馬 俊, 黃 聰

(武漢正華建筑設計有限公司, 湖北武漢 430010)

某超限高層住宅樓結構設計經濟性控制探討

馬 俊, 黃 聰

(武漢正華建筑設計有限公司, 湖北武漢 430010)

文章結合具體項目分析了因高度超限的高層住宅結構設計中的經濟性控制要點。如在結構方案階段應重視高寬比的影響，在施工圖階段結合性能目標確定計算配筋模型，采取合理的加強措施等方式。

方案； 高寬比； 超限； 結構優(yōu)化； 經濟性

隨著城市化水平的不斷發(fā)展，城市土地資源日趨緊張，在中心城區(qū)新建的住宅小區(qū)容積率不斷提高，目前越來越多地方出現了高度超限的超高層住宅建筑。超限高層建筑由于需要進行超限高層建筑工程抗震設防專項審查，其結構的經濟性控制與非超限建筑相比有一定區(qū)別?？紤]到住宅項目通常規(guī)則性超限較少，結構設計在如何既能滿足安全性要求又能盡量降低工程造價上具有一定共性。本文結合具體項目探討了結構方案設計階段與施工圖設計階段在經濟性控制上的一些具體措施。

1 工程概況

武漢市江岸區(qū)某項目主要包括2層地下室及其以上的3棟超高層住宅。地下室將3棟住宅在地面以下連為一個整體，其主要功能為設備用房及汽車庫。該項目總建筑面積為84 268.38 m2，地下建筑面積為14 897.87 m2，地上建筑面積為68 972 m2, 容積率為6.88。其中，1#樓為超限超高層建筑，地上建筑面積為23 296 m2，主體結構高度為164.9 m，地上56層，采用全現澆鋼筋混凝土剪力墻結構。1#樓首層層高5.1 m，標準層層高2.9 m，平面總開間尺寸29.15 m，總進深尺寸18.50 m。該棟住宅樓位于6度設防區(qū),屬于JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(本文中簡稱《高規(guī)》)中規(guī)定的B級高度高層建筑，需進行超限高層專項審查。

由于該項目建設方對結構經濟性要求較高，從結構方案階段開始，設計方按照結構精細化、節(jié)約化的設計思路對結構方案進行了優(yōu)化，并制定了細致的施工圖技術措施。

2 結構方案階段的優(yōu)化設計

超限高層項目由于計算工作量較大、超限報告編制復雜，通常設計周期較長，而且一旦更改結構布置，修改工作量巨大。一般在結構設計中，方案階段的優(yōu)化對結構經濟性的影響約占70 %左右，因此超限項目方案階段就應充分考慮結構形式的合理性和經濟性，避免后期調整以保證工程的順利推進。

2.1 合理確定墻體厚度

剪力墻的墻身截面厚度、混凝土等級同時要滿足軸壓比要求和整體抗側剛度需要。在滿足結構側向位移計算要求的前提下，盡量控制墻身的厚度，減輕結構自身的重量，以減輕地震效應。由于1#樓首層層高較高，首層剪力墻以350 mm厚為主，以滿足剪力墻穩(wěn)定計算的要求。2層～26層采用300 mm厚剪力墻為主，26層以上采用200 mm剪力墻為主。

超高層結構的高寬比是控制結構經濟性的重要指標，當受方案所限結構的高寬比超過規(guī)范限值時，經濟性較差。由于1#樓平面寬度較小，為滿足結構水平位移限值要求及舒適度要求，需要有足夠的抗側剛度。而建筑平面中縱橫內墻基本沒有對齊，給結構布置帶來一定難度，設計中采取了以下措施。

(1)由于結構Y向變形基本以彎曲型變形為主，需要加強上下外縱墻(圖1中①所示位置)以提高結構抗側剛度，設計時剪力墻均伸至建筑門窗洞口邊緣。

圖1 剪力墻平面布置

(2)在中部電梯井筒及分隔墻處適當設置較長的Y向剪力墻(圖1中②所示位置),但該處剪力墻剛度過大將導致扭轉效應明顯。設計中經反復調整，增加結構周邊剪力墻布置，加強抗扭剛度，使整體結構取得了較好的抗側能力及抗扭能力，經計算各平面剛度中心與質量中心均基本重合。

(3)由于建筑功能需要，平面右側設有外挑陽臺(圖1中③所示位置)，導致右側外墻處剪力墻間無法形成整體剛度，是結構變形的薄弱部位，因此該部位剪力墻采用加長水平翼墻的方式予以加強。

(4)平面中部的連梁受水平力引起的剪力較大(圖1中④所示位置)，采用加大梁寬，減小梁高的措施，以滿足強剪弱彎的要求。

方案階段應通過對剪力墻布置及截面調整達到在滿足規(guī)范控制指標要求的同時又要提高剪力墻的利用效率，這需要反復試算并對剪力墻逐墻分析，工作量較大。

3 超限情況及性能目標

根據1#樓的超限類型和結構特點，將對抗側構件實施全面的性能化設計。根據工程的場地條件、社會效益、建筑功能和結構構件的重要性，并結合經濟因素，考慮本工程高度165.2 m，雖已接近B級高度限值，但結構平面及豎向均較為規(guī)則，制定本工程塔樓的抗震性能目標為 D 級。在高規(guī)中，該級別在多遇、設防烈度和罕遇地震下的性能水準分別是 1、4、5。結構在設計中充分采用概念設計方法，對剪力墻、連梁、框架梁等構件設定抗震性能化目標，并在抗震設計中，采用多種程序對結構進行了彈性、彈塑性計算分析，除保證結構在小震下完全處于彈性工作外，還補充了構件在中震和大震下的驗算。計算結果表明，各項指標均表現良好，基本滿足規(guī)范的有關要求。由于該部分內容以計算分析為主，故本文中未作詳述。

其提供的“部分財產清單”顯示，黃道龍父子及親戚名下有多套房產，包括別墅。還有寶馬、凱迪拉克、奧迪車以及翡翠吊墜、書畫、古玩等。另一張賬戶明細顯示，黃宇名下有430萬余元現金。

通過超限高層建筑工程抗震設防專項審查后，需要根據審查意見調整結構布置并補充分析，并以超限高層審查報告為依據進行下一步施工圖設計。

4 施工圖階段經濟性控制要點

4.1 結合性能目標確定配筋模型

超限項目除應滿足小震彈性計算結果外，尚應滿足彈塑性分析要求，其中有兩點要注意。

4.1.1 等效彈性計算的適用范圍

當中震采用性能水準4時，按照《高規(guī)》第3.11.3條條文說明“內力也可按等效彈性方法計算結果取值(一般情況下是偏于安全的)”，因此關鍵構件配筋可參考等效彈性的計算結果。當大震采用性能水準5時，按條文說明中“允許比較多的豎向構件進入屈服階段，并允許部分梁等耗能構件發(fā)生比較嚴重的破壞”，等效彈性計算已與彈塑性分析差異較大，不必考慮等效彈性的計算結果。

4.1.2 彈塑性分析中的實配鋼筋調整

在進行彈塑性特別是靜力彈塑性分析時，通常采用對計算配筋值放大1.1倍后作為實配鋼筋。但分析過程中經常會出現因局部構件破壞導致分析終止，因此需要對部分薄弱部位配筋調整后循環(huán)計算，以取得合適的分析結果。此部分配筋調整應作為最終的施工圖設計依據，以保證實際結構與彈塑性分析吻合。

4.2 合理確定加強措施

4.2.1 不宜放大底部加強區(qū)剪力墻邊緣構件縱筋

目前剪力墻結構的超限項目一般要求底部加強區(qū)剪力墻作為關鍵構件。按照《高規(guī)》第7.1.4條條文說明“為保證剪力墻底部出現塑性鉸后具有足夠大的延性，應對可能出現塑性鉸的部位加強抗震措施，該加強部位稱為底部加強部位”，且對于一級抗震等級的剪力墻更要求塑性鉸出現在底部加強部位，保證其他部位不出現塑性鉸。因此雖然關鍵構件應按正截面承載力驗算結果配筋，但底部加強區(qū)剪力墻邊緣構件縱筋不宜加大，以免塑性鉸區(qū)上移，反而與規(guī)范要求的底部加強部位不符，影響結構安全。過渡區(qū)邊緣構件按規(guī)范要求可僅對箍筋加強，縱筋可按構造邊緣構件配筋。

4.2.2 適度考慮沉降差異與豎向變形的影響

剪力墻結構當采用樁筏基礎時，上部結構剛度較大整體性較好，可不必考慮沉降差異原因對底部連梁專門進行加強。但當房屋高度較高時宜參考上海市《超限高層建筑工程抗震設計指南(第二版)》第7.1節(jié)，加強頂部若干層(大屋面以下三層)豎向構件延性，以提高結構對豎向變形、溫差、徐變變形的適應性。

4.2.3 樓板加強措施

與框架-剪力墻及筒體結構相比，剪力墻結構對樓板的整體性要求不高，除由于開洞、凹口等原因削弱的薄弱部位外，不需要采取特殊的加強措施。但超限項目中剪力墻通常厚度較大、混凝土等級較高，設計時宜考慮混凝土收縮及溫度應力影響，加強平面四角樓板配筋。

4.3 中震小偏心受拉構件設計

按照《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的第十二條要求，應驗算混凝土構件在中震作用下是否出現小偏心受拉，出現小偏心受拉的構件應采用特一級構造，拉應力超過混凝土抗拉強度標準值時宜設置型鋼。因此從控制經濟成本的角度，對中震時出現小偏心受拉的混凝土構件，宜調整其構件截面尺寸等參數，使其不出現小偏心受拉；對拉應力超過混凝土抗拉強度標準值的構件，應調整截面避免設置型鋼。

4.3.1 小偏心受拉的判別標準

建議以組合墻肢全截面產生拉應力作為判斷別標準。如僅為墻肢翼緣處產生拉應力時，不作為小偏心受拉，計算時抗震等級不調整，僅翼緣按特一級構造要求配筋。

4.3.2 小偏心受拉的加強措施

中震時出現小偏心受拉的混凝土構件應按《高規(guī)》第3.10.5條要求，對彎矩和剪力進行調整。一般部位的水平和豎向分布鋼筋最小配筋率應取為0.35 %，底部加強部位的水平和豎向分布鋼筋的最小配筋率應取為0.40 %。約束邊緣構件縱向鋼筋最小構造配筋率應取為1.4 %，配箍特征值宜增大20 %；構造邊緣構件縱向鋼筋的配筋率不應小于1.2 %。

僅高度超限的剪力墻結構住宅其他結構措施基本與非超限結構相同，考慮到超高層層數較多，梁配筋分段層數不宜過大，以滿足精細化設計原則。

5 結束語

該工程前期已順利通過超限高層專項審查并完成施工圖設計，目前已進入竣工驗收階段。經向建設單位了解該工 程結構結構經濟性控制較好，地面以上結構混凝土含量約為0.41m3/m2，鋼筋含量約為60kg/m2。該經濟性指標與本地區(qū)高度140m的非超限高層住宅相比約提高10%左右，差異不大。通過該項目的實踐，說明只要在此類項目中重視結構方案的優(yōu)化及采取合理的加強措施，是可以同時滿足安全性及經濟性要求的。

[1] JGJ 3-2010 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[2] 呂西林. 超限高層建筑工程抗震設計指南[M]. 第2版, 同濟大學出版社, 2009.

[3] 建質[2015]67號 超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點[S]. 2015.

馬俊 (1983～),男 ，國家一級注冊結構工程師，主要從事建筑結構設計及研究；黃聰(1988～)， 女， 工學碩士，工程師，主要從事建筑結構設計及研究。

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[定稿日期]2017-06-28