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摘要：本文主要针对超高层住宅结构的优化设计展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对建筑结构优化中的一些关键性问题做了详细的阐述，并对优化设计作了深入的分析，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。
关键词：住宅结构；优化；设计
引言
随着我国建筑施工的不断进步，超高层建筑在建筑业未来的发展之中，有着十分广阔的应用前景，因此，这使得超高层建筑的结构优化设计变得十分重要，特别是超高层住宅建筑。我们就需要认真做好超高层住宅结构的优化设计工作，以便利工程的施工进行。基于此，本文就超高层住宅结构的优化设计进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 工程概况
某超高层住宅，地上45层，地下1层，建筑高度均为137.8m，7号楼为2个高度为137.9m的结构单体组合而成的双塔，3号楼、5号楼均由一个高度为137.9m的结构单体和一个高度为91.5m的结构单体组合而成的双塔，其余均为单塔，本文以3号楼为例进行阐述，3号楼剖面如图1所示。
图2 建筑剖面示意图
根据珠江三角洲的特殊地理状况（地势低洼，有6m高的防护堤），为节约用地，该地区采用了创新的规划模式，即在距地面6m处设置一个G层平台，建筑入口置于平台之上，平台下为车库，不计入容积率，不同地块之间用桥连接。从结构的角度分析，各结构单体通过G层平台连接为一个整体，整个结构为大底盘多塔的结构形式。
根据岩土工程勘察报告，场地地基土层主要为杂填土、粉质黏土、圆砾、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩、强风化板岩、中风化板岩。根据地勘，场地土类别为II类，设计地震分组为第一组，抗震设防烈度为6度，设计地震加速度为0.05g，基本风压为0.35kN/m2，基本雪压为0.45kN/m2，地震影响系数为αmax=0.05（根据地震安全性评价报告取值）。
2 主要构件的尺寸及抗震等级
结构单元的标准层平面布置如图2所示。该结构形式为剪力墙结构，剪力墙墙厚1层及以下为350mm，1层以上均为200mm。自上而下仅改变一次墙厚。由于架空层层高较高，为加强该层的抗侧刚度，架空层（1F）梁高均取为1000mm，其余层梁高为400mm，由于高塔的Y向刚度较弱，Y向的部分梁截面高度加强为600mm或900mm。低塔的结构布置与高塔类似，部分较长的剪力墙增加了结构开洞。本文的结构嵌固部位为GF层底板，GF层板厚为180mm；1层板为大底盘的顶板，板厚为150mm；2层为墙厚突变的位置，板厚为150mm；其余各层板厚均为100mm。各层走廊位置考虑到设备埋管的需要，板厚为120mm。结构抗震等级为3级。
图2 标准层结构平面布置示意图
3 主要计算结果
表1和表2列出3号楼双塔含地下车库的多塔模型的计算结果，仅列出周期和位移信息，其中高塔周期偏长，达到4.6s左右，主要是因为结构位于6度区，平面布置较规则，且风荷载也不大，作用于结构上的水平力较小，较容易满足结构位移的要求，因而在结构设计中有意将其设计得偏柔，以节省工程造价。
表1 3号楼周期计算结果
4 结构设计及分析
结构对风荷载较为敏感，承载力设计时风荷载按0.385kN/m2计算，正常使用极限状态时按0.35kN/m2计算。该建筑仅设置1层地下室，高塔无法满足基础埋深要求，设计中通过将高塔基础标高降低1650mm，地下1层室内填土的方法来解决。
由于墙厚为200mm的标准层分布的高度较大，将底部加强区以上的2F、3F设计为过渡层，对这2层的边缘构件的配筋及墙体钢筋适当加强，解决承载力平稳过渡的问题，防止在剪力墙变厚度位置形成新的薄弱层。
整个结构为大底盘多塔结构，设计中分别建立单个结构单元、双塔含两跨车库、大底盘多塔3个结构模型进行包络设计。对于大底盘顶板及塔楼与车库交接的部位会有较大误差，需选用多塔和单体模型中的较大计算结果进行构件配筋。
4.1 结构超限与否的认定
结构位于6度区，抗震墙结构的适用高度为140m，该结构未超过这一尺度。
该结构属于扭转不规则，考虑偶然偏心的扭转位移比为1.21，大于《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）规定的1.2的限值。GF层的设置导致结构成为大底盘多塔结构。另外，对于“平面凹凸不规则”一项，通过与建筑师沟通，增加阳台板的宽度使凹凸尺寸在结构总尺寸的30%以内。仅有2项不规则项，该工程不属于超限工程。
4.2 C60高强混凝土的采用
该结构的剪力墙混凝土强度等级为C30～C60，10F以下均为C60。梁和板的混凝土强度等级为C30。墙和梁板的混凝土强度等级相差较大，需保证核心区混凝土强度等级与墙相同，如图3所示，施工时需采用相关的措施来保证这一构造。
图3 核心区混凝土强度等级同墙构造
4.3 剪力墙截面突变处的墙肢稳定性
剪力墙在架空层（1F）顶变厚度，截面由350mm直接变到200mm。截面变化较大，且结构周边的剪力墙变厚度的原则为齐一侧，如图4所示。200mm的剪力墙中较大的轴力会以偏心荷载的形式作用在350mm的墙上，偏心为75mm，由于墙厚变化较大，偏心也较大，偏心荷载会产生较大的剪力墙面外弯矩，作用在350mm厚的剪力墙上，对墙肢的稳定性产生较大的影响（见图5），同时对剪力墙的面外承载力提出较高要求，需要进行进一步的校核。
查询内力分析结果，350mm厚墙体最大的轴压比为0.25。每延米轴力为：
N=0.25fcbh=0.25×27.5×1000×350=2.4×106kN
附加弯矩值为：
M=Ne=1.8×108N?mm。
附加弯矩产生的拉应力为：
σM=M/W=M（bh2/6）=8.8.4N/mm2
受拉一侧拉应力为：
σ=σM-σN=8.84-0.25×27.5=1.965N/mm2≤ft
剪力墙面外不会发生受拉开裂，面外承载力能满足要求。
另选择较不利的墙肢进行墙体稳定验算，稳定性均满足要求。
4.4 轴压比的控制
高塔仅变一次墙厚，2F墙厚即为200mm，为轴压比最大位置，JGJ3—2010规定三级剪力墙最大轴压比不宜超过0.6，设计中通过提高混凝土强度至C60以降低其轴压比，高塔计算的最大轴压比为0.51，小于规范限制，满足要求。
4.5 结构舒适度的控制
《高层建筑混凝土结构技术规程》规定，在10a一遇的风荷载标准值作用下，住宅的顶点风振加速度限值为0.15m/s2，在该结构设计中，通过增加Y向剪力墙的布置，适当增加了弱轴的刚度，结构计算的Y向顶点加速度为0.039m/s2，结构具有较好的舒适度。
5 小结
综上所述，超高层住宅结构的优化设计对于住宅整体的施工建设来说有着十分重要的作用。因此，我们需要认真做好超高层住宅结构优化设计的工作，并制定出合理的施工方案，以为工程施工的进行带来帮助。
参考文献：
[1]张笑宁.某高层住宅结构优化设计[J].建筑.2012（12）.
[2]沈庆平.高层建筑结构优化设计的研究[J].河北企业.2015（07）.
[3]周良.高层住宅结构优化设计探讨[J].建材与装饰（旬刊）.2011（07）.
论文作者:涂细兵
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/5
标签：结构论文; 优化设计论文; 荷载论文; 高层住宅论文; 剪力墙论文; 较大论文; 混凝土论文; 《基层建设》2016年11期论文;