羅 軍

(廈門合道工程設(shè)計集團(tuán)有限公司 福建廈門361004)

引 言

廈門杏林灣位于集美區(qū)杏林東南部，在杏濱路以東、杏林大橋以南的海邊，集中了廈門島外密度最大的住宅區(qū)(且多為超高層住宅)，該處風(fēng)荷載大，地質(zhì)情況復(fù)雜，筆者所在公司在此承接了建筑面積一百多萬平米的設(shè)計任務(wù)，作為設(shè)計團(tuán)隊的一份子，就杏林灣一帶最常見的超高層住宅(建筑高度110～120m)談?wù)勛约旱慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計體會，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 場地概況

建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.15g，設(shè)計地震分組:第二組;場地類別:Ⅱ～Ⅲ類。規(guī)范特征周期Tg=0.40～0.55sec，安評特征周期Tg=0.50～0.60sec，地震影響系數(shù)最大值規(guī)范0.12g，安評0.138～0.146g;框架抗震等級二級，剪力墻抗震等級二級。50年一遇的基本風(fēng)壓:0.8kN/m2，地面粗糙度類別取A類。

2 建筑結(jié)構(gòu)概況

本次選取比較典型的三棟近120m超高層住宅，即板式、規(guī)則點式、不規(guī)則點式(以下簡稱板式、規(guī)則、不規(guī)則)，其建筑條件(如表1);場地周期，加速度(如表2):

表1 建筑概況表

表2 場地概況表

2.1 建筑效果圖(如圖1，圖2)

圖1 板式超高層住宅(兩結(jié)構(gòu)單體，左右對稱)

圖2 規(guī)則點式與不規(guī)則點式超高層住宅

2.2 平面圖(如圖3，圖4，圖5)

圖3 板式住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖4 規(guī)則點式住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

圖5 不規(guī)則點式住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2.3 剖面圖(如圖6)

圖6 板式、規(guī)則點式、不規(guī)則點式(從左至右)住宅剖面圖

3 結(jié)構(gòu)選型，高寬比、水平荷載分析

3.1 結(jié)構(gòu)選型

從結(jié)構(gòu)造價、施工便捷性角度出發(fā)，選用現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu);因為項目均為住宅，從建筑使用空間角度考慮，不希望出現(xiàn)突出室內(nèi)的柱、跨房間梁等，因此結(jié)構(gòu)體系選擇剪力墻結(jié)構(gòu)體系。砼強(qiáng)度等級豎向構(gòu)件C50～C30，水平構(gòu)件C35～C30。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)劣性分析

規(guī)則點式因其平面規(guī)則、高寬比最小，為結(jié)構(gòu)最優(yōu);板式因進(jìn)深小，且屋頂構(gòu)架高(如圖6)為結(jié)構(gòu)最差;不規(guī)則點式則介于二者之間。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)的高寬比

規(guī)則點式平面的寬度容易得到，但板式和不規(guī)則點式的平面較為復(fù)雜，在此參照廣東省實施《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2002)補充規(guī)定3.2.2條:“…當(dāng)建筑平面非矩形時，可取平面的等效寬度B=3.5r，r為建筑平面(不計外挑部分)最小回轉(zhuǎn)半徑。”［1］，從而求出弱軸方向高寬比，具體(如表3):

表3 結(jié)構(gòu)高寬比表

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3－2010)第3.3.2條［2］，高層鋼筋砼結(jié)構(gòu)的高寬比在7度區(qū)不宜大于6;板式住宅顯然超過這個值，高寬比的控制是對結(jié)構(gòu)體系綜合指標(biāo)的宏觀控制，如果高寬比過大，就會對結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面的設(shè)計和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的控制帶來不小的挑戰(zhàn)。

3.4 水平荷載作用下結(jié)構(gòu)基底剪力分析

從結(jié)構(gòu)初步電算得出各棟樓水平荷載工況下的基底剪力值(單位kN)，X、Y向分別(如表4、表5):

表4 X向水平荷載作用下結(jié)構(gòu)基底剪力表(kN)

表5 Y向水平荷載作用下結(jié)構(gòu)基底剪力表(kN)

從以上指標(biāo)可以看出，3個項目地震基底剪力有無安評相差6%～34%(不規(guī)則點式超高層對地震力敏感)，因此結(jié)構(gòu)計算均采用安評值;Y向風(fēng)工況基底剪力比地震工況基底剪力部分大22%～85%，由此可見，該場地水平荷載尤其是風(fēng)荷載較大。

4 結(jié)構(gòu)體系的變形分析及布置原則

4.1 通過結(jié)構(gòu)試算，變形控制工況(如表6)

表6 結(jié)構(gòu)變形控制工況分析表

從(表6)看出，結(jié)構(gòu)弱軸方向的荷載控制工況全部為風(fēng)荷載工況;風(fēng)荷載與建筑體型密切相關(guān)而與結(jié)構(gòu)主體關(guān)聯(lián)性較小(僅風(fēng)振相關(guān))，而地震荷載與結(jié)構(gòu)剛度、周期、自重等息息相關(guān)，因此應(yīng)把握水平荷載的類型在結(jié)構(gòu)體系布置時采取不同的措施。

4.2 剪切變形與彎曲變形

抗側(cè)力剛度較弱的結(jié)構(gòu)體系(比如框架結(jié)構(gòu))，其水平力作用下的變形以剪切變形為主，抗側(cè)力剛度較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)體系(比如剪力墻結(jié)構(gòu))，其水平力作用下的變形以彎曲變形為主，框－剪體系則介于二者之間，整體彎曲變形主要體現(xiàn)在豎向構(gòu)件在傾覆彎矩作用下的拉壓變形，因此對于剪力墻結(jié)構(gòu)，要加強(qiáng)關(guān)鍵位置(離剛心較遠(yuǎn)且整體性較好的位置)的豎向構(gòu)件軸向剛度，就可提高整體抗彎剛度，減小彎曲變形，控制樓層最大層間位移角。

4.3 剪力滯后效應(yīng)

“剪力滯后效應(yīng)在結(jié)構(gòu)工程中是一個普遍存在的力學(xué)現(xiàn)象，小至一個構(gòu)件，大至一棟超高層建筑，都會有剪力滯后現(xiàn)象，具體表現(xiàn)是:在某一局部范圍內(nèi)，剪力所能起的作用有限，所以正應(yīng)力分布不均勻”［3］。剪力滯后效應(yīng)會降低整體抗彎剛度;如果要減少剪力滯后效應(yīng)，應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系整體性特別是加強(qiáng)關(guān)鍵豎向構(gòu)件(或筒體)之間的連接。

4.4 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系布置原則

經(jīng)過4.1～4.3的分析，結(jié)構(gòu)布置原則如下:

①找出關(guān)鍵位置的豎向構(gòu)件并予以加強(qiáng)(提高整體抗彎剛度，原理類似于加強(qiáng)工字鋼的翼板)。②盡量對齊縱、橫向墻體位置，加強(qiáng)整體性，減小剪力滯后效應(yīng)(原理類似于設(shè)計工字鋼的腹板)③對抗側(cè)力剛度幫助不大的構(gòu)件以承受豎向荷載為主來設(shè)計，以合理低限設(shè)計結(jié)構(gòu)斷面，減輕結(jié)構(gòu)自重。通過加強(qiáng)關(guān)鍵位置的豎向構(gòu)件和減小剪力滯后效應(yīng)形成高效抗側(cè)力體系，從而實現(xiàn)以較小代價達(dá)到結(jié)構(gòu)需求的抗側(cè)剛度的設(shè)計目的。

另外，從建筑使用功能的角度出發(fā)，剪力墻布置做如下建議:①優(yōu)先考慮樓、電梯井，分戶墻位置，可減少被轉(zhuǎn)換的概率。②布置在樓、電梯井盡量形成筒體，筒體內(nèi)墻從底部開始就采用最小斷面至頂，降低建筑公攤。

5 結(jié)構(gòu)體系的布置要點與結(jié)構(gòu)計算模型、參數(shù)的處理

在杏林灣位置的超高層住宅存在水平荷載大，高寬比大的不利因素，在建筑方案確定的前提下，合理布置結(jié)構(gòu)體系，以較小代價達(dá)到結(jié)構(gòu)需求的抗側(cè)剛度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心問題。

5.1 布置要點

5.1.1 板式住宅

X向:利用周圈凸窗設(shè)計高連梁、提高整體剛度。

Y向:南北向離剛心較遠(yuǎn)位置設(shè)置厚墻、大斷面柱(如圖7中涂黑部分的豎向構(gòu)件)，利用樓電梯井形成筒體;加強(qiáng)南北向連接;盡量對齊剪力墻。

5.1.2 規(guī)則點式住宅

建筑外周圈剪力墻體通過凸窗位置高連梁圍成筒體，內(nèi)部樓電梯間圍成筒體;加強(qiáng)內(nèi)外筒體連接。

5.1.3 不規(guī)則點式住宅

建筑外周圈剪力墻體盡量滿布，周圈凸窗位置均設(shè)計為高連梁;離剛心較遠(yuǎn)位置設(shè)置筒體并適當(dāng)加厚墻體(如圖9中涂黑部分的豎向構(gòu)件)。

5.1.4 具體結(jié)構(gòu)平面布置(如圖7，圖8，圖9):

圖7 板式住宅結(jié)構(gòu)平面圖

5.2 結(jié)構(gòu)計算模型中部分構(gòu)件、參數(shù)的處理

5.2.1 連梁:計算模型處理方式分兩種，墻上開洞方式和按普通梁方式，按墻上開洞方式輸入計算則軟件一般按殼單元處理，按普通梁方式輸入則軟件一般按桿單元處理，前者的力學(xué)模型更貼切實際情況，整體性比后者大甚至大很多，因此在結(jié)構(gòu)計算模型中連梁盡量按墻上開洞方式輸入。

5.2.2 連梁剛度折減系數(shù):風(fēng)荷載工況下取1.0，地震工況取0.5～0.7。

5.2.3 帶邊框柱剪力墻:傳統(tǒng)軟件將剪力墻作殼單元處理(不考慮面外剛度)，邊框柱作桿單元處理，在承受垂直于剪力墻方向彎矩時未考慮剪力墻的有利作用而全部由邊框柱承擔(dān)，會造成邊框柱設(shè)計不合理，解決辦法是讀出內(nèi)力手算復(fù)核或采用能考慮剪力墻的有利作用的軟件。

圖8 規(guī)則點式住宅結(jié)構(gòu)平面圖

圖9 不規(guī)則點式住宅結(jié)構(gòu)平面圖

5.2.4 位移比對層間位移角的影響:當(dāng)樓層層間位移角不滿足規(guī)范要求時，不要盲目去做加法，應(yīng)該分析是由于整體剛度不足造成還是扭轉(zhuǎn)造成，如果是扭轉(zhuǎn)造成則調(diào)整剛心位置去解決，如果是整體剛度不足(位移比已很小)則應(yīng)再加強(qiáng)整體剛度。

5.3 主要計算結(jié)果

表7 主要計算結(jié)果

6 豎向構(gòu)件的設(shè)計與優(yōu)化

在主體結(jié)構(gòu)的砼用量中，板式超高層住宅剪力墻所占的砼體積比例一般在2/3左右，點式超高層一般也占到50%以上，同時剪力墻中邊緣構(gòu)件的用鋼量又占到整個剪力墻用鋼量的2/3左右，因此整個結(jié)構(gòu)體系設(shè)計是否經(jīng)濟(jì)重點在于剪力墻以及其邊緣構(gòu)件的設(shè)計是否合理;剪力墻在設(shè)計中注意問題如下:

(1)多布長墻少布短肢墻，在優(yōu)化墻體時先考慮優(yōu)化墻厚，后考慮優(yōu)化墻長;設(shè)置的厚墻、端柱在通過了層間位移角最大樓層后應(yīng)及時收斷面。

(2)在結(jié)構(gòu)電算模型初步定案后，應(yīng)在圖中畫出邊緣構(gòu)件范圍并推敲其合理性，修改完成后再反饋到電算模型中。

(6)端柱的含鋼率較剪力墻高，如結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求較高，則要把端柱斷面設(shè)計至合理低限。

(4)組合墻、邊框柱、端柱應(yīng)按照合并的組合墻截面進(jìn)行配筋。

(5)在約束邊緣構(gòu)件區(qū)域，計算體積配箍率時考慮墻身水平筋伸入邊緣構(gòu)件作箍筋，優(yōu)化配筋同時提高墻體的整體性;在構(gòu)造邊緣構(gòu)件區(qū)域，暗柱箍筋除外圍采用封閉箍外，內(nèi)部采用拉鉤隔一拉一，在優(yōu)化配筋的同時使其與約束邊緣構(gòu)件區(qū)域承載力有所差別，形成多道防線。

7 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)的建筑適用性評估

在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)體系定案后應(yīng)及時評估結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和適用性，避免后面返工:

7.1 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性評估

上部(±0.000以上)的結(jié)構(gòu)單方經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(如表7):

表7 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

通過以上指標(biāo)可以看出，在地震烈度7.5度，風(fēng)荷載較大地區(qū)，建筑物高寬比以及結(jié)構(gòu)的規(guī)則性對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響較大，以上三棟建筑的砼單方指標(biāo)比值為1:0.72:0.89;鋼筋單方指標(biāo)比值為1:0.78:0.92;三個項目的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均在可以接受的范圍內(nèi)。

7.2 結(jié)構(gòu)對建筑空間的適用性評估

(1)板式住宅:除少數(shù)北面外墻較厚外(500～600mm)，其余墻體厚度在第3層以上均不大于200mm，除凸窗外，梁高不大于450，梁寬不大于200，在高寬比超規(guī)范很多、水平荷載很大的地區(qū)達(dá)到了結(jié)構(gòu)與建筑在使用空間上的基本和諧統(tǒng)一。

(2)規(guī)則點式住宅:除底層墻厚300～400外，標(biāo)準(zhǔn)層以250，200厚度為主，除凸窗位置外，其余主梁高不大于570;滿足建筑要求。

(3)不規(guī)則點式住宅:除底層及三個控制彎曲變形的角部墻厚為300～400外，標(biāo)準(zhǔn)層以250，200厚度為主，除凸窗位置外，其余主梁高不大于570;滿足建筑要求。

8 結(jié)論

本文以三棟具體的超高層住宅建筑為例，總結(jié)出廈門杏林灣這一水平荷載較大地區(qū)超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的流程:

(1)在水平荷載大、高寬比大情況下，通過加強(qiáng)關(guān)鍵位置豎向構(gòu)件和減小剪力滯后效應(yīng)形成高效抗側(cè)力體系，實現(xiàn)以較小代價達(dá)到結(jié)構(gòu)需求抗側(cè)剛度的目的。

(2)通過第(1)點布置出合理的結(jié)構(gòu)體系后，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)計算模型、電算參數(shù)的處理方面抓住重點，使其符合實際情況;最后落實到具體的每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計上來。

(3)板式超高層住宅因其大開間、小進(jìn)深的原因在采光通風(fēng)方面有著天然的建筑優(yōu)勢，但其結(jié)構(gòu)造價是最高的，適用于高附加值的項目;規(guī)則點式結(jié)構(gòu)造價是最低，但在沿海地區(qū)與板式比較具一定建筑劣勢，適用于高容積率項目;不規(guī)則點式則介于上述兩者之間。

(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，在初步設(shè)計階段應(yīng)及時評估結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和適用性，避免后面返工，使整個工程設(shè)計和諧統(tǒng)一。

［1］廣東省實施《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2002)補充規(guī)定(DBJ/T5－46－2005).

［2］JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］，北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］源自網(wǎng)絡(luò)資料.