高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)案例分析

摘 要：結(jié)合某建筑工程，筆者介紹了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足國家規(guī)范要求情況下，對比不同方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保建筑安全可靠，同時還能降低工程造價。實(shí)踐證明，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)取得了較好的設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞：高層建筑；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

2 結(jié)構(gòu)體系選型

建筑物結(jié)構(gòu)形式的選擇對建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)可靠性、建筑的抗震性能、工程造價等具有很大影響。因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體系選型顯得十分重要。

剪力墻結(jié)構(gòu)是一種由鋼筋混凝土墻體作為抗側(cè)力單元，同時承擔(dān)豎向荷載和地震作用的一種結(jié)構(gòu)體系；它剛度大，空間整體性好，用鋼量較??；可以很好地適應(yīng)墻體較多、房間面積不大的特點(diǎn)，故在高層住宅中應(yīng)用極為普遍。但剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，不能布置商店和公共設(shè)施等面積較大的房間。

框支剪力墻結(jié)構(gòu)是一種將部分底層或部分層的剪力墻取消，代之以框架的結(jié)構(gòu)體系；其主要是為了滿足在底層布置門廳、餐廳、會議室等大面積公共用房的要求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設(shè)施的要求。但框支剪力墻結(jié)構(gòu)，底層柱的剛度小，上部剪力墻剛度大，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會產(chǎn)生很大內(nèi)力及塑性變形，對結(jié)構(gòu)抗震性能極為不利；并且其轉(zhuǎn)換層的混凝土和鋼筋用量一般都很大，其工程造價很不經(jīng)濟(jì)。因此，在地震區(qū)不宜采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，可以組成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力，因而廣泛地應(yīng)用于高層建筑中的辦公樓和旅館等。

本工程針對其具體情況，做多方案比較，最終確定了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系；既能滿足了上部住宅樓、底部商業(yè)用房的建筑使用功能要求，又能滿足建筑物在高烈度區(qū)的安全可靠性，同時這種結(jié)構(gòu)形式也是較為經(jīng)濟(jì)合理的，可有效的控制工程造價。

3 基礎(chǔ)及地基處理的設(shè)計(jì)

高層建筑基礎(chǔ)的合理選型與設(shè)計(jì)是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個極其重要和非常關(guān)鍵的部分?；A(chǔ)的工程造價在高層建筑整個工程造價中所占的比例較高，尤其在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下更是如此。所以選用合理的基礎(chǔ)形式或地基處理方式，對降低工程造價起著至關(guān)重要的作用。

該工程地基承載力特征值為200kPa，天然地基不能滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，可采取鉆孔灌注樁或預(yù)應(yīng)力管樁。由于場地為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅱ級（中等），建議首先采用素土擠密樁對濕陷性土層進(jìn)行處理?？紤]甲方施工工期緊的情況，經(jīng)過多方經(jīng)濟(jì)比較，最終取消了素土擠密樁處理，而是直接采用機(jī)械旋挖成孔的鋼筋混凝土灌注樁穿越濕陷性土層。根據(jù)西安當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，旋挖成孔技術(shù)可提高灌注樁的承載力約20～50%，這就大大節(jié)約了施工時間，并減少了素土樁施工費(fèi)用，而灌注樁所增加的樁長卻很小。本工程樁基承臺此次采用底平，主要是為了使位于地下室的設(shè)備管線埋設(shè)在各個承臺之間的空隙，而不占用建筑面層。這樣可大大減小基坑的開挖深度，減小工程量，從而降低工程造價。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程通過抗側(cè)力構(gòu)件的合理布置，在地震作用下，使結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)目標(biāo)參數(shù)均符合規(guī)范要求的前提下，不斷優(yōu)化，盡量減少剪力墻的數(shù)量和厚度，使結(jié)構(gòu)在X、Y兩個方向剛度基本接近，兩個方向水平位移均接近規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)布置更加經(jīng)濟(jì)合理。從承載力方面來看，使框架、剪力墻的作用得到充分的發(fā)揮；從地震作用來看，減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，并因此減輕了建筑的自重，從而減小了結(jié)構(gòu)的地震作用；也相應(yīng)減少了基礎(chǔ)工程的投資。

本工程樓層最大位移（樓層最大值層間位移角）：X方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/1084；Y方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/859；滿足了抗震規(guī)范與高規(guī)規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)樓層最大值層間位移角限值均為：1/800的要求。

5 材料選用

5.1 采用高強(qiáng)度鋼筋

在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力要求的前提下，選擇相對造價低的鋼筋方案，可以達(dá)到降低工程造價的目的。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員一般把重點(diǎn)放在配筋的計(jì)算上，往往忽視鋼筋種類的選擇。新Ⅲ級鋼筋是近年來推廣使用的新型鋼筋，它比普通Ⅱ級鋼筋提高強(qiáng)度近20%，每噸價格增加不超過10%。因此新Ⅲ級鋼筋的選用，在增加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和建筑物安全儲備的同時，還節(jié)省了用鋼量。另外，鋼筋的連接宜優(yōu)先采用閃光對焊，且普通焊接或電渣壓力焊接比搭接經(jīng)濟(jì)。

本工程基礎(chǔ)和梁、柱及板配筋等大部分均采用HRB400級鋼筋，HRB400級鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與HRB335級鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之比360/300=1.2；據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，用強(qiáng)度高的HRB400級鋼筋取代強(qiáng)度低的HRB335級鋼筋可節(jié)約鋼材約14%，這是降低鋼筋用量最直接的措施。

5.2 采用輕質(zhì)隔墻

6 結(jié)束語

本文討論的該工程通過以上幾個方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在符合現(xiàn)行國家規(guī)范前提下，做到安全性能可靠，減少了建筑的混凝土用量和鋼筋用量，取得了較好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到了較佳的設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李健（1985-），男，漢族，廣西梧州人，碩士研究生，助理工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作。