高層住宅混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化分析

余文韜

（翰林（福建）勘察設(shè)計有限公司，福建 福州 350001）

高層住宅是城市發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，它不僅為人們擋風(fēng)遮雨，也是人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分。在人類的住宅發(fā)展過程中，建筑造型越來越多元化，建筑的功能也越來越人性化。如何更好地實現(xiàn)建筑師的高層住宅設(shè)計意圖，是結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化中需解決的關(guān)鍵問題。

1 高層建筑的結(jié)構(gòu)特征

高層住宅在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要要考慮豎向荷載和水平荷載兩個因素。其中豎向荷載主要包括結(jié)構(gòu)本身自重、施工或建成使用中的活荷載以及豎向地震作用等；水平荷載主要包括風(fēng)荷載和水平地震作用。豎向荷載作用下的受力情況相對簡單，根據(jù)傳統(tǒng)的力學(xué)知識即可進(jìn)行分析設(shè)計，但水平荷載作用下的受力情況相對復(fù)雜，而且對高層住宅的結(jié)構(gòu)起控制作用的往往是風(fēng)荷載和水平地震作用。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的要點

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化可分為方案設(shè)計階段及施工圖設(shè)計階段。在方案設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)確定結(jié)構(gòu)體系，結(jié)合建筑功能確認(rèn)合理的結(jié)構(gòu)布置；在施工圖設(shè)計階段，則主要是考慮控制結(jié)構(gòu)施工的可行性。因此，前期方案階段對高層住宅造價的影響最大，施工圖階段重點只是根據(jù)不同工程師的設(shè)計習(xí)慣把控配筋量。根據(jù)工作經(jīng)驗，筆者簡要歸納出結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的幾個要點。

2.1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

目前，普通高層住宅常用的結(jié)構(gòu)形式有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是指由梁、柱組成框架來抵抗水平荷載和豎向荷載的結(jié)構(gòu)形式。其特點是空間布置靈活可改造性大，結(jié)構(gòu)自重輕，但也存在剛度較差、抗側(cè)力能力弱等缺陷，對水平荷載承載力較低，所以普遍用于低烈度且對住宅品質(zhì)要求不高的小高層結(jié)構(gòu)。

剪力墻結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在高層結(jié)構(gòu)中最常使用的結(jié)構(gòu)體系，指的是由抗側(cè)剛度大的鋼筋混凝土墻體承受全部水平荷載和豎向荷載的結(jié)構(gòu)形式。其特點是結(jié)構(gòu)體系剛度較大，空間整體性能較好，且呈現(xiàn)出良好的抗震性能，但剪力墻結(jié)構(gòu)中的墻體不像框架結(jié)構(gòu)填充墻可拆除，不能形成大空間，不利于用戶后期使用功能改造。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點兼有框架及剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點，即在剪力墻結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的框架柱，這種結(jié)構(gòu)布置及使用上比剪力墻結(jié)構(gòu)靈活、方便，剛度及抗震能力上比框架結(jié)構(gòu)有著明顯的提升，但其抗側(cè)剛度不如剪力墻結(jié)構(gòu)體系，所以主要還是用于低烈度高層中。

綜合經(jīng)濟(jì)性及住宅的品質(zhì)要求，筆者認(rèn)為6度、7度、8度區(qū)，高度≤80m建議采用剪力墻結(jié)構(gòu)或少柱剪力墻結(jié)構(gòu)；6度區(qū)，高度≤60m可采用框剪結(jié)構(gòu)。

2.2 合理結(jié)構(gòu)布置

高層住宅在方案階段往往為了迎合開發(fā)商的需求，刻意追求戶型而忽視了結(jié)構(gòu)的合理性，這樣不僅增加結(jié)構(gòu)造價，而且常常使局部構(gòu)件受力集中，結(jié)構(gòu)體系不合理。如下案例：某住宅為7度區(qū)（0.1g）、地震分組二組、二類場地、基本風(fēng)壓0.8kN/m2的32層高層住宅，方案階段結(jié)構(gòu)工程師為了滿足建筑及規(guī)范的要求，布置剪力墻偏多且無法拉通，剪力墻的傳遞水平力效率低，結(jié)構(gòu)布置不合理（見圖1）。筆者在校審時與建筑師溝通，調(diào)整部分房間開間尺寸，使剪力墻盡量拉通，增加分戶墻厚度，去除部分戶內(nèi)剪力墻（見圖2）。調(diào)整后的結(jié)構(gòu)布置，傳力途徑清晰明確且建筑空間和功能沒有被破壞，得到建筑師及業(yè)主的認(rèn)可。

圖1 方案階段結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 調(diào)整后結(jié)構(gòu)平面布置圖

2.3 建筑高寬比

基于人們居住習(xí)慣，大部分業(yè)主喜歡南北通透的戶型，所以目前很多住宅的戶型都采用“板式”結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致很多高層住宅的高寬比較大。雖然規(guī)范中對建筑的高寬比沒有明確的限制，但高寬比是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)濟(jì)性的一個重要指標(biāo)。結(jié)合以下幾個實際項目（見表1），可知高寬比超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定越大，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性越差。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，為了確保結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，高寬比應(yīng)盡量控制在最大高寬比1.3～1.5倍。

表1 不同高寬比經(jīng)濟(jì)性對比

2.4 柱墻率

柱墻率指的是標(biāo)準(zhǔn)層豎向構(gòu)件截面面積總和占建筑標(biāo)準(zhǔn)層使用面積的百分比。在高層住宅中，構(gòu)件用鋼量豎向構(gòu)件∶梁∶板約為2∶1.5∶1，由此可見，豎向構(gòu)件的用鋼量是最多的。由于過多的豎向構(gòu)件會影響建筑空間功能布置，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中控制豎向構(gòu)件的面積數(shù)量對住宅的經(jīng)濟(jì)性、使用性有明顯的作用。根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗，總結(jié)如下的柱墻率（見表2）。

表2 不同地震烈度、加速度（風(fēng)壓）柱墻率建議

2.5 嵌固端的選擇

現(xiàn)在的高層住宅往往都有大底盤地下室，如何選擇嵌固端對建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性及合理性起到重要作用?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對嵌固端的要求較高（主要是地下室與地上一層的剛度比），所以很多結(jié)構(gòu)工程師習(xí)慣將嵌固端設(shè)置在地下室底板。但這種計算模型的假定所得出的嵌固端僅為計算嵌固端，筆者認(rèn)為不妥。嵌固端為預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的位置，大底盤的地下室即使通過計算無法滿足規(guī)范嵌固要求，但實際還是對結(jié)構(gòu)起到嵌固作用。根據(jù)筆者的經(jīng)驗，在選取嵌固端的時候應(yīng)結(jié)合實際情況，盡量將嵌固端取到地下室頂板，實在無法滿足剛度比的情況下，應(yīng)按嵌固在頂板（實際嵌固端）與嵌固在地下室底板（計算嵌固端）兩個計算模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

3 結(jié)束語

總的來說，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展人民生活水平的提高，對高層住宅的品質(zhì)、功能要求越來越高，高層住宅的發(fā)展趨勢越來越國際化，設(shè)計樣式越來越多，這對高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度也越來越大，結(jié)構(gòu)設(shè)計受重視的程度日趨提高，在一定程度上將確保各類建設(shè)項目的順利運行。