某超限高層住宅樓結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性控制探討

馬 俊, 黃 聰

(武漢正華建筑設(shè)計有限公司, 湖北武漢 430010)

某超限高層住宅樓結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟性控制探討

馬 俊, 黃 聰

(武漢正華建筑設(shè)計有限公司, 湖北武漢 430010)

文章結(jié)合具體項目分析了因高度超限的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中的經(jīng)濟性控制要點。如在結(jié)構(gòu)方案階段應(yīng)重視高寬比的影響，在施工圖階段結(jié)合性能目標(biāo)確定計算配筋模型，采取合理的加強措施等方式。

方案； 高寬比； 超限； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 經(jīng)濟性

隨著城市化水平的不斷發(fā)展，城市土地資源日趨緊張，在中心城區(qū)新建的住宅小區(qū)容積率不斷提高，目前越來越多地方出現(xiàn)了高度超限的超高層住宅建筑。超限高層建筑由于需要進行超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查，其結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性控制與非超限建筑相比有一定區(qū)別?？紤]到住宅項目通常規(guī)則性超限較少，結(jié)構(gòu)設(shè)計在如何既能滿足安全性要求又能盡量降低工程造價上具有一定共性。本文結(jié)合具體項目探討了結(jié)構(gòu)方案設(shè)計階段與施工圖設(shè)計階段在經(jīng)濟性控制上的一些具體措施。

1 工程概況

武漢市江岸區(qū)某項目主要包括2層地下室及其以上的3棟超高層住宅。地下室將3棟住宅在地面以下連為一個整體，其主要功能為設(shè)備用房及汽車庫。該項目總建筑面積為84 268.38 m2，地下建筑面積為14 897.87 m2，地上建筑面積為68 972 m2, 容積率為6.88。其中，1#樓為超限超高層建筑，地上建筑面積為23 296 m2，主體結(jié)構(gòu)高度為164.9 m，地上56層，采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。1#樓首層層高5.1 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.9 m，平面總開間尺寸29.15 m，總進深尺寸18.50 m。該棟住宅樓位于6度設(shè)防區(qū),屬于JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(本文中簡稱《高規(guī)》)中規(guī)定的B級高度高層建筑，需進行超限高層專項審查。

由于該項目建設(shè)方對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性要求較高，從結(jié)構(gòu)方案階段開始，設(shè)計方按照結(jié)構(gòu)精細化、節(jié)約化的設(shè)計思路對結(jié)構(gòu)方案進行了優(yōu)化，并制定了細致的施工圖技術(shù)措施。

2 結(jié)構(gòu)方案階段的優(yōu)化設(shè)計

超限高層項目由于計算工作量較大、超限報告編制復(fù)雜，通常設(shè)計周期較長，而且一旦更改結(jié)構(gòu)布置，修改工作量巨大。一般在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，方案階段的優(yōu)化對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的影響約占70 %左右，因此超限項目方案階段就應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)形式的合理性和經(jīng)濟性，避免后期調(diào)整以保證工程的順利推進。

2.1 合理確定墻體厚度

剪力墻的墻身截面厚度、混凝土等級同時要滿足軸壓比要求和整體抗側(cè)剛度需要。在滿足結(jié)構(gòu)側(cè)向位移計算要求的前提下，盡量控制墻身的厚度，減輕結(jié)構(gòu)自身的重量，以減輕地震效應(yīng)。由于1#樓首層層高較高，首層剪力墻以350 mm厚為主，以滿足剪力墻穩(wěn)定計算的要求。2層～26層采用300 mm厚剪力墻為主，26層以上采用200 mm剪力墻為主。

超高層結(jié)構(gòu)的高寬比是控制結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的重要指標(biāo)，當(dāng)受方案所限結(jié)構(gòu)的高寬比超過規(guī)范限值時，經(jīng)濟性較差。由于1#樓平面寬度較小，為滿足結(jié)構(gòu)水平位移限值要求及舒適度要求，需要有足夠的抗側(cè)剛度。而建筑平面中縱橫內(nèi)墻基本沒有對齊，給結(jié)構(gòu)布置帶來一定難度，設(shè)計中采取了以下措施。

(1)由于結(jié)構(gòu)Y向變形基本以彎曲型變形為主，需要加強上下外縱墻(圖1中①所示位置)以提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，設(shè)計時剪力墻均伸至建筑門窗洞口邊緣。

圖1 剪力墻平面布置

(2)在中部電梯井筒及分隔墻處適當(dāng)設(shè)置較長的Y向剪力墻(圖1中②所示位置),但該處剪力墻剛度過大將導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯。設(shè)計中經(jīng)反復(fù)調(diào)整，增加結(jié)構(gòu)周邊剪力墻布置，加強抗扭剛度，使整體結(jié)構(gòu)取得了較好的抗側(cè)能力及抗扭能力，經(jīng)計算各平面剛度中心與質(zhì)量中心均基本重合。

(3)由于建筑功能需要，平面右側(cè)設(shè)有外挑陽臺(圖1中③所示位置)，導(dǎo)致右側(cè)外墻處剪力墻間無法形成整體剛度，是結(jié)構(gòu)變形的薄弱部位，因此該部位剪力墻采用加長水平翼墻的方式予以加強。

(4)平面中部的連梁受水平力引起的剪力較大(圖1中④所示位置)，采用加大梁寬，減小梁高的措施，以滿足強剪弱彎的要求。

方案階段應(yīng)通過對剪力墻布置及截面調(diào)整達到在滿足規(guī)范控制指標(biāo)要求的同時又要提高剪力墻的利用效率，這需要反復(fù)試算并對剪力墻逐墻分析，工作量較大。

3 超限情況及性能目標(biāo)

根據(jù)1#樓的超限類型和結(jié)構(gòu)特點，將對抗側(cè)構(gòu)件實施全面的性能化設(shè)計。根據(jù)工程的場地條件、社會效益、建筑功能和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性，并結(jié)合經(jīng)濟因素，考慮本工程高度165.2 m，雖已接近B級高度限值，但結(jié)構(gòu)平面及豎向均較為規(guī)則，制定本工程塔樓的抗震性能目標(biāo)為 D 級。在高規(guī)中，該級別在多遇、設(shè)防烈度和罕遇地震下的性能水準(zhǔn)分別是 1、4、5。結(jié)構(gòu)在設(shè)計中充分采用概念設(shè)計方法，對剪力墻、連梁、框架梁等構(gòu)件設(shè)定抗震性能化目標(biāo)，并在抗震設(shè)計中，采用多種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行了彈性、彈塑性計算分析，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性工作外，還補充了構(gòu)件在中震和大震下的驗算。計算結(jié)果表明，各項指標(biāo)均表現(xiàn)良好，基本滿足規(guī)范的有關(guān)要求。由于該部分內(nèi)容以計算分析為主，故本文中未作詳述。

其提供的“部分財產(chǎn)清單”顯示，黃道龍父子及親戚名下有多套房產(chǎn)，包括別墅。還有寶馬、凱迪拉克、奧迪車以及翡翠吊墜、書畫、古玩等。另一張賬戶明細顯示，黃宇名下有430萬余元現(xiàn)金。

通過超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查后，需要根據(jù)審查意見調(diào)整結(jié)構(gòu)布置并補充分析，并以超限高層審查報告為依據(jù)進行下一步施工圖設(shè)計。

4 施工圖階段經(jīng)濟性控制要點

4.1 結(jié)合性能目標(biāo)確定配筋模型

超限項目除應(yīng)滿足小震彈性計算結(jié)果外，尚應(yīng)滿足彈塑性分析要求，其中有兩點要注意。

4.1.1 等效彈性計算的適用范圍

當(dāng)中震采用性能水準(zhǔn)4時，按照《高規(guī)》第3.11.3條條文說明“內(nèi)力也可按等效彈性方法計算結(jié)果取值(一般情況下是偏于安全的)”，因此關(guān)鍵構(gòu)件配筋可參考等效彈性的計算結(jié)果。當(dāng)大震采用性能水準(zhǔn)5時，按條文說明中“允許比較多的豎向構(gòu)件進入屈服階段，并允許部分梁等耗能構(gòu)件發(fā)生比較嚴重的破壞”，等效彈性計算已與彈塑性分析差異較大，不必考慮等效彈性的計算結(jié)果。

4.1.2 彈塑性分析中的實配鋼筋調(diào)整

在進行彈塑性特別是靜力彈塑性分析時，通常采用對計算配筋值放大1.1倍后作為實配鋼筋。但分析過程中經(jīng)常會出現(xiàn)因局部構(gòu)件破壞導(dǎo)致分析終止，因此需要對部分薄弱部位配筋調(diào)整后循環(huán)計算，以取得合適的分析結(jié)果。此部分配筋調(diào)整應(yīng)作為最終的施工圖設(shè)計依據(jù)，以保證實際結(jié)構(gòu)與彈塑性分析吻合。

4.2 合理確定加強措施

4.2.1 不宜放大底部加強區(qū)剪力墻邊緣構(gòu)件縱筋

目前剪力墻結(jié)構(gòu)的超限項目一般要求底部加強區(qū)剪力墻作為關(guān)鍵構(gòu)件。按照《高規(guī)》第7.1.4條條文說明“為保證剪力墻底部出現(xiàn)塑性鉸后具有足夠大的延性，應(yīng)對可能出現(xiàn)塑性鉸的部位加強抗震措施，該加強部位稱為底部加強部位”，且對于一級抗震等級的剪力墻更要求塑性鉸出現(xiàn)在底部加強部位，保證其他部位不出現(xiàn)塑性鉸。因此雖然關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)按正截面承載力驗算結(jié)果配筋，但底部加強區(qū)剪力墻邊緣構(gòu)件縱筋不宜加大，以免塑性鉸區(qū)上移，反而與規(guī)范要求的底部加強部位不符，影響結(jié)構(gòu)安全。過渡區(qū)邊緣構(gòu)件按規(guī)范要求可僅對箍筋加強，縱筋可按構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋。

4.2.2 適度考慮沉降差異與豎向變形的影響

剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)采用樁筏基礎(chǔ)時，上部結(jié)構(gòu)剛度較大整體性較好，可不必考慮沉降差異原因?qū)Φ撞窟B梁專門進行加強。但當(dāng)房屋高度較高時宜參考上海市《超限高層建筑工程抗震設(shè)計指南(第二版)》第7.1節(jié)，加強頂部若干層(大屋面以下三層)豎向構(gòu)件延性，以提高結(jié)構(gòu)對豎向變形、溫差、徐變變形的適應(yīng)性。

4.2.3 樓板加強措施

與框架-剪力墻及筒體結(jié)構(gòu)相比，剪力墻結(jié)構(gòu)對樓板的整體性要求不高，除由于開洞、凹口等原因削弱的薄弱部位外，不需要采取特殊的加強措施。但超限項目中剪力墻通常厚度較大、混凝土等級較高，設(shè)計時宜考慮混凝土收縮及溫度應(yīng)力影響，加強平面四角樓板配筋。

4.3 中震小偏心受拉構(gòu)件設(shè)計

按照《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的第十二條要求，應(yīng)驗算混凝土構(gòu)件在中震作用下是否出現(xiàn)小偏心受拉，出現(xiàn)小偏心受拉的構(gòu)件應(yīng)采用特一級構(gòu)造，拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值時宜設(shè)置型鋼。因此從控制經(jīng)濟成本的角度，對中震時出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件，宜調(diào)整其構(gòu)件截面尺寸等參數(shù)，使其不出現(xiàn)小偏心受拉；對拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值的構(gòu)件，應(yīng)調(diào)整截面避免設(shè)置型鋼。

4.3.1 小偏心受拉的判別標(biāo)準(zhǔn)

建議以組合墻肢全截面產(chǎn)生拉應(yīng)力作為判斷別標(biāo)準(zhǔn)。如僅為墻肢翼緣處產(chǎn)生拉應(yīng)力時，不作為小偏心受拉，計算時抗震等級不調(diào)整，僅翼緣按特一級構(gòu)造要求配筋。

4.3.2 小偏心受拉的加強措施

中震時出現(xiàn)小偏心受拉的混凝土構(gòu)件應(yīng)按《高規(guī)》第3.10.5條要求，對彎矩和剪力進行調(diào)整。一般部位的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率應(yīng)取為0.35 %，底部加強部位的水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率應(yīng)取為0.40 %。約束邊緣構(gòu)件縱向鋼筋最小構(gòu)造配筋率應(yīng)取為1.4 %，配箍特征值宜增大20 %；構(gòu)造邊緣構(gòu)件縱向鋼筋的配筋率不應(yīng)小于1.2 %。

僅高度超限的剪力墻結(jié)構(gòu)住宅其他結(jié)構(gòu)措施基本與非超限結(jié)構(gòu)相同，考慮到超高層層數(shù)較多，梁配筋分段層數(shù)不宜過大，以滿足精細化設(shè)計原則。

5 結(jié)束語

該工程前期已順利通過超限高層專項審查并完成施工圖設(shè)計，目前已進入竣工驗收階段。經(jīng)向建設(shè)單位了解該工 程結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性控制較好，地面以上結(jié)構(gòu)混凝土含量約為0.41m3/m2，鋼筋含量約為60kg/m2。該經(jīng)濟性指標(biāo)與本地區(qū)高度140m的非超限高層住宅相比約提高10%左右，差異不大。通過該項目的實踐，說明只要在此類項目中重視結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化及采取合理的加強措施，是可以同時滿足安全性及經(jīng)濟性要求的。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 呂西林. 超限高層建筑工程抗震設(shè)計指南[M]. 第2版, 同濟大學(xué)出版社, 2009.

[3] 建質(zhì)[2015]67號 超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點[S]. 2015.

馬俊 (1983～),男 ，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究；黃聰(1988～)， 女， 工學(xué)碩士，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及研究。

TU201.7

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[定稿日期]2017-06-28