高層房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

劉宇華

（廣西壯族自治區(qū)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計院，南寧 530022）

1 引言

在經(jīng)濟迅速發(fā)展的時代背景下，人們對房屋建筑實用性、功能性等要求越來越高[1]，高層住宅成為當(dāng)代人們關(guān)注的重點。為了提高住宅的品質(zhì)，滿足當(dāng)代人們對房屋建筑品質(zhì)的追求，住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求越來越高。如果結(jié)構(gòu)布置不合理，尤其是作為關(guān)鍵構(gòu)件的剪力墻，如果布置不當(dāng)，受風(fēng)荷載或者受到地震等自然災(zāi)害影響時，結(jié)構(gòu)位移很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。地震災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)的影響相對較大，在高烈度地區(qū)尤為明顯。所以，急需探究基于提升抗震性能的高層房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案。目前，針對高層房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化的研究比較多，本文嘗試引入結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化思想，從不同的視角提出新的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化思路。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

高層房屋建筑對抗震性能的要求更高，為了滿足此項要求，目前很多設(shè)計方案從墻體長度、厚度出發(fā)來提高結(jié)構(gòu)整體支撐力及抗側(cè)力能力，以此改善建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能[3]。然而這種設(shè)計方案在模擬分析和實踐操作中體現(xiàn)出的性能都較差，未能達(dá)到高層建筑抗震規(guī)范要求。所以，當(dāng)前許多高層房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然布置了較多的剪力墻，但計算結(jié)果顯示仍存在嚴(yán)重的抗震性能不足的問題。

3 基于結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的房屋建筑結(jié)構(gòu)抗震性能改進(jìn)

查閱大量文獻(xiàn)資料了解到，剪力墻的布置對結(jié)構(gòu)抗震性能影響較大。如果可以減少短肢剪力墻，同時保證墻肢布置結(jié)構(gòu)整齊均勻，便可以起到很好的抗震性能提升作用[4]。該項理論的提出，對房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計幫助較大。因此，本文研究從剪力墻布置角度出發(fā)，嘗試提高抗側(cè)效率，達(dá)到改善建筑抗側(cè)剛度的目的。分析建筑核心層的抗震性能需求，通過計算獲取樓板內(nèi)力，采取配筋處理，以此改善剪力傳遞作用[5]。另外，從建筑結(jié)構(gòu)的高度和寬度出發(fā)，對側(cè)向剛度的抗震性能加以控制，以此優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)[6]。為了加深此部分內(nèi)容的探究，本文將以某工程項目為例，對建筑結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化設(shè)計，通過對比優(yōu)化前后抗震性能指標(biāo)的變化情況，檢驗高層房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的有效性。

3.1 工程概況及自然條件

本工程位于市中心生活區(qū)，房屋的結(jié)構(gòu)總建筑高度105.5 m，地上38 層，屬于A 級高度建筑。按照建筑功能的不同，對樓層的層高進(jìn)行設(shè)置。其中，首層為建筑結(jié)構(gòu)的架空層，高度設(shè)置為4.7 m，其他標(biāo)準(zhǔn)層（2 樓及以上樓層），層高設(shè)置為2.8 m。

本工程的結(jié)構(gòu)使用年限設(shè)置為50 a，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，安全等級為二級。根據(jù)建筑所處的地區(qū)，抗震設(shè)防烈度為7 度，建筑所處地區(qū)設(shè)計基本地震加速度為0.15g，設(shè)防地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。50 a 重現(xiàn)期基本風(fēng)壓力為0.35 kN/m2，風(fēng)荷載體型系數(shù)按照1.4 計算，因高度大于60 m，承載力計算時采用的風(fēng)壓為基本風(fēng)壓的1.1 倍。按照這些自然條件，對房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 結(jié)構(gòu)形式的選擇

由于本工程進(jìn)深較小只有13.7m，而高度較高達(dá)到105.5m，相應(yīng)的高寬比為7.7。而按照J(rèn)GJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.3.2 條的規(guī)定，高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)最大的高寬比適用值為6。根據(jù)住宅隔墻較多的特點，采用抗側(cè)力較強的剪力墻結(jié)構(gòu)。其中，控制結(jié)構(gòu)的位移角及位移比以及對結(jié)構(gòu)薄弱部位進(jìn)行加強，成為本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。本工程梁板混凝土強度等級為C30；剪力墻混凝土強度等級10 層以下為C60，10 層以上從C60 下降至C30。根據(jù)建筑物高度及建筑結(jié)構(gòu)剪力墻壓軸比限值特點，根據(jù)本建筑結(jié)構(gòu)抗震性能要求，將建筑底部3 層作為底部加強部位。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能分析及優(yōu)化思路

按原初步設(shè)計結(jié)構(gòu)方案，該建筑相鄰的兩個單元，用抗震縫隔開分成了兩個獨立的結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示。這種一個結(jié)構(gòu)單元的單拼方案，結(jié)構(gòu)平面凹進(jìn)尺寸較小，樓板尺寸和平面剛度無急劇變化，結(jié)構(gòu)平面比較規(guī)則。但是因為一個建筑單元的面寬和進(jìn)深都不大，平面尺寸只有23.3 m×13.7 m。水平方向雖然尺寸較大，但是因為橫墻需要開門開窗較多。所以水平方向的剪力墻分布不均勻，而且有效墻長較短，導(dǎo)致該方向抗側(cè)剛度不大。垂直方向，可以布置剪力墻的位置較多，剪力墻也基本對齊，但因為垂直方向長度只有13.7 m，該方向抗側(cè)剛度也不大。通過計算分析，該方案的層間位移比和層間位移角均不滿足規(guī)范要求。

圖1 單拼剪力墻平面布置圖

由計算結(jié)果顯示，最大位移比發(fā)生在水平向，最大值達(dá)到1.37，垂直向達(dá)到1.34。水平方向最不利層間位移為1/833，垂直方向最不利層間位移1/1273，規(guī)范限值1/1 000，水平方向不能滿足規(guī)范限值的要求。通過以上分析可知，單拼方案水平方向抗側(cè)剛度需加強。從剪力墻平面布置來看，水平方向能設(shè)置剪力墻的位置幾乎全部布置了墻體，通過增加剪力墻的數(shù)量來增強抗側(cè)剛度的方法不可行。因此，采用另一個思路做調(diào)整，即采用雙拼方案，兩個建筑單元不設(shè)抗震縫，合并成一個結(jié)構(gòu)單元如圖2所示。雙拼的結(jié)構(gòu)方案，加大了面寬，使水平方向的平面尺寸由23.3 m 加大到46.3 m，高寬比降到2.3。

圖2 雙拼剪力墻平面布置圖

比較單拼和雙拼的結(jié)構(gòu)方案的計算結(jié)果，雙拼方案加大了水平方向的平面尺寸后，最大位移角發(fā)生在水平方向，為1/1 137，垂直方向的最大位移角為1/1 217，水平和垂直方向的最大位移角比較接近，而且均在規(guī)范限值1/1 000 的范圍內(nèi)。比較其他各個抗震指標(biāo)，水平方向最大位移比由1.37 降為1.23，垂直方向最大位移比由1.34 降為1.22；水平和垂直方向的第一周期分別為2.611 5 s 和2.602 4 s，動力特性十分接近，保證了發(fā)生地震時結(jié)構(gòu)體系能夠協(xié)調(diào)地抵抗地震力。上述方案中，針對原方案X向和Y向位移角差異較大問題，本優(yōu)化方案沿著X方向形成大面寬，加大建筑整體架構(gòu)，從而改善X向剛度，使得抗震效果得以提升。另外，根據(jù)計算結(jié)果，位移角還有一定的富余，對于中部剪力墻可適當(dāng)減少布設(shè)數(shù)量，減小剪力墻長度，進(jìn)一步控制結(jié)構(gòu)位移比，使位移比更接近規(guī)范限值，使結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟性進(jìn)一步提升。從性能參數(shù)變化便可以看出，優(yōu)化方案達(dá)到抗側(cè)性能提升的目的，結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性均不同程度得到改善。應(yīng)當(dāng)注意到本方案減少高寬比增大抗側(cè)剛度的方法，是針對建筑方案中存在兩個相鄰對稱的單元的情況，如果只是一個獨立建筑單元，無法加大平面尺寸，不能增加剪力墻數(shù)量，可以采用型鋼混凝土剪力墻的結(jié)構(gòu)形式，此種結(jié)構(gòu)形式的剛度和延性都較好，對改善高層建筑結(jié)構(gòu)的位移角有明顯的作用，但這種結(jié)構(gòu)形式造價高，一般用于高檔寫字樓或地標(biāo)式建筑，住宅類建筑一般不會采用。另外，對于某些品字形的建筑方案，兩兩相連時，凹進(jìn)尺寸大于相應(yīng)總尺寸的70%左右，已經(jīng)大大超過GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）的規(guī)定值，會形成嚴(yán)重不規(guī)則結(jié)構(gòu)，可能造成嚴(yán)重的地震破壞，必須分縫處理。

4 連接板薄弱部位抗震性能改善模擬分析

對照規(guī)范進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，雙拼結(jié)構(gòu)對側(cè)向剛度提升的同時，結(jié)構(gòu)平面產(chǎn)生了新的不規(guī)則問題，雙拼后，在中部拼接位置采光凹槽的連接板處，凹進(jìn)尺寸6.5 m，相應(yīng)的垂直投影方向投影總尺寸為12.75 m，凹進(jìn)比率達(dá)到51%，大于規(guī)范限值的30%。當(dāng)存在水平地震力，該凹槽連接部位樓板要協(xié)調(diào)兩側(cè)主結(jié)構(gòu)時，平面內(nèi)將承受較大的水平力。采用有限元分析軟件進(jìn)行分析計算，以中震作為環(huán)境模擬條件，對優(yōu)化后的雙拼方案樓板抗震性能進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖3所示。模擬結(jié)果顯示，在凹槽連接板的位置，拉應(yīng)力較大，達(dá)到3.1 MPa，而樓層混凝土強度等級為C30，相應(yīng)的軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值僅為2.01 MPa，遠(yuǎn)小于拉應(yīng)力，凹槽連接板可能在地震初期開裂，在往復(fù)地震力作用下裂縫會加大，導(dǎo)致樓板平面內(nèi)的剛度會大大降低，無法協(xié)調(diào)兩側(cè)的結(jié)構(gòu)體共同變形，該部位的樓板需加強。加強的方式，首先，要增加連接板的板厚，降低該部位的混凝土應(yīng)力，本方案中樓板加強范圍內(nèi)板厚由100 mm加厚到150 mm，重新模擬分析，最大應(yīng)力可由3.1 MPa 降至2.0 MPa。另外，通過配置雙層雙向通長鋼筋，增加該部位的延性，延遲連接板的開裂時間，使樓板在多遇地震地震作用下基本處于彈性狀態(tài)，在設(shè)防地震作用下，樓板裂縫寬度及剛度退化也會得到有效的控制。

圖3 中震條件下樓板應(yīng)力云圖（單位：MPa）

5 結(jié)語

本文圍繞高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化展開探究，通過本工程優(yōu)化過程可知，高層建筑的各種抗震性能指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，某項指標(biāo)與限值相差太遠(yuǎn)，一定會導(dǎo)致其他指標(biāo)劣化，需要找出有問題的主要指標(biāo)加以優(yōu)化，其他指標(biāo)也會相應(yīng)得到改善。本方案通過調(diào)整水平向的側(cè)向剛度，使結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能得到提高，保證了結(jié)構(gòu)的安全性，節(jié)省了鋼筋和混凝土用量。另外，本研究采取模擬檢驗的方式，驗證了高層建筑結(jié)構(gòu)樓板薄弱部位的抗震性能，提出了改進(jìn)措施。通過本文內(nèi)容的探究，可以為高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供一些新思路。