钢结构与混凝土在中高层建筑中应用技术比较.docx

工程硕士学位论文钢结构与混凝土结构在中高层建筑应用中的技术比较 硕士研究生：白冰 导师姓名：雷宏刚申请学位级别：工程硕士学科、专业：建筑与土木工程所在单位：建筑与土木工程学院目录摘 要3Abstract5第1章绪论81.1研究的背景、目的及意义81.1.1研究的背景81.1.2研究的目的101.1.3研究的意义111.2国内外钢结构的发展111.2.1国外钢结构的发展历史及现状111.2.2国内钢结构的发展141.3课题研究的内容、方法及目标151.3.1课题研究对象的确定151.3.2课题研究的内容161.3.3研究方法16第2章高层钢结构建筑与混凝土结构的技术参数分析182.1模型的选取和设计依据182.2计算结果参数的比较与分析272.2.1方案一与方案二技术性能比较分析272.2.1.2自振周期以及地震的影响292.2.2方案三与方案四技术性能比较分析332.2.3方案一方案四的综合比较382.3其他技术指标的比较392.3.1空间利用对比392.4本章小结40第4章钢结构建筑的综合评价414.1结构性能414.2基础设计414.3施工条件424.4功能使用424.5环境收益434.6钢结构符合可持续发展要求444.7目前钢结构发展存在的问题444.8本章小结45第5章结论与展望465.1结论465.2展望47参考文献48攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果51致谢52摘 要我国钢结构协会所召开的第七次代表会议中，协会会长岳清瑞根据当前钢结构行业的实际发展情况对其未来的发展给出了相关的建议，并提出了在未来十年内钢结构行业的发展规划，他指出，在未来的十年里，我国要逐步的从钢结构制造大国发展为制造强国。相比于其他建筑材料，钢结构有着很多的优越之处，比如强度更高、重量小、抗震性优良、施工效率高、节省费用及空间等等。而且，跟混凝土相比，其更符合环保的要求，能够二次运用，而且更符合产业化的需求。所以，当前发达国家在建筑行业中大范围的运用钢结构，使得建筑无论是在抗震性能上还是经济效应上都十分优良。我国当前的实际国情是土地资源短缺、建筑面积有限，而且不少地区处于地震频发带，因此扩大钢结构的使用范围对于改善我国国情有着重要意义。本次研究的主要对象为16层的高层建筑，依托有限元计算，比较详细的描述了混凝土结构及钢结构在技术、经济等方面的对比情况，并最终对钢结构建筑进行了综合评价。进行本次研究的主要目的为，根据从技术及经济的角度分析所得的综合性结果，为现实工作给予相应的数据参考。本研究内容：（1）分别运用钢结构及混凝土结构来布置完全一致的结构，并进行相应的计算，结果显示运用钢结构进行布置所得出的计算参数可以更好的符合要求。钢结构的重量轻、延展性好、抗震性高且截面面积小。另外，钢结构可以很好的节约打地基的成本以及占地空间。另外，当前对建筑物抗震性能的要求变得更为严格，这使得钢结构的综合性能相对于混凝土结构更加具有优势。（2）从经济技术的角度出发，在建造的过程中，高层钢结构建筑比混凝土结构要花费更高的成本。但使用钢结构可以有更高的施工效率，因而其所产生的综合效益要比混凝土结构高出许多。另外，在对抗震性能的要求更加严格的情况下，钢结构与混凝土结构在工程造价方面的差距会逐步减小甚至消失，这就意味着钢结构的优势会进一步增加。（3）根据钢结构在技术及经济方面所具备的优势，较为综合的对其进行了评价，认为钢架构有着很好的未来市场前景，且能够更好的满足我国未来建筑业的具体需求。关键词：钢结构建筑，抗震性能，技术性能，综合经济效益，综合评价AbstractChina Steel Association held the seventh meeting of the Association, the Association of Yueqing Rui steel industry in accordance with the actual development of the current situation of its future development is given the relevant recommendations, and proposed in the next decade the steel industry Development plan, he pointed out that in the next decade, China should gradually from the steel manufacturing country to develop into a manufacturing power. Compared to other building materials, steel structure has many advantages, such as higher strength, weight, good shock resistance, high efficiency, saving cost and space and so on. Moreover, compared with the concrete, its more environmentally friendly requirements, to the second use, but also more in line with the needs of industrialization. Therefore, the current developed countries in the construction industry in the use of large-scale steel structure, making the building both in the seismic performance or economic effects are very good. Chinas current actual situation is a shortage of land resources, construction area is limited, and many areas in the seismic frequency band, so to expand the use of steel structure for improving Chinas national conditions is important.The main object of this study is a 16 - storey high - rise building. Based on the finite element calculation, the comparison of concrete structure and steel structure in technical and economic aspects is described in detail, and the steel structure building is evaluated synthetically. The main purpose of this study is to give the corresponding data reference for practical work according to the comprehensive results obtained from the technical and economic point of view.In this study,(1) The steel structure and concrete structure are used to arrange the identical structure respectively, and the corresponding calculation results show that the calculated parameters can be better accorded with the requirement by using steel structure. The steel structure of light weight, good ductility, high seismic resistance and small cross-sectional area. In addition, the steel structure can be very good to save the cost of playing the foundation and the floor space. In addition, the current requirements of the building seismic performance becomes more stringent, which makes the overall performance of steel structure relative to the concrete structure has more advantages.(2) from the economic and technical point of view, in the construction process, high-rise steel structure than the concrete structure to spend a higher cost. But the use of steel structures can have a higher construction efficiency, and thus its overall efficiency than the concrete structure much higher. In addition, more stringent requirements on the seismic performance of the case, steel and concrete structures in the project cost gap will gradually reduce or even disappear, which means that the advantages of steel structure will further increase.(3) According to the technical and economic advantages of the steel structure, the steel structure has a good future market prospects, and can better meet the specific needs of Chinas future construction industry.Keywords: steel structure buildings，seismic behavior，technical performance，comprehensive economic benefit，comprehensive evaluation.第1章绪论1.1研究的背景、目的及意义1.1.1研究的背景我国的钢结构住宅产业化已经历经了15年的时间，相对于其他的建筑材料，钢结构更加符合产业化的要求，也更能够适应工厂化生产。钢结构建筑能够实现设计、生产、施工、安装的一体化，将“现场制造”转变成“工厂制造”，进而使得建筑更加趋向于工业化、商业化。另外，钢结构建筑有着众多的自身优势，比如重量轻，造价低，在非硬质地基上也可运用、施工效率高、资金回流快、环保性及抗震性好等，所以其在未来的市场前景将是不可估量的。上世纪80年代以来，中国钢企数量增多，规模增大。在1996年时为1亿吨，世界领先，而且在2003年时创下了2.2亿吨的世界纪录，这意味着我国钢材的供应量与需求量之间的差距逐步减小1。同时，我国的政策也从原本的限制钢材使用转变为扩大钢材使用范围。中国经济规模不断膨胀，钢结构企业数量不断变多，很多国外企业也进入中国。在中国实践情况的基础之上，钢结构设计规范和冷弯薄壁型钢结构技术规范发布。促进钢结构在中国发展，保证发展的规范性和资料全面性，而钢结构体系研究开发正在如火如荼的开展，得到人们的广泛关注。自八十年后期开始，建筑钢结构产业的钢需求是非常大，有些知名建筑物都是使用的钢结构，行业发展朝气蓬勃。数据显示，中国上马的钢结构建筑数量比较多：单纯的高层类型建筑数量超过20，建筑面积超过150万平米；而大型的工业车间总面积超过1000万平米；在网架和壳方面，钢结构的应用也是非常多的，总规模超过1500座，而总体的面积为250万平米；在空间桁架建筑结构方面，具有代表性的项目超过20个，总体的面积超过60万平米；门模式的钢架轻型厂房方面，钢结构的应用也是非常广泛的，总体的面积超过1000万平米；拱形模式的波纹钢屋盖结构的应用也是非常普遍，总体的面积超过250万平米；而应用在住宅方面的面积也非常大，总面积超过100万平米。同时，应用在塔桅方面的钢材总量为100万吨，应用在容器方面的钢材总量为100万吨，应用在桥梁方面的钢材总量为30万吨，应用在海洋项目方面的钢材总量为10万吨，应用在城建方面的钢材总量为200万吨。应用在焊接钢管方面的钢材总量为1300万吨，应用在线材方面的钢材总量为1100万吨，应用在冷弯型钢方面的钢材总量为600万吨，应用在铁粉方面的钢材总量为8万吨，应用在钎钢方面的钢材总量为2万吨。人们追求高品质建筑。而建设业对于经济促进作用是非常大3。未来10年，中国上马的住宅面积总量为56亿m24。高层商住楼占大多数，普遍使用了钢筋混凝土结构，有些高度非常高的建筑会使用钢结构或，有些还会使用钢骨混凝土柱结构，总体来看，数量并不多。中国砖产量世界第一，占比50%，年产量7000亿块，中国水泥产量也是世界第一，占比超过33%，年产量为5亿吨。但是两种建筑材料耗能的都非常严重，中国因为生产砖每年有15万亩农田被毁坏，同时还需要使用大量的煤炭资源，总量为7000万吨。中国水泥产业耗能也是非常严重，二氧化碳的排放量非常大，每年可以超过3亿吨，相对应就是的1吨CO2/水泥。很多青山被毁坏，没有经过处理的废水更是不计其数4。同时我们还需要了解到，使用后的砖和混凝土很难再利用。所以国家非常重视这方面的能源节省，在第十二个五年计划中提及钢结构产业发展，从优惠政策，减少税负两个方面做起，促进产业的发展。从这个方面来看，钢结构发展具有广阔的市场前景。中国高层建筑越来越多，各大城市都在推出CBD中心，建筑体量巨大，施工操作和结构等方面都存在比较大的难度；中国现存的建筑总面积为400亿平米，能耗非常大，呈现逐渐增长的趋势。而钢结构的特点非常鲜明，耗时少，环境污染程度小，湿作业占比不高，对于解决现阶段的问题有着积极的作用。中国建筑钢结构行业存在比较多的问题，首先就需要需要消耗大量的资金，建筑量庞大，技术和施工都有些跟不上，导致成本比较高，设计人员不太熟悉钢结构，同时也误认为钢结构建筑资金投入量过大等等，使得钢结构建筑的普及在中国遇到了比较大的问题。基于上述情况，结合钢结构应用在高层建筑上的技术情况和成本方面的考量，十分有必要与混凝土结构进行综合分析，进行定量的研究。1.1.2研究的目的中国城市的规模越来越大，2010年为45，有6.3亿人居住在城镇，推动建筑行业的发展5。对于一些大型城市来讲，优质地段的土地供应是处在供不应求的状态。同时人们越来越多的重视建筑水平。当前来讲最优方案就是16层小高层。对比剪力墙结构，钢结构高层特点：1）耗时少：轻钢结构为预制，工厂生产，然后运到工地现场拼接，如果建设小规模车间，最短45天就可以完成，最长60天就可以完成。相比而言钢筋混凝土建筑的耗时要更长一些，最短8个月可以完成，最长需要一年才可以完成。钢结构工期短，有利于资金周转，缩短投资周期，获得更高的收益。2）抗震性能良好：钢结构的主要特点就是具有非常好的延伸性，如果存在比较大的冲击荷载，那么吸能效果将非常显著，避免其出现脆性崩裂，即使是强震区，钢结构建筑的安全性也非常高。3）可以实现非常大的跨度，开间也非常大，在这种情况下给建筑空间很大的自由性。4）轻量化，基础费用比较低：钢结构构件存在主要特点就是横截面积不大的，重量也不大，可以使得地震作用力被有效的控制，而设计内力也不需要太大。钢结构建筑的基础方面费用可以节省的一部分，混凝土建筑自身的重量最低为1.5吨/m2，最高为2.0吨/m2，相比而言钢结构自身重量就轻的多，通常都小于1吨/m2，有些项目可以达到0.5-0.6吨/m26。5）住宅使用率获得极大的提升：钢结构不会占据太多的面积，这样实际面积可以增大，使得商业价值变得更大，效益更高8。6）钢结构品质优良：钢结构为工厂预制件组装，精度控制良好，品质优良。7）施工简单，工程量小，物流方便，效率非常高运：钢结构施工简单，拥有广阔的施工作业面，每个施工段可以包括34层，进行构件组装，有利于交叉作业的进行，组装框架，浇筑钢筋混凝土核心筒等，这些工序都可以穿插进行，节省成本，保护环境74。8）管线布置十分简单，钢结构内部以及腹板可以进行穿线，但是后者直径会有一定的限制，这样布线过程简单，后期更改也非常方便，层高变高。9）钢结构对环境的影响比较小。传统钢筋混凝土以及砖墙结构在建筑拆除后就会形成大量的建筑垃圾，钢结构拆除方便，废旧钢结构可以重新利用或者回收，对于环境保护有着积极的作用。同时轻墙、新型楼板建筑效果一流，节能环保。对于大城市来讲，土地是稀缺的，人们对生活品质以及生活环境的要求非常高，而钢结构住宅的出现很好的解决了这个问题，是历史发展的必然。总的来说，钢结构高层具有多方面的优势，第一个方面为结构性能，第二个方面为实际使用的功能方面，第三个方面为环保价值。但是我们不能忽视钢筋混凝土高层的优势，其技术成熟、配套完善、成本控制良好、回报率高。而本课题将单独拿出16层小高层进行对比，分析两者技术经济性；如果地震等级区域不同，那么该项指标的变化情况。1.1.3研究的意义1996年，中国钢产量领先世界，使用市场途径消化过多产能。而建筑行业就是重要的领域。随着房地产的发展，整个建筑业都迸发出巨大的生机，成为扩大内需，发展经济的重要手段。而推动钢结构建筑的发展对于钢企去库存有着极大的意义，使得建筑行业形成完整的产业链，这也是中国十分看重的地方。美国日本等国家将钢结构应用在住宅建筑中，尤其是低层住宅，比重相对而言比较高，施工和设计方面都已经非常的成熟。但是中国的钢结构建筑发展还不为人熟知，实际应用并不成熟，虽然难度不大，但是在技术经济性方面存在很大的不确定性，社会大众误认为钢结构花费非常大，成本非常高，这种观念的存在使得钢结构建筑的发展受到一定的限制。技术经济性问题迫切需要解决。政府政策支持，城市改造工程的推进，使得高层钢结构建筑发展正在面临非常大的机遇，所以研究其技术经济性是非常重要的，需要做出全方面的分析，阐述其在中国发展的前景。同时获得重要的数据，提出钢结构建筑在中国发展的建议，实际意义巨大。1.2国内外钢结构的发展1.2.1国外钢结构的发展历史及现状从18世纪开始，到20世纪开始的阶段，工业革命使得资本主义国家获得极大的发展，尤其是重工业方面，成为经济发展的重要支柱，在这个过程中，钢结构技术开始逐步发展起来9。一些稍高建筑以及工厂车间建造的过程中，开始应用钢结构技术。这点我们不得不提英国10。在十八世纪末，英国很多工厂都是使用木材建造，但是消防情况堪忧，同时其抗震性能差，原材料的价格也飞涨，越来越多的工厂开始使用铁结构。一个世纪之后，美国芝加哥学派开展钢结构方面的研究，并将其运用到实践中去，推动很多钢结构高层项目。1851年，世界博览会在英国水晶宫内举行，展示了工业革命最辉煌的成就，而约瑟夫帕科斯顿也就成为其中重要的代表人物。在1889年的时候，法国埃菲尔铁塔诞生，新的时代到来了。上世纪50年代前，因为钢结构存在非常大的防火漏洞，同时越来越多的建筑开始使用钢筋混凝土，钢结构逐渐被边缘化。二战后，钢结构发展才重拾机遇，世界百废待兴，钢结构被大量的运行，尤其是欧洲美国等国家。那个时代的建筑标准不高，没有涉及跨度和承载能力。七十年代后，世界经济发展翻开了崭新的一面，钢结构建筑被广为接受，在欧美等国家应用成熟，随后在东亚地区获得比较大的发展，尤其是日本。钢结构的应用范围广泛，包括住宅、地标建筑、工厂等，适应能力极强。在钢结构设计方面，CAD、CAM技术的出现使得其设计更加成熟。而很多建筑从业者也在不断的摸索，将其应用在别墅建筑等住宅项目之中。从中我们可以了解到其发展前景之广阔9。从欧美等国家钢结构的发展情况来看，在底层建筑方面应用比较成熟，其主要的承重体系包括以下几种，第一种就是使用冷弯薄壁型钢和C型、Z型檩条，将其作为主要的框架，第二种就是方钢管柱槽钢梁承重框架结构，第三种就是使用方钢管柱H型钢梁承重框架结构，第四种就是使用H型钢梁柱承重框架结构。日本地震多，发生过阪神地震等大地震，影响十分大，日本非常重视建筑防震，在此方面投入的精力非常多，其建筑防震也是非常大，日本钢结构建筑是普遍存在的，占比达71%，其次就是木结构，占比达18%，最后就是混凝士结构，也占有一定的比例，占比为11%。对于大量存在的钢结构来讲，其结构特点鲜明，柱子使用钢管混凝土来制作，而关于梁则会使用FR耐火型号的钢10，关于楼板，有些情况下会使用预制混凝土板，有些情况下还会结合现浇作业，各种管路走板下。关于建筑外墙，使用蒸压加气模式的混凝土板（ALC）。此类住宅日本每年都会诞生超过20万栋，300万m2。美国的钢框架建筑是非常具有代表性的，开始的非常早，现在流行轻钢结构。到1965年的时候，其占比大约为15，随后就实现跨越式的发展，增长速度十分惊人，1990年就上升到53，而到了1993年，其占比已经达到68，在2000年的时候，来到了75，比重非常大。应用于多数多层住宅。住宅冷成型钢骨架设计指导性方法（1997）的出现对于推动美国轻钢龙骨承重墙体住宅的规范化发展有着积极的作用，其内容指导全面，第一个方面就是地基部分，第二个方面就是墙体部分，第三个方面就是楼板部分，第四个方面就是楼面部分，第五个方面就是温度保持以及噪音隔离方面。第六个方面就是安装装备等方面。其模数具体为2inch4inch，适合多层小住宅，少于两户人家。从欧美国家发展的情况来看，高层钢结构建筑结构类型也非常多的，第一种就是框架模式，第二种就是框架支撑模式，第三种就是混合框架模式，第四种就是交叉模式。如图1-1从当前情况来看，钢-混凝土结构建筑也非常多，常见于欧洲国家。在英国布奈茅斯的地方，有个层数为28层的小高层就是使用的双Y模式，剪力墙为钢框架-混凝土。而意大利此方面也非常具有代表性，40年前就已经出现类似结构，抗震性能优越。1-1轻钢龙骨承重体系1.2.2国内钢结构的发展中国钢产量全球第一，产能有些过剩，为了消耗产能，住建部牵头，构建钢消费组织，通过规划与纲要的形式对于钢结构住宅的发展做出全面的指导，从而促进钢材的使用。1985年左右，中国钢结构产业正式起步，相关研发、制造，装备等如火如荼的开展。而进入新千年后，中国出现了钢结构住宅。房地产的发展带给钢结构发展非常大的机遇。钢结构建筑具有非常明显的优势，具有非常高的强度，重量也不重，具有非常良好的抗震效果，耗时少，可以实现工厂预制，对于环境的影响小，装配自由方便，其正在得到越来越多人的认可。针对我国钢结构行业十三五期间如何健康、快速发展的问题，岳清瑞提出了一些想法和建议。他说，十三五期间，我国应从技术研发环节、工程化应用环节和产业化推广环节入手，梳理和解决人员瓶颈问题、技术瓶颈问题、市场和管理瓶颈问题，通过企业、科教机构、政府和社会组织相互协作，做好技术攻关、人员培养、市场开拓工作。此外，还应大力实施创新驱动战略，做好钢结构产业供给侧改革，并加大政策支持力度，力争实现技术、市场和监管三大目标。技术方面，钢结构技术是其发展的基础，技术的成熟性完全依赖于人员对于技术的掌握程度，推动产业化发展，使得钢结构发展成熟稳定。市场方面，钢结构规模需要进行的扩张。使用钢材至少要过亿，更要远销国外，规模需要过千万。在建筑行业中比重至少需要达到15%，最好为20%。监管方面，首先需要从法律层面进行完善，实现产业化发展，使得其整体费用控制在比较低的水平。中国钢结构正在以前所未有的速度在发展，上海金茂大厦和金融中心代表了中国的高度，而此类建筑正在更多的出现在中国的城市中。中国钢结构实现全方位发展，在基础研究、施工、技术储备等多个方面水平提升明显，而构件预制和组装水平也获得了极大的提高。同时北京奥运会建筑也非常具有代表性，为空间结构的典范。承载力设计科学、轻量化、组装方便、杆件不复杂，这些都是其主要的特点，使得多种建筑需求得到满足。此种结构在车间、体育中心、展览馆、飞机库等方面也有着非常大的适应性。同时其配套正在不断的完善，温度保护、噪音隔离、防火性能、透光性等各个部分水平都非常高，可以实现批量化生产。而在桥梁等领域其使用效果也非常棒。 1-2上海金融中心 1-3金茂大厦 1-4鸟巢 1-5水立方1.3课题研究的内容、方法及目标1.3.1课题研究对象的确定课题研究集中在16层的商住楼上面，处在设防烈度为7度、8度的地方，框架结构为核心筒。选择原因：1、中国现有研究多集中于多层住宅方面，内容多为技术经济性以及成本研究。同时数据显示，如果是低于15层钢结构建筑，与钢筋混凝土建筑相比处在劣势地位，所以我们选择研究对象的时候需要保证其高度大约为100米。2、框架核心筒，这是通用选择23，与单纯的钢结构建筑相比，成本更低，容易被认同，基于中国情况选择20。商务或公寓楼用的比较多，为建筑鳞次栉比的地区或者不适合混凝土浇筑的地区。1.3.2课题研究的内容研究内容：处在设防烈度为7度、8度的地方，16层的商住楼如果采用两种结构框架，然后对比其技术经济情况，内容分析为技术性能方面、经济性方面、整体效益方面。技术思路：首先我们需要对对象进行全面的分析，然后就是构建模型，围绕有限元所进行的分析计算，结合适当方法，包括结构、文献等方面，研究其技术经济性。技术分析为定量研究，着重于参数，经济分析也同样如此，但是着重于成本，对其区别进行分析，总结其内在规律，对于指导现实工作有着积极的意义。使得钢结构高层项目推进过程中有着充足的数据支持。1）技术性能方面的对比和研究首先我们需要构建起计算模型，依托参数分析给与相应的意见，筛选获得最优结构体系。依托商业软件检验，最好用不同的软件来进行。基于中国情况，对比技术前景和应用性。2）整体效益方面的评价基于技术经济性研究，基于中国情况，完成多方面评价，第一个方面就是包技术方面，第二个方面就是经济方面，第三个方面就是社会方面，第四个方面就是环境方面等，进而提出对策。1.3.3研究方法1）建立在计算软件的基础之上，完成模型分析所使用的方法。中建科院的PKPM软件是非常具有代表性的软件，在国内有着非常大的应用。其SATWE和PMSAP有限元软件是其主要的部分，然后我们就可以针对计算模型完成结构性能方面的研究。紧接着我们对比分析结果，获得其内在的变化规律，发现其不足，同时提出对策。2）定量定性分析融合模型分析就是阐述处在设防烈度为7度、8度的地方，16层的商住楼如果采用两种结构框架，分析其技术经济的差异情况。在这个过程中主要使用定量分析，然后还需要配合定性描述。3）比较技术和分析经济性融合课题会得到整体效益情况，也就是项目的技术经济性分析，在这个过程中需要运用到结构工程技术，同时还需要运用到工程经济学，将两者进行有序的结合，这对于现实工作有着非常大的数据支持作用。第2章高层钢结构建筑与混凝土结构的技术参数分析2.1模型的选取和设计依据一、模型所进行的建立确定分析模型过程中，目标如下：1、在商住楼模型选择时候，其框架选择主要就是核心筒，其分析过程效果非常棒，而结果的延展性非常高。2、建立模型准则，这样如果结构不同，那么技术和经济分析将变得更加容易，同时最终的效果也将非常不错，足以让人幸福 。在模型构建的过程中，我们既需要保证可以使用钢结构模式，也可以使用混凝土结构，同时结构分布必须保证类似性，这样对比起来有效性才比较高。综合对比之后，我们确定为框架核心筒模式，在设防烈度为7度、8度的地方，16层的商住楼如果采用两种结构框架，我们将分析其技术经济的差异情况，楼板浇筑。项目高16层，地下空间为1层。平面图为矩形，垂直方面表现为直线型。X轴方向为7跨，每跨8.100m，Y轴方向为3跨，每跨8.100m。负一层的具体层高就是5.4m，地上一层的具体层高5.4米，再往上的层高就是4.2米，总高70.80m，最抗侧力构件垂直尺寸为64.8m，纵向尺寸为24.3m，楼上与楼下是一样。平面如下图2-1。位于山西太原，相应的场地粗糙等级我们选择B类。2-1标准层平面图二、计算依据1、设计遵循的规范2、主要设计参数1）安全等级及抗震设防在设计的过程中我们选择设计基础年限为50年，按照50年的使用时间来计算，二级安全级别，建筑级别为丙类，而不同建筑结构的抗震等级也是不同的，为8度和7度。在该项目中，结构计算的抵抗震设防烈度以及抵抗震构造方式都是使用8度和7度抗震设防烈度，同时我们还需要完成地震分组，将其划分为第一组。框架核心筒结构，如果是处在抗震设防烈度8度的地区，在这种情况下那么其框架抗震等级需要达到一级的水平；如果是处在抗震设防烈度7度的地区，在这种情况下那么其框架抗震等级需要达到二级的水平的，在本项目中所选用的核心筒所对应的抗震等级就是二级。2）风荷载建筑结构如果超过60米，那么其风压数值就是0.66kN/m2，而相应的建筑地面粗糙程度就是B类。3）主要结构所需要使用的材料混凝土框架核心筒项目：项目工程中建筑各个部分的混凝土强度等级分布从C15一直到C50，详细的分布情况：建筑地面上墙，建筑地面上的柱，建筑地面上的房梁，建筑地面上楼板等混凝土强度等级分布情况为：建筑地面下的墙，建筑地面下的柱，建筑地面下的房梁，建筑地面下的楼板等混凝土强度等级分布情况为：建筑筏板基础部分的凝土强度等级具体就是：建筑基础垫层部分的凝土强度等级具体就是：除此之外，建筑凝土强度等级具体就是：C20钢筋：项目为了按照标准，需要选择III级钢筋（）钢框架核心筒具体计划：项目建筑过程中我们主要是使用Q345型号的钢材，而在管柱方面主要是使用方钢，而在结构方面，主要是使用H型钢梁4）基础模式在项目推进的过程中，我们主要是使用承台+桩的基础模式，同时还需要安装防水底板，在桩型的选择方面，我们选择了D500灌注桩，总长为20米，具体到每一根承载力特征数值就是2000kN。荷载数值的选择建筑工程中楼面面层所具备的一定荷载数值就是2.0kN/（在这个过程中，我们需要着重考量地暖方法）建筑工程中楼面所对应的荷载具体数值就是：注意：建筑项目中楼面之间会存在活动隔墙，针对这方面荷载具体需要依据荷载规范4.1.1条注5来进行选择。3、结构计算参数控制所需要的原则1）中建科院的PKPM软件是非常具有代表性的软件，在国内有着非常大的应用。其SATWE和PMSAP有限元软件是其主要的部分，然后我们就可以针对计算模型完成结构性能方面的研究计算（2010年版本）2）SATWE全局计算的关键参数： 3）计算结果实现控制指标项目工程中，楼层竖向构件是重要的存在，其极大水平位移和层间位移对比楼层均值，对于A等级的高层建筑来讲，我们主要是使用具有必然性的刚性板假定，如果发生地震，在这种情况下就可能会发生偏心，即使是极限情况下也需要将该比值控制在150%的范围之内。对于结构楼层所对应的层间位移角，我们在项目工程推进的过程中需要保证小于1/800。项目工程中，其扭转周期比上第一平动周期所获得的数值，我们需要控制在0.9的范围之内，这是非常重要的。同时对于振型参与质量来讲，其与整体质量的比值需要控制在0.9以上。项目工程中所存在的重力二阶效应，同时包括稳定的结构。在项目工程中，楼层侧向刚度方面需要格外的关注，与邻近上面的楼层侧向刚度七成相比要高一些，这是必须要保证的，同时与上面邻近的三层的侧向刚度均值的八成相比，也要高一些，这一点需要格外关注。在这个楼层，与邻近的上面的受剪承载力的八成相比要高一些，同时最小的情况需要保证65%。梁配筋我们需要控制在一点的范围内，如果过大，那么相应的结构总体的刚度需要进行调整。4、方案1到4所对应的结构体系模型具体的参数内容为：方案一：8度区、混凝土框架-混凝土核心筒结构;方案二：8度区、钢框架-混凝土核心筒结构；方案三：7度区、混凝土框架-混凝土核心筒结构;方案四：7度区、钢框架-混凝土核心筒结构4-1混凝土框架-剪力墙结构标准层构件图4-2钢框架-剪力墙结构标准层构件图4-3混凝土框架-剪力墙结构整楼模型简图4-4钢框架-剪力墙结构整楼模型简图2.2计算结果参数的比较与分析2.2.1方案一与方案二技术性能比较分析方案我们在选择的时候都是核心筒结构体系，关于这点需要保持一致性，首先第一种方案我们使用混凝土框架，然后第二种方案我们使用钢框架，两个方案在抗震设防烈度方面是一样，都是6度，同时两个方案在地震加速度方面也是一样，都是0.05g，在试算的过程中，我们使用了SATWE。具体如2.12.5。2.2.1.1所有方案所对应的截面和材料的等级分析表2.1内容，我们可以了解到：在建筑项目中选择8度区，而相对应的框架级别为1级，从这个方面来看，框架柱比正常情况要大一些，同时梁构件同样比正常情况要大一些，分析之后我们可以了解到：1、钢结构柱截面对比混凝土结构，其面积非常小，这样实际使用面积将获得极大的增加。在该项目中我们主要应用的就是钢管混凝土柱，截面积具体大小为800800mm，如果该项目中，我们使用钢筋混凝土柱，相对应的截面面积将非常大，具体大小为10001000mm。分析方案二，我们可以了解到钢结构柱所存在截面积占比情况，仅仅只有3，如果我们采用方案一，那么这个比重为7%9%，相关比重获得极大的提升。2、如果设计方案是一样，那么方案二钢结构构件非常普遍，对于方案一来讲，因为会存在混凝土，同时其标号也非常高，在实际施工过程中会存在非常大的难度，为了避免这种负面影响，会使用很多添加剂，这样施工就会比较复杂。3、在方案二中，需要详细的把握钢结构特征，使用矩形构造的钢管混凝土柱，我们可以理解为将标号比较高的混凝土添加到矩形钢管柱之中，因为混凝土如果是处在钢管内部，那么其就会受到三方面的压力，同时可以最大程度减少薄壁钢管出现部分的扭曲，从承载力的角度来看，钢管混凝土柱在设计之初就表现良好，与单纯的钢管和混凝总共土承载力相比要更高一些，同时表现出非常好的延伸性，使得柱具有非常大的刚性，同时稳定性也非常良好，实际使用面积更大，厚度也获得极大的降低。混凝土还表现出非常高的防火性，这点与单纯的钢管相比要好的多。计算钢梁同时也需要将楼板考虑在内，将其看作是组合梁，这样可以使得梁截面的高度的得到有效的控制。4、该工程一开始所提建筑资料中，电梯井周围布洞口，由于混凝土框架柱尺寸偏大，柱边占据了洞口位置使得洞口尺寸小于规范标准最小值，所以建筑方案经过数次修改，而钢框架结构在混凝土柱布置完善的同时也可以满足洞口布置需求，适当的节约了部分劳动力。2.2.1.2自振周期以及地震的影响分析2.2，我们可以了解到：1、方案二所存在结构自身的重量与方案一相比要偏小，只为后者的80%。如果结构自身的重量变轻，那么在这种情况下，其所负荷的地震力也会出现相应的变化，在变小，同时其设计内力也会出现相应的变小。分析数据我们可以了解到，如果是使用方案二的方案，那么在这种情况下，因为地震力和地震的原因而造成弯矩程度并不大，与方案一相比仅有后者的3/4，对于框筒结构来讲，核心筒主要负责框架水平力，这样在方案二的情况下，核心筒墙体就会非常薄，这样空间将更大，使用的建筑材料将更少。仅从抗震性能方面来考虑，方案二的表现要更好。2、自身重量如果降低，那么在构建基础的过程中，其成本可以进一步压缩。分析2.1设定的关键条件我们可以了解到，如果是使用管桩模式，那么管桩的用量将会获得极大的减低，总共可以节省128根，总共可以节省的桩长一共为2576米。从这个方面来看，选择方案二是非常合适，如果一些地区地质情况不好，那么就非常适合使用这种方法，这点在南方的项目中应用比较多，效果非常良好。3、分析周期我们可以了解方案二耗时是比较多，但是如果分析扭转效应，那么其表现良好，优势显著。2.2.1.3风荷载的效应2.3可知，两个方案所选择建筑物的高度以及结构是基本类似的，从这个方面来看，风荷载所造成的剪力基本相同，对于倾覆弯矩来讲也是同样如此。因为结构刚度会存在差异性分布，在这种情况下，其所存在的自振的周期也会存在比较大的差异。从这个方面来看，方案二中风荷载造成的作用力相比方案一所造成的作用力要偏大一些。我们分析表2.2数据，如果是建筑是处在8度的地区，这样方案二所体现出的结构性能与风荷载有着很大联系，会受到后者的影响，这点与方案一所存在的控制荷载有所不同，后者为地震力。经过分析我们可以了解到，在这两个方案中，受力情况存在很大的不同，而这种情况的存在，也使得核心筒所存在的连梁的刚度下降也存在很大的不同。2.2.1.4位移和位移比分析高层建筑混凝土结构技术规范，我们可以了解到，方案一所存在位移的最大程度就是1/800；依据高层民用建筑钢结构技术规程的内容我们可以了解到，在建筑工程中钢筋混凝土结构从本质上来讲就是抗侧力构件所对应的主要结构，在其侧移最大数值方面，需要处在钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程范围之内，不过会存在一定的空间，如果主体结构不会出现裂缝，同时装修材料也被有效的保护，那么在这种情况下标准就可以出现适当的浮动，因此，对于方案二中的极限位移限数值来讲，也需要处在1/800范围之内。分析表2.4资料我们可以看出，所有的数据与标准相比都是匹配的。对于方案一来讲，因为其刚度非常大，所以其位移的程度就会比较小， 如果出现地震力，那么在这种情况下就会出现极限的位移。对于方案二来讲，因为刚度比较小，所以其位移的程度就会比较大， 如果出现风荷载，那么在这种情况下就会出现极限的位移。整体来看方案二的抗变形性能表现要更加良好。2.2.1.5关键的构件应力比从表2.5我们可以了解到，方案二采用柱的模式主要就是钢管混凝土，因此处在钢管内部的混凝土可以承受非常高的压力，在这个过程中，钢管也会起到一的限制作用，所以其承受压力的能力将获得极大的提升。分析梁柱配筋率以及项建筑的轴压比我们可以了解到，其经济性是处在非常良好的范围之中，这对于我们接下来的分析构建了非常好的条件。2.2.2方案三与方案四技术性能比较分析方案我们在选择的时候都是核心筒结构体系，关于这点需要保持一致性，第三种方案我们使用混凝土框架，第四种方案我们使用钢框架，两个方案在抗震设防烈度方面是一样，都是7度，同时两个方案在地震加速度方面也是一样，都是0.10g，在试算的过程中，我们使用了SATWE。具体如2.62.10。2.2.2.1所有方案所对应的截面和材料的等级分析表2.6内容，我们可以了解到：1、钢结构柱截面对比混凝土结构，其面积非常小，这样实际使用面积将获得极大的增加。在该项目方案四我们主要应用的就是钢管混凝土柱，截面积为600600mm，如果项目方案三中，我们使用钢筋混凝土柱，相对应的截面面积将非常大，具体为800800mm。分析方案四，我们可以了解到钢结构柱所存在截面积占比情况，仅仅只有3，如果我们采用方案三，那么这个比重为7%10%，相关比重获得极大的提升，增幅为47。2、如果设计方案是一样，那么方案四钢结构构件非常普遍，对于方案三来讲，因为会存在混凝土，同时其标号也非常高，在实际施工过程中会存在非常大的难度，为了避免这种负面影响，会使用很多添加剂，这样施工就会比较复杂。3、在方案四中，需要详细的把握钢结构特征，使用矩形构造的钢管混凝土柱，我们可以理解为将标号C50的混凝土添加到矩形钢管柱之中，因为混凝土如果是处在钢管内部，那么其就会受到三方面的压力，同时可以最大程度减少薄壁钢管出现部分的扭曲，从承载力的角度来看，钢管混凝土柱在设计之初就表现良好，与单纯的钢管和混凝总共土承载力相比要更高一些，同时表现出非常好的延伸性，使得柱具有非常大的刚性，同时稳定性也非常良好，实际使用面积更大，厚度也获得极大的降低。混凝土还表现出非常高的防火性，这点与单纯的钢管相比要好的多。计算钢梁同时也需要将楼板考虑在内，将其看作是组合梁，这样可以使得梁截面的高度的得到有效的控制。2.2.2.2自振周期以及地震影响分析2.7，我们可以了解到：1、方案四所存在结构自身的重量与方案三相比