2=40mm，计算单层单根角柱用钢量为：[1.85x2-2x(1.65-0.04x2)]x0.04x4.5x7.85=9.66492吨
结构概念方案角柱按平均截面2.5x1.5m，型钢含钢率按4%计算，计算单层单根角柱用钢量为：3.5x2.5x4%x4.5x7.85=12.36375吨
推荐结构方案角柱比结构概念方案单层减少钢板钢材用量为：8x(12.36375-9.66492)=21.59064吨
整栋建筑按110层计算，则推荐结构方案比概念结构方案全楼节省用钢量为：
110x21.59064=2374.9704吨
按每吨钢材1.5万元计算，可节约投资3562.4566万元。
另外，结构概念方案型钢混凝土角柱，纵向钢筋用量按含钢率0.8%计算，单根单层纵向钢筋用量为：3.5x2.5x0.8% x4.5x7.85=2.47275吨；箍筋用量按体积配箍率0.8%计算，单层单根箍筋用量为：（3.5-0.05）x(2.5-0.05)x0.1x0.8% x4.5x7.85=2.38867吨
单层单根型钢混凝土角柱多用钢筋为2.47275+2.38867=4.8614吨，整栋建筑节约投资为：4.8614x8x110x0.5=2139万元
推荐结构方案比概念结构方案节省混凝土用量约为：(3.5x2.5-1.85x1.65)x4.5x8x110=22562.1立方米，按每立方米混凝土500元计算，可节约投资为1128.105万元。
综上，推荐结构方案节省投资总计：3562.5+2139.3+1128.105=6829.9万元
3.4 两种结构方案内筒布置对使用率的影响
推荐结构方案增加内筒外周边的墙厚，减少内筒内部墙厚，其外墙厚按沿高度平均为1米厚，内墙沿高度平均为0.6米。
概念结构方案内外墙厚均为1米，而内墙的厚度减小，因电梯的存在无法提供可使用的空间，造成有效使用面积的浪费。
推荐结构方案内筒一侧的外墙内侧至另一侧外墙内侧的长度为29.2米，其所占建筑面积(29.2+2)x(29.2+2)=973.44平方米。
概念结构方案一侧的外墙内侧至另一侧外墙内侧的长度为30米，其所占建筑面积(30+2)x(30+2)=1024平方米。

29.2m
推荐结构方案

30m
概念结构方案
则单层推荐结构方案比概念方案增加净使用面积：
32x32-31.2x31.2=50.56平方米，按110层计全楼增加净使用面积：50.56x110=5561.6平方米，如按每平方米使用面积售价3万元计算，则增加业主收入3x5561.6=16684.8万元，即1.6亿元。
3.5 两种结构方案内筒布置对使用功能的影响
由于内筒所占建筑面积减小，推荐结构方案进一步提供了外部办公区域的可租售面积。
4、结论
4.1 推荐结构方案采用两端刚接钢梁将矩形钢管混凝土框架V形支撑角柱有效的连接成为了既能承受竖向荷载又能提供巨大的抗侧刚度的外框筒结构，有效地发挥了外框筒的作用。
4.2 采用两端刚接的楼面钢梁连接角柱及内筒，提高了角柱与内筒的协同工作性能，共同承担竖向和水平荷载。内筒及角柱轴压比接近，角柱轴压比略高于内筒，内筒先行施工，能有效消除因竖向变形差给结构带来的次应力。
4.3 采用矩形钢管混凝土K形伸臂桁架支撑连接角柱与内筒，进一步提高了角柱的抗侧作用。采用K形支撑桁架这种“有限刚度”的加强层只弥补整体结构刚度的不足，减少结构的刚度突变和内力的剧增，通过调整K形伸臂桁架支撑腹杆刚度，在罕遇地震下使支撑先屈服 ，可避免在加强层附近角柱及内筒墙肢发生破坏，使结构呈现延性屈服机制。
通过 以上所述的 一些具体措施，满足了建筑使用功能的 要求，同时结构也具有承受竖向荷载及风荷载和 地震 作用的良好工作性能。
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