刍议超高层住宅的结构优化设计
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摘要：本文根据作者多年实践经验，结合某工程实例分析了超高层剪力墙结构设计与应用。
关键词：超高层住宅 剪力墙计算
1、工程概况
本工程为超高层住宅小区,规划限高150m,总建筑面积45万m2左右,其中地下室12万m2,单层地下车库,地上17个单体塔楼,都是100 ~142m超高层,其中5#楼约为130m,7#、8#和16#、17#楼约为140m, 4#楼户型同5#楼,高约100m。按照规范[1,2]结构体系的适用范围,采用剪力墙结构体系。剪力墙厚度:地下室、底层架空层370mm或400mm,标准层均为240mm。100m左右超高层竖向构件混凝土等级为C40~C30; 140m左右超高层竖向构件混凝土等级C55~C30.梁板混凝土等级为C35~C30。
该工程设计基准期为50年,结构设计适用年限为50年。抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,地震分组为第一组,设计特征周期为0.45s,抗震设防类别为丙类,结构安全等级为二级。场地类别为Ⅲ类。采用桩筏基础,主楼区域采用直径700、800、900、1000mm钻孔灌注桩,一层地下车库采用管桩满足抗拔要求。
2、结构概念设计
高层建筑中,宜使结构平面内形状简单、规则、刚度和承载力均匀,根据高宽比选取合理的户型,结构平面布置应减少扭转的影响;高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用严重不规则的结构体系。对可能出现的薄弱部位,应采取有效措施予以加强。4#、5#、7#、8#、16#、17#楼平面见图1~图3,其中11#、12#楼和7#、8#相同,本工程不规则超限[3]内容见表1,因此应严格控制其它不规则指标,以避免成为复杂超限高层结构[3]。
尽管高层建筑结构抗震设计计算分析手段不断提高,分析原则不断完善,但由于地震作用的复杂和不确定性,地基土影响的复杂性和结构体系本身的复杂性,可能导致理论分析计算和实际情况相差数倍之多,尤其是当结构进入弹塑性阶段之后,会出现构件局部开裂甚至破坏,这时结构已很难用常规的计算原理去进行分析。实践表明,设计中把握好高层建筑的概念设计是很重要的。
3、结构计算设计及设计要点
结构侧移是高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加,水平荷载下结构的侧向变形迅速增大,与建筑高度H的4次方成正比(△=qH4/8EI)。另外,高层建筑随着高度增加、轻质高强材料的应用、新建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大,在设计中不仅要求结构具有足够强度,还要具有足够的抗推刚度,使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内。
高层和超高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑,如果在同样地基或桩基的情况下,减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施,可以多建层数,这在软弱土层有突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了,不仅作用于结构上的地震剪力大,还由于重心高地震作用倾覆力矩大,对竖向构件产生很大的附加轴力,从而造成附加弯矩更大。
在满足地下室车库层和底层架空或者底层商铺的前提下,遵循对称、均匀、周边、拐角的原则,在结构周边、拐角和核心筒等部位对落地剪力墙进行较合理布置,主体结构抗震等级为三级(低于140m)和二级(高于140m)。对结构薄弱部位如楼电梯周围,内庭院周围均设置了120mm厚楼板,采用双层双向拉通钢筋予以加强;对少量肢长受到限制的短肢剪力墙(墙肢长度∶墙厚<8∶1)按照高规要求予以加强,如满足最小配箍率和最小配筋率等。
本工程项目中仅16#和17#楼高度超限,应报本地超限高层建筑工程抗震设防专项审查。风荷载取值,考虑到以后城市建设的不断发展,位移计算时取0.45kN/m2,强度计算时取0.5 kN/m2。
4、优化设计措施
4.1剪力墙的延性设计[4]:弱化剪力墙和连梁刚度,控制墙肢长度:墙厚=10∶1左右,把长剪力墙开洞(结构洞或门窗洞)成联肢墙,洞顶设置跨高比≥5的弱连梁,结构洞及窗台用砌块填砌。弱化后的剪力墙和连梁具有较轻的自重、更大的延性和抗震耗能能力,钢筋用量也较小。根据多年设计经验,建筑物高度80m以下时剪力墙面积占标准层面积的3.5% ~7%时较合理,让最大层间位移角接近规范限制,太大或者太小时,或者是剪力墙布置不合理,或者工程造价太高。随着建筑物高度增加,该比值相应增大。剪力墙布置合理时,各剪力墙轴压比相差不大,且都小于规范要求,剪力墙一般是构造配筋,一般采用12或14直径钢筋即可满足要求,可明显减少剪力墙用钢量。
4.2为进一步减少工程造价,采取减轻填充墙荷载,用新三级钢筋,板采用分离式配筋,选用直径较小的通长筋及减少次要构件钢筋用量等优化设计措施。
5、结构计算结果分析
通过相同户型不同高度计算分析,在满足相应规范的前提下,得出了竖向构件面积占标准层面积的比值,见表1,其中7#、8#楼该比值偏大,剪力墙一般需要300mm和350mm才可以满足规范的基本计算要求。经过比较,7#、8#楼户型最不经济合理,4#、5#楼户型次之,16#、17#户型最经济合理,分析原因,主要是7#、8#楼户型高宽比太大,远远超过了规范的数值,经过与业主协商,7#、8#楼决定另选户型。
由于户型的需要,塔楼的高宽比一般都较大,通过对本项目中4#、5#楼不同高宽比的计算分析,在竖向构件面积占标准层面积合适的比值范围内,高宽比在8左右时,竖向构件在200mm或者240mm宽度就基本可以满足计算要求。
经与业主协商调整后确定户型和塔楼高度,结构平面图见图4~图6,周围梁高为240mm×470mm,内部梁高200(240)mm×400mm, 4#、5#楼未注明板厚均为120mm,7#、8#、9#楼未注明板厚为100mm。应业主要求,主卧内卫生间120mm厚墙下做暗梁处理,标准层剪力墙均为240mm厚。经优化各塔楼用钢量在60~65kg/m2和混凝土量,具体见表2。
表2各塔楼的用钢量与混凝土量
6、结语
通过对上述工程实例的分析,获得以下体会:
(1)建筑户型的选择非常重要,户型尽量简单规则,户型的选择直接关系到结构体系的复杂程度,和工程造价存在着直接的关系。
(2)概念设计对于高层和超高层结构方案的合理、经济即有效选取非常重要,不能仅仅考虑结构设计的合理性,而且还能考虑到建筑的适用功能、进而满足建筑的安全性、适用性和耐久性的要求。
(3)超高层住宅一般采用框架剪力墙结构体系和纯剪力墙结构体系,剪力墙应遵循对称、均匀、周边、拐角等原则进行合理布置。剪力墙和连梁应进行优化设计,剪力墙尽量不要采用短肢剪力墙,剪力墙的墙肢长度与墙厚之比大于8,当墙肢长度过大时,应中间开洞,设置为弱连梁(跨高比不小于5的连梁)。延性剪力墙结构体系具有更轻的自重、更好的延性和更强的抗震耗能能力;剪力墙布置要合理,高度80m左右的高层,竖向构件面积占标准层面积的最佳比例为5.0%左右,高度100m左右超高层住宅的最佳比例为6% ~8%,随着高度不断增加的最佳延性设计较短肢墙有更好的经济效益。
(4)结构设计中,对不规则部位,特别是结构的薄弱部位,应通过计算、分析进行准确判定,并加以可靠的加强措施。
(5)优化设计应重视与业主、建筑及其它专业(设备、装修等专业)配合,如剪力墙的布置位置、框架梁柱的结构布置,是否采用轻质墙体材料等。
参考文献
[1]JGJ-2002,高层建筑结构混凝土技术规程[S].
[2]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].
[3]超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点[S].2006.
[4]高立人,方鄂华,钱稼茹.高层建筑结构概念设计[M].北京:中国计划出版社, 2005.
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