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摘要：本文通过工程实例，对高层建筑结构优化设计进行分析与探讨，以供参考。
关键词：高层建筑；结构设计；方案优化
一、概述
高层住宅楼结构选型和结构布置对建筑物的安全、经济性的影响是很大的，只有对结构整个体系的承载能力、性能以及对结构分体系与结构构件相互作用的关系了解透彻，才能避免只依赖规范、设计手册、计算程序的设计习惯，从而实现结构优化设计，实现安全、科学合理、经济的设计目标。某高层住宅楼工程，其中地上9层，层高3m；9层上有个跃层为第10层，局部突出屋面部分为电梯机房。建筑总面积为4337.18m2 ，建筑总高为27.600m。本工程建筑结构的安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g ，设计地震分组为第一组，地面粗糙度为C 类，基本风压值取值0.35kN/m2 ，场地土类别为Ⅱ类。本工程原结构方案计划采用一般的剪力墙结构，这种结构形式对于房屋高度不太大的小高层建筑来说，这种结构会造成刚度过大，重量增加，导致地震反应过强，使得上部结构和基础造价提高。所以，为了有效提高经济指标，经多方案论证，决定采用短肢剪力墙结构体系。
二、结构方案布置
在本住宅结构平面布置中，尽量使结构平面形状和刚度均匀对称。短肢剪力墙双向布置，尽量拉通、对直。竖向布置中，力求规划均匀，避免有过大的外挑、内收，以及楼层刚度沿竖向突变，使整个房屋的抗侧刚度中心靠近水平荷载合力的作用线，以免房屋发生扭转。根据建筑的平面布置，在房间、楼梯间、电梯间的四角，采用Z 形、L 形、T 形或异形的墙肢。在设计过程中还应注意同周期的关系，使结构的第一自振周期避开场地土的卓越周期，以免地基与结构形成共振或类共振，既保证结构在风和地震荷载作用下的变形控制在规范允许的范围内，又要保证建筑物有相对合理的自振周期，做到结构设计经济、合理且实用。
本方案根据上述建议经过多次调试，得到了4种结构方案，结构平面布置见图1。剪力墙截面厚度同相邻砌体填充墙厚度均为100mm。剪力墙、梁混凝土强度等级为C30。板的混凝土强度等级均为C25。主要连梁的尺寸大都为200mm×400mm。标准层楼板厚度为120mm，顶层楼板厚度为
图1、结构平面布置
150mm。有别于肢长肢厚比不大于4.0的异形柱，短肢剪力墙的肢长肢厚比按规范要求控制在5～8 范围内，一般剪力墙的肢长肢厚比均大于8。值得注意的是，对肢长肢厚比为4～5 范围内的墙肢，目前规范尚无明确条文规定其构件类型，故设计时建议不要采用。由于原方案的剪力墙过多，使底部剪力过大，使结构很不经济，同时布置了少量钢筋混凝土柱子，使结构不是很合理。故方案1 在原方案的基础上去掉了构造柱并减少了少量的剪力墙（见图1a） 。在方案1 基础上适当的减少一些剪力墙，从而使方案更经济，在调试过程中由于F 轴剪力墙较少，从而使电梯间X 方向的剪力墙承受过大的剪力造成超筋， 故把电梯间X 方向的剪力墙开洞口， 使结构X 向的刚度减少。（见图1b）方案3 是在方案2 的基础上改善了Y 方向的刚度，使两个方向的刚度相接近，使结构更合理且均匀对称（见图1c） 。在方案3 的基础上把Y 方向的一些T 型剪力墙变成一字型，虽然在多高层住宅设计中剪力墙结构应尽量避免一字型，但由于该结构的实际情况，所以采用了部分一字型（见图1d）。
三、上部结构抗震计算结果分析
（1）计算结果分析
从构件力学特性上来说，短肢剪力墙的肢长与肢厚比≥5.0，更接近于剪力墙，故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。因此，结构整体计算采用的是在每个节点有六个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态，计算结果较精确；同时，对楼板SATWE可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则，立面也无刚度突变现象，但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置，会产生扭转的影响，为了计算准确，地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5%偶然偏心的影响，取了27个振型计算。
（1）自振周期的控制。考虑扭转耦联时的自振周期（计算时自振周期折减系数取0.8） ，方案4 结构扭转为主的第一自振周期T3=0.9959s，平动为主的第一自振周期T1=1.1656s ，T3/T1=0.854<0.9，满足要求。
（2） 结构位移的控制。最大层间位移角（应≤1/1000）、最大水平位移与层平均位移的比值（不宜大于1.2 ， 不应大于1.5）及最大层间位移与平均层间位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）。四个方案在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。
（3）剪重比控制。剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一，地震力计算不能偏大，但也不能太小。因为短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差，如果短肢剪力墙分配的地震力太大，则很有可能不满足要求。本工程X方向的最小剪重比为4.50%， Y方向的最小剪重比为4.62 % ，根据“抗震规范”（5.2.5） 条要求的X、Y向楼层最小剪重比均为3.20% ，所以各层均满足要求。
（4）轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力，“规范”对短肢剪力墙（尤其一字墙肢） 要求更高一些。上述工程出现的短肢剪力墙轴压比在0.20～0.45 之间，轴压比小于规范规定值。
（2）结构经济分析
为了与工程实际情况相符，假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比，钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上，暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响。材料的单方造价混凝土为430 元/m3 ，钢筋4200元/t。运用方案4比原结构在总造价上要节约17.8%。使材料得到了充分的发挥。
四、结语
综上所述，本此工程剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢，因而设计时在以上部位布置L型或一字型短肢墙，受条件所限也出现了少量一字型短肢墙，设计时严格控制其轴压比<0.6 ，且相差不应太悬殊，避免墙肢应力差异过大。高层建筑中的连梁是一个耗能构件，对抗震不利。多、高层结构设计中允许连梁的刚度有所下降。但应注意短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对较小，连接各墙肢的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙间的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁的要求进行设计。
论文作者:张超雄
论文发表刊物:《防护工程》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/7
标签：结构论文; 刚度论文; 剪力墙论文; 方案论文; 位移论文; 周期论文; 平面论文; 《防护工程》2017年第19期论文;