石建光　陳家偉　楊信

(廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院　福建廈門　361000)

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某超限高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的第三方審核和優(yōu)化

石建光陳家偉楊信

(廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院福建廈門361000)

某酒店塔樓是一棟180m(含3層避難層)的超限高層建筑，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)，在34層位置有結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。在對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件設(shè)計和施工圖設(shè)計審核的基礎(chǔ)上，從主體框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件布置和構(gòu)件設(shè)計、樓蓋體系的布置和構(gòu)件設(shè)計、荷載取值、計算配筋和施工圖配筋等方面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。采用盈建科、SATWE、MIDAS Building等多種計算軟件進(jìn)行了小震下結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力位移分析；采用EPDA&PUSH對結(jié)構(gòu)在大震下的整體內(nèi)力位移進(jìn)行了分析計算。立足規(guī)范和結(jié)構(gòu)性能要求，對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了修改意見和建議。

第三方審核;超限高層;框架-核心筒;結(jié)構(gòu)設(shè)計計算;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

E-mail:jgshi798@xmu.edu.cn

1　工程概況

這一項目為由酒店塔樓、辦公塔樓、商業(yè)裙房、純地下室組成的建筑群。建筑占地面積為37 915.3m2，總建筑面積209 000m2。

酒店塔樓為一棟40層超限高層酒店建筑，主體建筑高度H=180m，屬于高規(guī)[3]中B級高度的建筑，結(jié)構(gòu)高寬比180/32.0=5.625，酒店塔樓的長寬比L/B=32.0/32.0=1.0，取地下室頂板作為嵌固端。地面一層有部分越層柱直通二層，因此在計算的時刻需要考慮包絡(luò)設(shè)計。到35層以上結(jié)構(gòu)平面內(nèi)收，采用了梁式轉(zhuǎn)換，12根框架柱對4根進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，因此豎向存在不規(guī)則，同時35層平面層高變?yōu)?.4m，36層層高4.5m，懸殊的層高導(dǎo)致豎向剛度突變，35層為薄弱層。

圖1　結(jié)構(gòu)整體模型

圖2　35層以下標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3　35層以上標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面

工程設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，抗震設(shè)防類別為丙類[1]，抗震設(shè)防烈度為6度，水平地震響應(yīng)系數(shù)最大值為0.052(安評報告)，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，Tg=0.40s(安評報告)，基本風(fēng)壓ω0=0.35kN/m2地面粗糙度為B類。整體結(jié)構(gòu)模型見圖 1,最終結(jié)構(gòu)平面圖見圖2和圖3。

2　超限情況及主要技術(shù)措施

2.1超限情況

依據(jù)超限審查細(xì)則[2]，由《高規(guī)》[3]現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最大適用高度的規(guī)定，結(jié)構(gòu)高度超過A級高度小于B級高度。另外還存在3項規(guī)則性超限，主要包括考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2；剛度突變，相鄰層剛度變化大于70%或連續(xù)三層變化大于80%；構(gòu)件間斷，上下墻、柱、支撐不連續(xù)。其中剛度突變和構(gòu)件不連續(xù)，主要是在35層處由于層高增加和體型縮進(jìn)變化導(dǎo)致的。

2.2構(gòu)設(shè)計采取的技術(shù)措施

針對本工程超限情況采取了以下技術(shù)措施：

(1)結(jié)構(gòu)布置：35層層高8.4m，36層層高4.5m，存在豎向剛度突變，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，嚴(yán)格控制34層側(cè)向力剛度不小于相鄰上層的2倍。35層以下，采用型鋼混凝土柱，以增加柱延性，減小配筋，采用梁式轉(zhuǎn)換，為了控制轉(zhuǎn)換梁高采用型鋼梁，同時加強(qiáng)板厚，板厚為180，計算時設(shè)為彈性板。

(2)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)控制：規(guī)定水平力下主塔樓X向偶然偏心的位移比不超過1.15，Y向位移比不超過1.18。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自震周期Tt與平動為主的第一自震周期T1之比小于0.85。

(3)控制軸壓比：按規(guī)范要求不應(yīng)超過0.6，本工程按軸壓比最大為0.55控制。

(4)重視連梁的延性設(shè)計。

(5)關(guān)鍵構(gòu)件設(shè)計：本樓為B級高度的建筑，底部加強(qiáng)區(qū)柱墻豎向縱筋按“中震不屈服”和柱箍筋、墻水平分布筋按“中震彈性”進(jìn)行設(shè)計，確保了關(guān)鍵部位具有足夠的強(qiáng)度和延性。

(6)其它應(yīng)對措施：補(bǔ)充罕遇地震下結(jié)構(gòu)的分析計算，通過變形驗(yàn)算，避免在罕遇地震下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱層；通過塑性鉸出現(xiàn)部位的分析，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的構(gòu)造。

3　第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

3.1主體結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

本工程實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)總高度約為180m，根據(jù)《高規(guī)》[3]，初步?jīng)Q定選用的結(jié)構(gòu)體系為框架核心筒，但框架核心筒亦可以通過材料的改變、混合或組合，演變成不同的結(jié)構(gòu)，如型鋼混凝土柱框架核心筒、鋼筋混凝土框架核心筒、鋼管混凝土柱框架核心筒等。

結(jié)合本工程實(shí)際情況，對于主體結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要就型鋼混凝土柱框架核心筒、鋼筋混凝土框架核心筒、鋼管混凝土柱框架核心筒進(jìn)行對比優(yōu)選，從而決定性能最優(yōu)的主體結(jié)構(gòu)體系。

若采用鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)，無法避免的形成較大截面尺寸的鋼筋混凝土柱以滿足承載力，軸壓比等規(guī)范要求，從建筑的使用功能和經(jīng)濟(jì)性考慮都不適合。

若采用鋼管混凝土柱框架核心筒結(jié)構(gòu)，施工方便，但由于本工程的特殊性在地上一層與二層間有一定數(shù)量的越層柱，若采用鋼管混凝土柱，柱的長細(xì)比會過大，最終導(dǎo)致柱的設(shè)計由穩(wěn)定性來控制，而使鋼管混凝土柱的截面尺寸沒有減少多少，相反增加了鋼管的厚度，于優(yōu)化設(shè)計不利。這一點(diǎn)通過實(shí)際的設(shè)計計算，亦證實(shí)了上述結(jié)論。

若采用型鋼混凝土柱框架核心筒結(jié)構(gòu)，雖然施工不方便，但是綜合考慮上述因素后，從經(jīng)濟(jì)性和滿足結(jié)構(gòu)性能的要求下，選擇型鋼混凝土柱框架核心筒結(jié)構(gòu)還是比較適宜的。同時進(jìn)行如下優(yōu)化調(diào)整：

(1)對型鋼混凝土柱中鋼骨尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使型鋼混凝土柱含鋼率滿足規(guī)范[4，5]的大于4%，小于10%的要求，但是考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量使含鋼率控制在4%左右，見表1。

表1　框架柱截面及鋼骨選用

(2)轉(zhuǎn)換柱及非轉(zhuǎn)換柱的優(yōu)化調(diào)整。

對轉(zhuǎn)換柱：在轉(zhuǎn)換層下兩層及上一層抗震等級為特一級才需要采用型鋼混凝土柱，其余部位除在下部樓層因控制截面和配筋需要采用型鋼混凝土柱外，其余均采用普通鋼筋混凝土柱。非轉(zhuǎn)換柱：除在下部樓層因控制截面和配筋需要采用型鋼混凝土柱外其余采用普通鋼筋混凝土柱。

(3)對型鋼混凝土柱從底層直通到的樓層進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

酒店塔樓柱，通過計算優(yōu)化后，在滿足規(guī)范[3-7]的相關(guān)要求下，最后型鋼混凝土柱從底層直通到二十七層。

(4)剪力墻結(jié)構(gòu)孔洞的優(yōu)化調(diào)整。

同時對局部剪力墻上下開洞不連續(xù)，僅按照建筑開門洞問題，提出在剪力墻局部位置補(bǔ)開結(jié)構(gòu)洞，同時在滿足規(guī)范[3-7]相關(guān)要求的情況下，適當(dāng)減小剪力墻厚度。

3.2樓蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

樓蓋體系是建筑結(jié)構(gòu)的基本組成部分之一，樓板造價占結(jié)構(gòu)總造價的9%～13%,其重量占整個房屋重量的22%左右[8]。因此降低樓蓋質(zhì)量，可以減輕建筑總質(zhì)量，從而減輕地震作用；同時通過選擇合理的樓蓋體系還可以改善整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,從而降低造價。

目前國內(nèi)外常見的鋼筋混凝土樓蓋體系有如下五種:①單向板肋梁樓蓋;②雙向板肋梁樓蓋;③井字形樓蓋;④密肋梁樓蓋;⑤無梁樓蓋。根據(jù)有無預(yù)應(yīng)力，分成鋼筋混凝土樓蓋和預(yù)應(yīng)力樓蓋，預(yù)應(yīng)力技術(shù)與上述體系結(jié)合可以演變出不同的樓蓋體系形式，如無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋、預(yù)應(yīng)力框架扁梁密肋樓蓋等。對于不同跨度，相應(yīng)亦有不同的最優(yōu)樓蓋形式。

結(jié)合本工程的特點(diǎn)，柱間距基本在10m左右，雖然單方造價上預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土樓蓋稍有優(yōu)勢[9]，但考慮預(yù)應(yīng)力混凝土樓蓋在施工時相對于普通混凝土樓板增加預(yù)應(yīng)力鋼筋定位、鋪設(shè)、張拉等施工工藝，增加施工難度、施工機(jī)械器具，人工費(fèi)與機(jī)械器具費(fèi)用也相應(yīng)增加；同時考慮建筑使用功能的要求。以及傳力作用，盡量保證結(jié)構(gòu)的傳力直接。由于軟件的局限性，為保證計算精度，盡量使樓板劃分規(guī)則，避免斜梁與不規(guī)則樓板的產(chǎn)生；合理設(shè)計梁的截面，控制現(xiàn)澆板的跨度，使板的配筋由內(nèi)力控制而非構(gòu)造配筋。

圖4　原方案樓板結(jié)構(gòu)布置

在原方案的角部有四根斜梁將角柱與核心筒連接(見圖4)，樓蓋結(jié)構(gòu)布置將會產(chǎn)生一系列不規(guī)則的樓板，結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳力不夠明確，同時有兩根大梁交接于在核心筒角部位置，亦不利于該位置的施工。因此對原方案進(jìn)行了調(diào)整(見圖5)，樓蓋結(jié)構(gòu)的次梁布置形式改成了雙向次梁布置，雖然次梁的數(shù)量有所增加，但主梁與次梁的截面面積減小，配筋量降低，同時將樓板厚度適當(dāng)減小。

圖5　優(yōu)化后樓板結(jié)構(gòu)布置

3.3荷載的審核

結(jié)構(gòu)荷載的取值將很大程度上影響結(jié)構(gòu)的自重及受力的大小，從而影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋大小，因此有必要對于荷載進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)核。結(jié)合本工程特點(diǎn)，按照實(shí)際梁高對梁間荷載進(jìn)行了調(diào)整。通過荷載精確計算后，建筑結(jié)構(gòu)自重減小了約9.0%(見表2)。

3.4結(jié)構(gòu)計算與分析

(1)采用三維空間分析軟件SATWE、盈建科(YJK)軟件以及MIDAS building進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位移分析計算,其中原方案采用SATWE,優(yōu)化方案采用YJK結(jié)果,并以MIDAS building結(jié)果為驗(yàn)證，看到結(jié)構(gòu)周期，位移，剪重比等指標(biāo)也基本接近，可以認(rèn)為小震作用下，結(jié)構(gòu)的分析是滿足要求,(見表2)。

表2 　結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)對比

注:①θ表示最大層間位移角；γ表示最大層間位移與平均層間位移的比值；②位移角中(地)表示地震控制，(風(fēng))表示風(fēng)控；位移比數(shù)據(jù)第一個表示裙房最大位移比，第二個表示主樓最大位移比。

(2)彈塑性靜力分析

為考察結(jié)構(gòu)在罕遇地震時的抗震性能和驗(yàn)算結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性層間位移，選用EPDA-PUSH軟件對本工程優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的Pushover分析。在倒三角形荷載作用下，X向和Y向的能力曲線和需求曲線的關(guān)系,如圖8和圖9所示。

由X向，Y向抗倒塌驗(yàn)算圖可以看到，能力曲線與需求曲線交點(diǎn)所對應(yīng)的層間位移角分別為1/254,1/253，均不超過規(guī)范[6]限值1/100，即X向和Y向的變形性能均滿足需求譜要求，本結(jié)構(gòu)可以滿足預(yù)先設(shè)定的罕遇地震作用下的性能要求。

圖8　X向能力曲線和需求曲線關(guān)系

圖9　Y向能力曲線和需求曲線關(guān)系

3.5施工圖配筋審核

3.5.1板

(1)非加強(qiáng)層建議采用塑性理論計算板的配筋，然后根據(jù)建筑不同使用功能進(jìn)行一些適當(dāng)調(diào)整。按規(guī)范[7]5.4.1與5.4.2條規(guī)定，板塊可以使用塑性理論來計算，同時應(yīng)滿足正常使用極限狀態(tài)的要求或采取有效措施。塑性理論計算得到的配筋結(jié)果比用彈性理論計算得到的配筋結(jié)果少。對于使用塑性理論計算降低配筋后對板塊的裂縫產(chǎn)生的不利影響，文獻(xiàn)[10]指出樓板裂縫問題，原因不是計算方法，而可能是施工方法、建筑材料等引起的。

(2)盡量按照計算值進(jìn)行配筋，同時在薄弱位置適當(dāng)加強(qiáng)。

3.5.2梁

(1)梁配筋除了框架梁、連梁外，其余均不設(shè)通長負(fù)筋(短梁除外)，框架梁的通長鋼筋盡量只采用2根小直徑鋼筋。

(2)梁配筋在滿足規(guī)范要求下，盡量接近計算值，將配筋率控制在1.0%～1.5%的合理范圍內(nèi)。

3.5.3柱

控制柱的軸壓比，保證合理富余度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁；滿足規(guī)范要求前提下，最后施工圖配筋結(jié)果盡量接近計算值。

3.5.4剪力墻

(1)剪力墻的配筋水平分布筋與豎向分布筋一般情況下為構(gòu)造配筋，滿足規(guī)范要求前提下，使最后結(jié)果盡量接近計算值。

(2)邊緣構(gòu)件，按規(guī)范要求進(jìn)行配筋，嚴(yán)格控制配筋率和配箍率，使最后結(jié)果盡量接近規(guī)范限值。

3.6方案優(yōu)化前后工程量對比(表3和表4)

表3　方案優(yōu)化前后鋼材用量變化

注:1.差值比=差值/原方案工程量×100%

表4　方案優(yōu)化前后混凝土用量變化

注:①差值比計算方法同表3。

通過上述調(diào)整，可以看到梁板、柱、剪力墻的配筋量、混凝土用量均有下降，其中梁、柱、剪力墻的配筋量和混凝土用量下降最為明顯。從梁來看配筋量減小了約5.5%，混凝土用量下降約11.6%；柱配筋減小了約5.6%，混凝土減少約7.8%；剪力墻配筋減小約9.3%，混凝土減少約11.5%；分析原因主要在于荷載的精確取值和樓蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果，因此對于工程設(shè)計而言，荷載的選取和樓蓋結(jié)構(gòu)的合理布置是至關(guān)重要的。

4　第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計審核(優(yōu)化)實(shí)施中的問題和建議

4.1樓蓋結(jié)構(gòu)調(diào)整

根據(jù)上述看到樓蓋結(jié)構(gòu)的調(diào)整對于結(jié)構(gòu)的傳力與最后配筋量有很大的影響，在與設(shè)計方協(xié)調(diào)之后，最后采用了第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計審核優(yōu)化的結(jié)果，進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。

4.2柱的鋼骨截面尺寸

柱鋼骨的截面尺寸將很大程度上影響鋼材的使用量，在與設(shè)計方協(xié)調(diào)之后，最后采用了第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計審核優(yōu)化的結(jié)果，進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。

4.3剪力墻墻洞和墻體厚度

剪力墻立面開洞連續(xù)，將形成規(guī)則的連梁與墻肢，對抗震性能有利，原方案僅就建筑門洞位置開設(shè)結(jié)構(gòu)門洞，造成連梁高度偏高以及上下開洞不連續(xù)的問題，建議補(bǔ)開結(jié)構(gòu)洞。在與設(shè)計方協(xié)調(diào)之后，最后采用了第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計審核優(yōu)化的結(jié)果，進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。

剪力墻一般是構(gòu)造配筋，墻體厚度將決定剪力墻的配筋量，因此在滿足規(guī)范的要求下對于剪力墻厚度的調(diào)整優(yōu)化是十分有必要的，第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計審核，建議將剪力墻厚度進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，并給出了相應(yīng)優(yōu)化方案，但是設(shè)計方對結(jié)果采取拖延消極應(yīng)對不予接受，亦未給出相應(yīng)原因。

4.4荷載優(yōu)化

荷載的選取對結(jié)構(gòu)的影響很大，第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計審核，建議將荷載進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，但是設(shè)計方不予接受，亦未給出相應(yīng)原因。由于工期等原因最終導(dǎo)致荷載調(diào)整無法進(jìn)行。

對于第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計審核的優(yōu)化建議，設(shè)計方合作應(yīng)該于方案開始時，如果在方案階段進(jìn)行，將對最終的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生重大影響；同時多方的溝通協(xié)調(diào)至關(guān)重要，任何一方的消極應(yīng)對都將對結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

4.5第三方結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化審核應(yīng)該開始于建筑方案確定時

這一方面可以提前對建筑方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的技術(shù)咨詢，并協(xié)調(diào)其它各專業(yè)的合理布置和參數(shù)確定。另一方面，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和技術(shù)論證指導(dǎo)結(jié)構(gòu)方案和施工圖設(shè)計，既保證各項技術(shù)的全部落實(shí)，又避免設(shè)計修改帶來的時間浪費(fèi)。

5　結(jié)語

隨著技術(shù)進(jìn)步和設(shè)計管理水準(zhǔn)的提高，人們都認(rèn)識到，結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案論證對最終的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生重大影響。在具體工作中，可以在建筑方案確定后，通過結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通協(xié)調(diào)設(shè)備、裝修、電梯等各專業(yè)的需求，保證結(jié)構(gòu)整體的合理和準(zhǔn)確，以先進(jìn)的技術(shù)和理念指導(dǎo)后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計會極大提升結(jié)構(gòu)整體的經(jīng)濟(jì)性。

在審核優(yōu)化過程中獲得甲方提供的地震安評報告及數(shù)據(jù)，設(shè)計院提供的原始設(shè)計模型、基本設(shè)計參數(shù)資料和設(shè)計施工圖紙，廈門新區(qū)建筑設(shè)計院有限公司郭天祥、汪亞建結(jié)構(gòu)師在技術(shù)上的支持以及各方的大力協(xié)作和幫助，在此表示感謝。

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[10]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范算例編委會.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范算例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003：191.

石建光(1962.2-)，男，博士，教授，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計方法及動力反應(yīng)分析方面的研究。

陳家偉(1991.4-)，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計方法及動力反應(yīng)分析方面的研究。

楊信(1990.6-)，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計方法及動力反應(yīng)分析方面的研究。

Third-party audit and optimization design of high-rise structure beyond code-specification of one hotel tower

SHIJianguangCHENJiaweiYANGXin

(School of Architecture and Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361000)

One hotel tower is a 180 meters high(including 3 refuge storey) high-rise building beyond code-specification, adopts the structure system of reinforced concrete frame-core wall and structure transformation at 34th storey . Based on the structure system, structural layout, component design and construction design review of the structural design,the structural design optimization is applied to aspects on component layout and component design of the main frame-core wall structure system, floor system layout and component design,load value, reinforcing bars calculation and reinforcing bars of construction drawing .The internal forces and displacements on the structure under frequently occurred earthquake is analysed by structure software YJK,PKPM and MIDAS Building. EPDA&PUSH is adopted to analyse the internal forces and displacements on the structure under rarely occurred earthquake.In the case of meeting the requirements of codes and structure performance, amendments and recommendations are proposed to apply to structure design. Suggestions is proposed to solve the problems which is faced during the process of third-party audit and optimization.

Third-party audit; High-rise building beyond code-specification; Frame-core structure; Structure design and calculation; Structure optimization

石建光(1962.2-)，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。

2015-11-22

TU973+.3

A

1004-6135(2016)01-0067-06