某住宅工程結構優化設計

■ 劉藝萍 LIU Yiping

1 工程概況

上海寶山新城38#單體為一幢30層的典型住宅建筑，建筑高94.5m，長28.5m，寬12.9m，層高3.15m，有1層地下室，其結構體系為現澆鋼筋混凝土剪力墻結構體系。在結構的平面布置上，基本符合簡單、規則的原則，在結構的豎向布置上，沒有外挑和內收，結構剛度沿豎向沒有突變（圖1、2）。

為更好地滿足建筑在使用上的需求，建筑設計考慮各戶型南北通風，故整個建筑物在厚度方面較小，在形體上較薄，同時又要滿足建筑物的高度要求。對于結構設計而言，建筑的高寬比數值較大，就要采取相應措施以增強建筑結構的整體剛度。本單體建筑的高寬比為 7.75，超過《高層建筑混凝土結構技術規程》（GB 50011—2010）第3.3.2條規定的“對于該結構體系適用的最大高寬比為6”。高寬比是對結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性的宏觀控制。在結構設計滿足承載力、穩定、抗傾覆、變形和舒適度等基本要求后，僅從結構安全角度講，高寬比并非一定要滿足，但會影響工程的經濟效益。因此，本建筑的高寬比在一定程度上降低了結構單體的經濟性。

2 原結構整體計算模型的復核

2.1 原整體結構計算模型

圖1 38#單體建筑平面圖

原結構設計考慮地暖面層厚130mm，標準層恒荷載為2.7kN/m2，活荷載為2.0kN/m2；結構樓板板厚120mm，剪力墻混凝土強度等級C55～C30，梁板混凝土強度等級C30。其結構整體計算模型如圖3所示。

2.2 原整體結構計算結果

根據計算結果（表1～4），原結構整體計算模型的設計參數沒有錯漏，取值在合理范圍；且結構的平面布置（圖4）和荷載取值也均與建筑設計吻合，計算結果均滿足規范的各項要求，說明原結構可行。但是，本單體結構剪力墻基本厚度為：①15層以下（含15層）外墻厚度以350mm為主，局部為400mm，內墻一般為300mm；②15層以上外墻以250mm為主，局部為300mm，內墻一般為250mm；③樓梯間墻厚度為250mm、200mm兩種。相比其他同高度的普通建筑物而言，局部結構混凝土墻板厚度相對較厚，對于建筑本身的使用有所不利。結構設計需要考慮能否對混凝土墻體進一步的優化。

圖2 建筑立面圖

3 結構設計的優化調整過程

對原模型復查無誤后，對本單體的結構優化調整分成以下幾個步驟進行。

3.1 步驟一：細化荷載

圖3 結構整體計算模型

表1 結構周期計算結果

表2 結構位移計算結果

表3 地震作用下的基底剪重比及質量參與系數

表4 結構計算分析與超限判別

考慮減輕結構自重，對地暖面層的荷載取值進行細化分析。本單體建筑所提出的地暖面層厚130mm、荷載2.7kN/m2取值是全部按照水泥砂漿來定的，實際做法中，可以考慮有一半左右的厚度為輕質絕熱層，因此，該荷載通過細化可修改為1.7kN/m2。

3.2 步驟二：調整墻體

對于建筑提出的立面要求，結構盡量給予滿足，首先對影響南立面景觀窗的短墻，按建筑要求的樓層給予取消。對于其他墻體，則根據軸壓比、剛度效果，并結合建筑的功能布置分步進行修改。

（1）外墻：在低區剛度比較富裕的情況下，給予減薄。在高區保留原厚度。

（2）內墻：對于剛度貢獻小的內墻，盡可能減薄和縮短，提高建筑的利用率和靈活性。針對一些無效的墻間開洞，給予取消，以提高墻的剛度。

3.3 步驟三：調整結構模型計算

3.3.1 減輕結構自重后整體結構的計算結果

地暖面層局部采用輕質絕熱體（圖5），以減輕結構自重，將原結構附加恒荷載2.7kN/m2修改調整為1.7kN/m2，并將底部剪力墻的混凝土等級由C55改為C50。調整后的整體結構計算結果見表5～7。

3.3.2 修改建筑景觀窗并調整部分墻肢厚度及長度

（1）標準層荷載：板厚120mm，附加恒載1.7kN/m2，活載 2.0kN/m2。

（2）15層以下：外墻厚度修改為350mm、300mm（原為400mm、350mm）；內墻厚度修改為250mm、200mm（原為300mm）。

（3）15層以上：外墻厚度修改為300mm、250mm（原為300mm，250mm）；內墻厚度修改墻為200mm（原為250mm）。

（4）混凝土強度等級：現澆混凝土墻板為C50～C40（原為C55～C30）；梁板為C35（原為C30）。

圖4 2～11層結構平面圖

圖5 建筑地暖面層做法

表6 減輕結構自重后的結構位移計算結果

表7 減輕結構自重后地震作用下的基底剪重比及質量參與系數

修改調整后的整體結構計算結果見表8～10，且主要結構平面布置見圖6～8。

根據圖9的y方向最大層間位移角曲線，可以看出，變形較大樓層在20～26層左右位置。經結構優化調整后，變形值略微偏大一點，但結構位移值仍然能滿足規范設計要求。

4 混凝土用量統計分析

根據表11混凝土用量統計可知：優化結構后，梁混凝土用量比原模型多86m3；墻比原模型減少338m3，為原來的88%；總體混凝土用量減少252m3?？梢?，對于高寬比較大，超過一般規范數值時，考慮到結構設計的經濟合理性，采取一定的技術措施是可靠有效的。通過減輕結構本身的自重，對減少整體地震力起了較大作用。通過優化局部剪力墻的厚度及長度，優化建筑的局部布局，調整局部連梁高度，滿足了建筑對使用上的需求，更有利于建筑對房間使用率的要求，結構設計也更加趨于合理，同時也提高了結構的經濟性，避免了不必要的浪費。

表8 修改調整后的結構周期計算結果

表10 修改調整后地震作用下的基底剪重比及質量參與系數

表9 修改調整后的結構位移計算結果

圖6 2～15層修改后結構平面圖

圖7 16～23層修改后結構平面圖

圖8 4～30層修改后結構平面圖

圖9 y方向最大層間位移角曲線圖

5 結語

綜上所述，對于本工程，如有條件，可先通過建筑設計的平面調整降低房屋的高寬比，從源頭上提高結構的經濟性。對于剛度貢獻大的外墻，在滿足建筑立面的要求下，可以利用連梁的高度，適當做厚以有效加強房屋的扭轉剛度；對于剛度貢獻小的內墻，可以在規范的允許下適當減薄和縮短，不僅提高結構的經濟性，也有利于房間的使用率及布局的靈活性；對于某些連肢墻，在建筑無開洞要求下，取消結構洞口，能有效提高剛度。在荷載取值方面，特別是地暖的面層，建議根據實際的做法細化，避免不必要的浪費。

表11 混凝土用量統計