高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題探析

文/馬恩品 阜陽建筑設(shè)計(jì)研究院 安徽阜陽 236010

1、高層剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 墻體布置數(shù)量的優(yōu)化

剪力墻布置數(shù)量盡量減少。實(shí)際工程中，有應(yīng)避免剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度過大，設(shè)計(jì)時(shí)控制其基本自震周期0.05n～0.08n(n為結(jié)構(gòu)總層數(shù)）較為適宜。

剪力墻的布置數(shù)量還可以用層間位移角指標(biāo)來控制，純剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角限值為1/1000,工程設(shè)計(jì)中要盡量靠近這一數(shù)值，如果計(jì)算結(jié)果相差太多（如接近1/2000），說明剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，剪力墻布置數(shù)量太多，應(yīng)適當(dāng)減少墻體數(shù)量。

1.2 減少約束邊緣構(gòu)件數(shù)量

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，約束邊緣構(gòu)件的配筋范圍和配筋率要求都比構(gòu)造邊緣構(gòu)件高出不少，一般構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋比約束邊緣構(gòu)件配筋減少40%以上。如果控制剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3-2010表7.2.14的規(guī)定值，則在底部加強(qiáng)區(qū)的墻體可不設(shè)約束邊緣構(gòu)件，而代之以配筋更少的構(gòu)造邊緣構(gòu)件?？刹捎锰岣呒袅Φ幕炷翉?qiáng)度等級等方法，使墻體軸壓比降至規(guī)定范圍之內(nèi)，這樣以來，約束邊緣構(gòu)件則可由構(gòu)造邊緣構(gòu)件取代，縱筋也可由計(jì)算值控制降為構(gòu)造控制，此方式經(jīng)濟(jì)效益明顯。

1.3 剪力墻的厚度和配筋的優(yōu)化

由于剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度較大，一般均能滿足規(guī)范的要求，通常在低烈度區(qū)，反應(yīng)整體剛度的樓層位移角可遠(yuǎn)小于規(guī)范限值要求。同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，所承擔(dān)的地震作用也越大，因此，在滿足穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求的前提下，適當(dāng)減薄剪力墻的厚度，有利于改善剪力墻的抗震性能。如在抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，底部加強(qiáng)部位墻厚200mm，底部加強(qiáng)部位以上160mm，一般均可滿足要求。

歷次震害中，并未發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)由于墻體少筋而產(chǎn)生破壞。剪力墻如能合理的布置、截面合理取值，其配筋多半不是計(jì)算內(nèi)力控制而是構(gòu)造配筋，這樣其節(jié)點(diǎn)區(qū)主筋、箍筋以及墻段的水平分布筋的配筋率都可以按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率配置。需要指出的是，抗震墻約束邊緣構(gòu)件中的箍筋配置量也與鋼筋的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，為使其配筋直徑不過大、箍筋肢距不過密，配筋量不太高，宜采用高強(qiáng)鋼筋。剪力墻鋼筋建議采用強(qiáng)度等級HRB400及以上高強(qiáng)度鋼筋以降低用鋼量。

1.4 盡量避免短肢剪力墻

短肢剪力墻是指截面厚度不大于300，并且各肢墻截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻。

由于短肢剪力墻抗震性能較差，且缺乏實(shí)際地震考驗(yàn)，在高層住宅結(jié)構(gòu)中不宜布置過多。規(guī)范規(guī)定，高層建筑不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻必須與一般剪力墻或剪力墻筒體共同使用，以增加抗震防線。新高規(guī)JGJ3-2010對短肢剪力墻不再要求提高抗震等級，但降低了軸壓比限值（比原規(guī)范降0.05）。

采用短肢剪力墻較多的結(jié)構(gòu)，必須采取抗震加強(qiáng)措施，致使用鋼量明顯加大。JGJ3-2010第7.2.2條規(guī)定的短肢剪力墻的全部豎向鋼筋的配筋率遠(yuǎn)大于7.2.17條規(guī)定的普通剪力墻的配筋率。綜合考慮，短肢剪力墻配筋率比普通剪力墻配筋率大30%以上。因此，在布置剪力墻時(shí)應(yīng)盡量避免形成短肢剪力墻，墻肢長度應(yīng)設(shè)計(jì)的比8倍墻厚稍大50～100mm，沒有條件加長時(shí)可考慮不設(shè)此段墻肢，采用梁連接。

2、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 宜采用帶邊框的剪力墻

框架剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻宜采用周邊有框架梁和端柱（邊框柱）的剪力墻形式。研究表明取消端柱（邊框柱）可使剪力墻承載力下降20%～30%。剪力墻取消框架梁以后，其承載力下降約10%。確實(shí)無法設(shè)置框架梁時(shí)，也應(yīng)設(shè)置暗梁代替。暗梁的高度可取墻厚2倍或與框架梁等高，并不宜小于400mm，暗梁的配筋應(yīng)滿足同層框架梁相應(yīng)抗震等級的最小配筋要求，對于比較重要的高層建筑，其底部加強(qiáng)區(qū)及以上一～二層暗梁配筋尚宜同時(shí)滿足承受本層豎向荷載要求。剪力墻邊柱（邊框柱）截面宜與同層框架柱相同，并應(yīng)滿足框架柱的構(gòu)造要求。緊靠剪力墻洞口的端柱（邊框柱）和剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)的端柱（邊框柱）宜按柱箍筋加密區(qū)的要求沿柱全高加密箍筋。

2.2 高烈度區(qū)的高層建筑不宜采用純框架結(jié)構(gòu)，宜優(yōu)先考慮框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

唐山地震震害調(diào)查證明，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震能力明顯高于框架結(jié)構(gòu)。汶川地震的震害也表明，框架結(jié)構(gòu)的震害較重，即使主體結(jié)構(gòu)未倒塌，其外圍護(hù)墻及隔斷墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞嚴(yán)重，容易造成人員傷亡。高烈度區(qū)的高層建筑采用純框架結(jié)構(gòu)，即使結(jié)構(gòu)計(jì)算通過（如周期、位移限值等滿足），在結(jié)構(gòu)受力上也是不合理、不經(jīng)濟(jì)的。這樣的結(jié)構(gòu)，梁柱斷面大，用鋼量大，側(cè)向位移偏大，地震中非結(jié)構(gòu)構(gòu)件易于破壞。為此，全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施（2009版）-結(jié)構(gòu)（混凝土結(jié)構(gòu)）將《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010框架結(jié)構(gòu)的適用高度予以降低（50%左右），建議6度區(qū)不高于30m,7度區(qū)不高于24m,8度區(qū)不高于20m(5層）。其適宜高度嚴(yán)于國家規(guī)范，可供設(shè)計(jì)人員參考使用。

2.3 抗震設(shè)計(jì)時(shí)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中的樓梯間，周邊宜布置剪力墻，并宜采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓梯

樓梯構(gòu)件應(yīng)支撐在剪力墻上。當(dāng)樓梯周邊不能布置剪力墻時(shí)，樓梯及周邊構(gòu)件的抗震措施應(yīng)滿足框架結(jié)構(gòu)中樓梯的設(shè)計(jì)要求。

汶川地震的震害表明，框架結(jié)構(gòu)中的樓梯及周邊構(gòu)件破壞嚴(yán)重，但框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的樓梯構(gòu)件基本保持完好，主要原因是樓梯間周邊設(shè)置的剪力墻組成了筒體，對樓梯構(gòu)件起到了很好的保護(hù)作用。因此，建議抗震設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的在樓梯間周邊設(shè)置剪力墻。

3、地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

下面以我市部分高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析。

我市高層建筑地下室大多為一層，埋深約5.5m,基礎(chǔ)持力層一般選擇第（2）或（3）層粉質(zhì)粘土，承載力特征值fak=220～240kPa,壓縮模量Es1-2 = 8～10 MPa 。一般20層以下可采用天然地基（不包括與裙房地下室連通的情況），20層以上一般采用CFG復(fù)合地基或樁筏基礎(chǔ)。

天然地基沉降量計(jì)算中，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)影響較大。下表是我市部分高層建筑計(jì)算沉降量（未進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正）和實(shí)際平均沉降量的數(shù)據(jù)比較。

本市20層以內(nèi)部分高層建筑沉降量一覽表

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011表5.3.4規(guī)定，體形簡單的高層建筑基礎(chǔ)的平均沉降量限值為200mm。我市高層建筑基礎(chǔ)沉降量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)一般取0.30～0.35左右，20層以下高層建筑實(shí)際沉降量一般不超過50mm。

我市部分20層以下的高層建筑，本地設(shè)計(jì)單位在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，天然地基承載力經(jīng)修正后能滿足強(qiáng)度要求,計(jì)算沉降量時(shí)，一般均會(huì)考慮沉降量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，地下室采用筏板基礎(chǔ)。經(jīng)過10多年實(shí)踐證明，均未發(fā)現(xiàn)高層房屋平均沉降過大、整體傾斜超限等問題。當(dāng)主樓與裙房地下室連為一體式時(shí)，主樓邊柱下的地基承載力修正用的基礎(chǔ)計(jì)算埋深可按裙房等效埋深確定。外地設(shè)計(jì)單位計(jì)算地基沉降量時(shí)，由于未考慮沉降量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),計(jì)算沉降量接近200mm時(shí)，往往采用樁筏基礎(chǔ)或CFG復(fù)合地基處理，增加造價(jià)，顯得過于保守，有必要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。甚至有些外地設(shè)計(jì)院在本市設(shè)計(jì)的12層商住樓也采用樁筏基礎(chǔ)，明顯過于保守，有很大的優(yōu)化空間。

結(jié)語：

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)量大面廣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選型合理，參數(shù)取值準(zhǔn)確，可以在滿足規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)等前提條件下降低結(jié)構(gòu)造價(jià)，提高抗震性能，增大使用空間，縮短施工工期，符合節(jié)能，環(huán)保、綠色的可持續(xù)發(fā)展觀。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要做到技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一，力求在技術(shù)先進(jìn)的前提下達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠。