1、工程概況

　　本工程為超高層住宅小區,規劃限高150m,總建筑面積45萬m2左右,其中地下室12萬m2,單層地下車庫,地上17個單體塔樓,都是100 ~142m超高層,其中5#樓約為130m,7#、8#和16#、17#樓約為140m, 4#樓戶型同5#樓,高約100m。按照規范[1,2]結構體系的適用范圍,采用剪力墻結構體系。剪力墻厚度:地下室、底層架空層370mm或400mm,標準層均為240mm。100m左右超高層豎向構件混凝土等級為C40~C30; 140m左右超高層豎向構件混凝土等級C55~C30.梁板混凝土等級為C35~C30。

　　該工程設計基準期為50年,結構設計適用年限為50年。抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度為0.05g,地震分組為第一組,設計特征周期為0.45s,抗震設防類別為丙類,結構安全等級為二級。場地類別為Ⅲ類。采用樁筏基礎,主樓區域采用直徑700、800、900、1000mm鉆孔灌注樁,一層地下車庫采用管樁滿足抗拔要求。

　　2、結構概念設計

　　高層建筑中,宜使結構平面內形狀簡單、規則、剛度和承載力均勻,根據高寬比選取合理的戶型,結構平面布置應減少扭轉的影響;高層建筑的豎向體型宜規則、均勻,避免有過大的外挑和內收。結構的側向剛度宜下大上小,逐漸均勻變化,不應采用嚴重不規則的結構體系。對可能出現的薄弱部位,應采取有效措施予以加強。4#、5#、7#、8#、16#、17#樓平面見圖1~圖3,其中11#、12#樓和7#、8#相同,本工程不規則超限[3]內容見表1,因此應嚴格控制其它不規則指標,以避免成為復雜超限高層結構[3]。

　　盡管高層建筑結構抗震設計計算分析手段不斷提高,分析原則不斷完善,但由于地震作用的復雜和不確定性,地基土影響的復雜性和結構體系本身的復雜性,可能導致理論分析計算和實際情況相差數倍之多,尤其是當結構進入彈塑性階段之后,會出現構件局部開裂甚至破壞,這時結構已很難用常規的計算原理去進行分析。實踐表明,設計中把握好高層建筑的概念設計是很重要的。

　　3、結構計算設計及設計要點

　　結構側移是高層結構設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加,水平荷載下結構的側向變形迅速增大,與建筑高度H的4次方成正比(△=qH4/8EI)。另外,高層建筑隨著高度增加、輕質高強材料的應用、新建筑形式和結構體系的出現、側向位移的迅速增大,在設計中不僅要求結構具有足夠強度,還要具有足夠的抗推剛度,使結構在水平荷載下產生的側移被控制在某一限度之內。

　　高層和超高層建筑減輕自重比多層建筑更有意義。從地基承載力或樁基承載力考慮,如果在同樣地基或樁基的情況下,減輕房屋自重意味著不增加基礎造價和處理措施,可以多建層數,這在軟弱土層有突出的經濟效益。地震效應與建筑的重量成正比,減輕房屋自重是提高結構抗震能力的有效辦法。高層建筑重量大了,不僅作用于結構上的地震剪力大,還由于重心高地震作用傾覆力矩大,對豎向構件產生很大的附加軸力,從而造成附加彎矩更大。

　　在滿足地下室車庫層和底層架空或者底層商鋪的前提下,遵循對稱、均勻、周邊、拐角的原則,在結構周邊、拐角和核心筒等部位對落地剪力墻進行較合理布置,主體結構抗震等級為三級(低于140m)和二級(高于140m)。對結構薄弱部位如樓電梯周圍,內庭院周圍均設置了120mm厚樓板,采用雙層雙向拉通鋼筋予以加強;對少量肢長受到限制的短肢剪力墻(墻肢長度∶墻厚<8∶1)按照高規要求予以加強,如滿足最小配箍率和最小配筋率等。

　　本工程項目中僅16#和17#樓高度超限,應報本地超限高層建筑工程抗震設防專項審查。風荷載取值,考慮到以后城市建設的不斷發展,位移計算時取0.45kN/m2,強度計算時取0.5 kN/m2。

　　4、優化設計措施

　　4.1剪力墻的延性設計[4]:弱化剪力墻和連梁剛度,控制墻肢長度:墻厚=10∶1左右,把長剪力墻開洞(結構洞或門窗洞)成聯肢墻,洞頂設置跨高比≥5的弱連梁,結構洞及窗臺用砌塊填砌。弱化后的剪力墻和連梁具有較輕的自重、更大的延性和抗震耗能能力,鋼筋用量也較小。根據多年設計經驗,建筑物高度80m以下時剪力墻面積占標準層面積的3.5% ~7%時較合理,讓最大層間位移角接近規范限制,太大或者太小時,或者是剪力墻布置不合理,或者工程造價太高。隨著建筑物高度增加,該比值相應增大。剪力墻布置合理時,各剪力墻軸壓比相差不大,且都小于規范要求,剪力墻一般是構造配筋,一般采用12或14直徑鋼筋即可滿足要求,可明顯減少剪力墻用鋼量。

　　4.2為進一步減少工程造價,采取減輕填充墻荷載,用新三級鋼筋,板采用分離式配筋,選用直徑較小的通長筋及減少次要構件鋼筋用量等優化設計措施。

　　5、結構計算結果分析

　　通過相同戶型不同高度計算分析,在滿足相應規范的前提下,得出了豎向構件面積占標準層面積的比值,見表1,其中7#、8#樓該比值偏大,剪力墻一般需要300mm和350mm才可以滿足規范的基本計算要求。經過比較,7#、8#樓戶型最不經濟合理,4#、5#樓戶型次之,16#、17#戶型最經濟合理,分析原因,主要是7#、8#樓戶型高寬比太大,遠遠超過了規范的數值,經過與業主協商,7#、8#樓決定另選戶型。

　　由于戶型的需要,塔樓的高寬比一般都較大,通過對本項目中4#、5#樓不同高寬比的計算分析,在豎向構件面積占標準層面積合適的比值范圍內,高寬比在8左右時,豎向構件在200mm或者240mm寬度就基本可以滿足計算要求。

　　經與業主協商調整后確定戶型和塔樓高度,結構平面圖見圖4~圖6,周圍梁高為240mm×470mm,內部梁高200(240)mm×400mm, 4#、5#樓未注明板厚均為120mm,7#、8#、9#樓未注明板厚為100mm。應業主要求,主臥內衛生間120mm厚墻下做暗梁處理,標準層剪力墻均為240mm厚。經優化各塔樓用鋼量在60~65kg/m2和混凝土量。

　　6、結語

　　通過對上述工程實例的分析,獲得以下體會:

　　(1)　建筑戶型的選擇非常重要,戶型盡量簡單規則,戶型的選擇直接關系到結構體系的復雜程度,和工程造價存在著直接的關系。

　　(2)　概念設計對于高層和超高層結構方案的合理、經濟即有效選取非常重要,不能僅僅考慮結構設計的合理性,而且還能考慮到建筑的適用功能、進而滿足建筑的安全性、適用性和耐久性的要求。

　　(3)　超高層住宅一般采用框架剪力墻結構體系和純剪力墻結構體系,剪力墻應遵循對稱、均勻、周邊、拐角等原則進行合理布置。剪力墻和連梁應進行優化設計,剪力墻盡量不要采用短肢剪力墻,剪力墻的墻肢長度與墻厚之比大于8,當墻肢長度過大時,應中間開洞,設置為弱連梁(跨高比不小于5的連梁)。延性剪力墻結構體系具有更輕的自重、更好的延性和更強的抗震耗能能力;剪力墻布置要合理,高度80m左右的高層,豎向構件面積占標準層面積的最佳比例為5.0%左右,高度100m左右超高層住宅的最佳比例為6% ~8%,隨著高度不斷增加的最佳延性設計較短肢墻有更好的經濟效益。

　　(4)　結構設計中,對不規則部位,特別是結構的薄弱部位,應通過計算、分析進行準確判定,并加以可靠的加強措施。

　　(5)　優化設計應重視與業主、建筑及其它專業(設備、裝修等專業)配合,如剪力墻的布置位置、框架梁柱的結構布置,是否采用輕質墻體材料等。

　　參考文獻

　　[1]　JGJ-2002,高層建筑結構混凝土技術規程[S].

　　[2]　GB50011-2010,建筑抗震設計規范[S].

　　[3]　超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S].2006.

　　[4]　高立人,方鄂華,錢稼茹.高層建筑結構概念設計[M].北京:中國計劃出版社, 2005.