广东省梅州市蕉岭县兴业建设工程有限公司
摘要：高层住宅的结构选型对其用钢量有直接影响。25～33层（高度接近100m）的高层住宅，采用剪力墙结构体系比采用框架-剪力墙结构体系的用钢量低，且抗震性能比后者的更好。应对剪力墙进行合理布置及优化设计，优化设计后，结构安全度不应降低，剪力墙具有更好的延性和抗震耗能能力，且用钢量较低。采用相关的设计实例进行说明，对高层住宅设计具有广泛的适用性和现实指导意义。
关键词：高层结构；选型；平面布置；优化；杭震能力
引言：
近年来，随着经济的进一步发展，科学技术水平不断提高，高层建筑的发展速度也在逐年增加，建筑高度不断增加，建筑功能和类型愈来愈复杂，结构体系更加多样化，地区分布更加广泛。结构抗震概念设计对结构的抗震哇能起决定胜作用，而高层建筑结构的选型与结构布置在结构抗震概念设计中占有极其重要的地位厂白们直接影响着结构的安全性与经济性。剪力墙数目的合理确定，是关系结构的安全和技术经济合理最为关键的问题。本文对高层建筑结构选型与平面布置进行了研究。
正文
选取已建的几个25～33 层（高度接近100m）的典型高层住宅设计实例，分别阐述其结构选型及设计要点、优化设计措施、用钢量和适用性，对其抗震性能和用钢量进行对比。
1 设计实例1
某高层住宅小区，位于6度区，2003年设计，6栋30 层的高层住宅主楼，建筑高度均为93.0m 。地下层1为连通汽车库及设备用房的人防地下室大底盘；6 栋主楼地面以上首层层高4.8m，为架空开敞的阳光花房；层2 ～ 30 层高3.0m，为住宅。要求用钢量（±0.00 以上）控制在80 ～ 85kg m2之间，并要求主楼首层的阳光花房完全开敞，除中部楼、电梯井筒外，不允许在阳光花房内部和周边设置落地的钢筋混凝土剪力墙。主楼标准层结构平面见图1。
1.1 结构体系及设计要点
受首层建筑功能与用钢量的制约，主楼落地剪力墙只能集中布置于结构中部的楼、电梯井部位，其他部位只能设框架柱，形成图1所示框架-剪力墙结构体系。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2002）[1]（简称高规）的要求，为保证框架-剪力墙结构体系在基本振型地震作用下，框架柱承受的倾覆力矩不大于结构总倾覆力矩的50 %，必须通过增大剪力墙的刚度来增大其倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分比；但在结构周边、拐角等能有效发挥剪力墙抗侧和抗扭刚度的部位均无法设置落地剪力墙。因此，只能采取增加剪力墙墙厚的办法来增大其刚度：整体计算中楼、电梯井剪力墙的厚度增至400mm（电梯井内隔墙厚200mm）时，框架柱承受的倾覆力矩占结构总倾覆力矩百分比可降至49.87%（X 向地震），38.29%（Y 向地震），满足高规要求。框架柱及剪力墙抗震等级均为三级。
整体计算的结构振动特性及抗震性能的指标见表1，2 。地震作用下最大层间位移角为1 2 018（X 向），12 437（Y 向），均小于高规的限值1 800 。建筑平面呈不规则的细腰形，中部楼、电梯井楼板最窄处仅12.4m（包括楼、电梯洞口宽度4.0m），按《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）[2]（简称抗震规范）
应判定为“平面一般不规则”结构。因此，应严格控制结构的竖向及其他平面不规则指标，避免成为复杂超限高层结构[3]。楼、电梯井周围是整个楼面刚度最薄弱的部位，均设置了局部150mm 厚楼板及双层双向拉通配筋予以加强。
图1 实例1 主楼标准层结构布置图
注：括号内的数值为楼层号。扭转位移比是指考虑偶然偏心影响的地震作用下结构最大层间位移与平均层间位移的比值。
1.2 优化设计措施
（1）减轻荷载：外墙及分户墙采用190mm 厚混凝土空心砌块墙，内墙采用90mm 厚混凝土空心砌块墙；控制楼面装修荷载；控制楼板厚度，减轻自重。
（2）减小柱截面：底部框架柱和剪力墙采用C55 混凝土，向上依次降低：C45（层8 ～ 19）※C35（层19 ～ 28）※C25（层28 以上）；控制轴压比，减小底层柱截面尺寸（底层柱截面尺寸最小为600×800，最大为800×1 200），并向上依次减小方柱截面尺寸：600×600（层17～27）※500 ×500（层27～29）※400 ×400（层29 以上），减少短柱加密箍柱段。
（3）采用新Ⅲ级钢：控制梁截面不大于200 ×700，梁纵筋均采用新Ⅲ级钢（fy =360kN m2，强度较Ⅱ级钢提高20 %），减少梁钢筋用量。
（4）对阳台栏杆、女儿墙均采用砌块砌筑，用压顶梁及构造柱与主体结构拉结，尽量减少次要构件的钢筋用量。
1.3 用钢量
设计预期用钢量（±0.00 以上）为80～85kg m2，实际结算后的用钢量（±0.00 以上）为83.17kgm2，满足要求。
1.4 适用性
位于繁华商业区、具有较高商业价值的高层商住楼盘，要求底部用房完全开敞、楼电梯井筒位于结构中部、预期用钢量（±0.00 以上）为80 ～ 85kg m2 时，可选择采用实例1 的框架-剪力墙结构体系（2007 年，在南宁市火车站商业中心黄金地段高层商住楼盘的结构选型中，考虑开发商对底部商铺完全开敞的严格要求，再次采用了此类型的框架-剪力墙结构）。
2 设计实例2
某高层住宅楼盘，位于6 度区，2007 年设计，2 栋33 层的高层住宅主楼，建筑高度均为100.2m 。地下层1为连通汽车库及设备用房的人防地下室；主楼地面以上首层层高3.6m，为商铺；层2 ～ 33 层高3.0m，为住宅。
要求控制用钢量（±0.00 以上）小于70kg m2，允许首层商铺内部、结构周边、拐角设置一些落地的钢筋混凝土剪力墙，地下层1 车库的双车环道不穿过高层主楼底部。主楼标准层结构平面见图2 。
2.1 结构体系及设计要点
在满足地下车库和首层商铺功能的前提下，遵循对称、均匀、周边、拐角的原则，在结构内部、周边、拐角等部位对落地剪力墙进行了较合理布置，形成图2 所示框架-剪力墙结构体系。主体结构抗震等级为三级。
由于剪力墙的大开间周边布置，有效发挥了其抗侧和抗扭刚度，当底部剪力墙的厚度为250mm（层5 以上减至200mm）时，整体计算底部框架柱承受的倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分比即可降至34.43 %（X 向地震），11.92 %（Y 向地震）。层1 ～ 6 框架柱及剪力墙采用C55 混凝土，向上依次降低：C50（层6 ～ 11）※C45（层11 ～ 19）※C35（层19～ 29）※C25（层29 以上）；控制框架柱（中柱）轴压比，减小底层柱截面尺寸（底层柱截面尺寸最小为600 ×600，最大为800 ×800），并向上依次减小方柱截面尺寸：600 ×600（层9 ～ 26）※500 ×500、
450×450（层26 以上），减少短柱加密箍柱段。
图2 实例2 主楼标准层结构布置图
整体计算结构的振动特性及抗震性能的指标见表1，2 。地震作用下最大层间位移角为1 2 063（X 向），12 325（Y 向），均小于高规的限值1800。建筑平面呈细腰形，按抗震规范应判定为“平面一般不规则”结构。因此，应严格控制结构的竖向及其他平面不规则指标，避免成为复杂超限高层结构[3]。对楼面刚度最薄弱部位的楼、电梯井“细腰”周围均设置了局部120mm 厚楼板，双层双向拉通配筋予以加强。
2.2 优化设计措施
（1）剪力墙的延性设计：弱化剪力墙和连梁刚度，控制剪力墙的墙肢长度∶墙厚=10∶1 左右，把长墙分割成开洞（结构洞或门窗洞）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。弱化后的剪力墙及连梁具有较轻的自重、更大的延性和抗震耗能能力，钢筋用量也较少。
（2）为进一步控制用钢量，采取了减轻填充墙荷载、梁纵筋采用新Ⅲ级钢、采用砌块砌筑阳台栏杆和女儿墙、减少次要构件钢筋用量等优化设计措施。
（3）控制轴压比以减小柱截面、减少短柱柱段。
2.3 用钢量
预期用钢量（±0.00 以上）为60～65kg m2，实际结算后的用钢量（±0.00 以上）为57.99kg m2，较满意。
2.4 适用性
允许工程底部商铺或车库内部、周边、拐角设置一定数量落地剪力墙、地下车库的双车环道不穿过高层主楼底部、预期用钢量（±0.00 以上）为60 ～ 70kg m2 的高层商住楼盘，可选择采用实例2 的框架-剪力墙结构体系，并应对剪力墙进行合理布置及延性设计，在不降低结构安全度的前提下减少剪力墙的钢筋用量。
3 设计实例3
某高层住宅楼盘，位于6度区，2006年设计，2栋32 层的高层住宅主楼，建筑高度均为93.6m 。地下层1，2 为连通汽车库及设备用房的人防地下室；主楼地面以上层1～ 32 层高2.9m，均为住宅。要求控制用钢量（±0.00 以上）不大于60kg m2 经协商，2 栋高层住宅主楼均采用钢筋混凝土剪力墙结构。由于地下层1，2 地下车库的双车环道均穿过高层主楼底部，少量剪力墙的墙肢长度受到了限制。主楼地下层1 剪力墙平面见图3 。
3.1 结构体系及设计要点
在满足地下车库双车环道功能的前提下，对落地剪力墙尽量进行大开间布置，形成了图4 所示的剪力墙结构体系。首层以上剪力墙厚200mm，结构抗震等级为三级。整体计算的结构振动特性及抗震性能的指标见表1，2。地震作用下最大层间位移角为1 2 233（X 向），1 2 839（Y 向），均小于高规的限值1 1 000。
建筑平面呈细腰形，按抗震规范应判定为“平面一般不规则” 结构（占有两项平面不规则指标），因此应严格控制结构的竖向不规则指标，避免其成为复杂超限高层结构。对楼面刚度最薄弱部位的楼、电梯井“细腰”周围均设置了局部120mm 厚楼板，双层双向拉通配筋予以加强；对少量墙肢长度受到限制的短肢剪力墙（墙肢长度∶墙厚<8∶1）按规范要求予以加强。
3.2 优化设计措施
剪力墙的延性设计及用钢量控制措施同实例2。
图3 实例3 主楼地下层1 剪力墙平面图
图4 实例3 主楼标准层结构布置图
3.3 用钢量
预期用钢量（±0.00 以上）为50 ～ 60kg m2，实际结算后的用钢量（±0.00 以上）为49.03kg m2，较满意。
3.4 适用性
建筑功能以住宅为主、地下车库的双车环道穿过高层主楼底部、预期用钢量（±0.00 以上）50 ～ 60kg m2的高层住宅楼盘，可选择采用实例3 的剪力墙结构体系，并应对剪力墙进行合理布置及延性设计，可使剪力墙的用钢量更省。
4 结论
在满足建筑功能又不降低结构安全度的前提下，根据预期用钢量对高层住宅进行恰当的结构选型是非常重要的，也是非常必要的，设计优化的余地很大，效果也很显著。优化设计应重视与业主、建筑及其他工种配合，如剪力墙的设置位置、框架梁柱的结构布置、是否采用轻质建筑墙体材料和轻质隔断、减薄填充墙和剪力墙厚度、与水电工种配合减小板厚、与建筑工种配合减小梁柱截面（如应配合立面减小外柱截面）等；应重视非结构构件的优化设计，对建筑飘窗、栏杆、女儿墙、窗台、构造柱、挑檐、反边、结构洞、建筑装饰等细部的设计不必全部采用钢筋混凝土，可采用砌块砌筑，利用锚拉筋、压顶梁及构造柱与主体结构拉结，在保证非结构构件的稳定性、不影响主体结构安全度的前提下，进一步减少非结构构件的钢筋用量。
参考文献：
[1]JGJ3 —2002 高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2]GB50011—2001 建筑抗震设计规范[S].2008 版.北京：中国建筑工业出版社，2008.
[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
论文作者:丘仙洪
论文发表刊物:《基层建设》2016年6期
论文发表时间:2016/7/6
标签：结构论文; 剪力墙论文; 主楼论文; 截面论文; 框架论文; 建筑论文; 高层论文; 《基层建设》2016年6期论文;