高層建筑混凝土結構優化設計的問題探析

文/馬恩品 阜陽建筑設計研究院 安徽阜陽 236010

1、高層剪力墻結構的設計與優化

1.1 墻體布置數量的優化

剪力墻布置數量盡量減少。實際工程中，有應避免剪力墻結構的剛度過大，設計時控制其基本自震周期0.05n～0.08n(n為結構總層數）較為適宜。

剪力墻的布置數量還可以用層間位移角指標來控制，純剪力墻結構的層間位移角限值為1/1000,工程設計中要盡量靠近這一數值，如果計算結果相差太多（如接近1/2000），說明剪力墻結構剛度大，剪力墻布置數量太多，應適當減少墻體數量。

1.2 減少約束邊緣構件數量

根據規范規定，約束邊緣構件的配筋范圍和配筋率要求都比構造邊緣構件高出不少，一般構造邊緣構件配筋比約束邊緣構件配筋減少40%以上。如果控制剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比小于《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010表7.2.14的規定值，則在底部加強區的墻體可不設約束邊緣構件，而代之以配筋更少的構造邊緣構件?？刹捎锰岣呒袅Φ幕炷翉姸鹊燃壍确椒?，使墻體軸壓比降至規定范圍之內，這樣以來，約束邊緣構件則可由構造邊緣構件取代，縱筋也可由計算值控制降為構造控制，此方式經濟效益明顯。

1.3 剪力墻的厚度和配筋的優化

由于剪力墻結構的剛度較大，一般均能滿足規范的要求，通常在低烈度區，反應整體剛度的樓層位移角可遠小于規范限值要求。同時剪力墻結構剛度大，所承擔的地震作用也越大，因此，在滿足穩定性和強度要求的前提下，適當減薄剪力墻的厚度，有利于改善剪力墻的抗震性能。如在抗震設防烈度7度區，底部加強部位墻厚200mm，底部加強部位以上160mm，一般均可滿足要求。

歷次震害中，并未發現現澆剪力墻結構由于墻體少筋而產生破壞。剪力墻如能合理的布置、截面合理取值，其配筋多半不是計算內力控制而是構造配筋，這樣其節點區主筋、箍筋以及墻段的水平分布筋的配筋率都可以按規范規定的最小配筋率配置。需要指出的是，抗震墻約束邊緣構件中的箍筋配置量也與鋼筋的抗拉強度有關，為使其配筋直徑不過大、箍筋肢距不過密，配筋量不太高，宜采用高強鋼筋。剪力墻鋼筋建議采用強度等級HRB400及以上高強度鋼筋以降低用鋼量。

1.4 盡量避免短肢剪力墻

短肢剪力墻是指截面厚度不大于300，并且各肢墻截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻。

由于短肢剪力墻抗震性能較差，且缺乏實際地震考驗，在高層住宅結構中不宜布置過多。規范規定，高層建筑不應采用全部為短肢剪力墻的結構，短肢剪力墻必須與一般剪力墻或剪力墻筒體共同使用，以增加抗震防線。新高規JGJ3-2010對短肢剪力墻不再要求提高抗震等級，但降低了軸壓比限值（比原規范降0.05）。

采用短肢剪力墻較多的結構，必須采取抗震加強措施，致使用鋼量明顯加大。JGJ3-2010第7.2.2條規定的短肢剪力墻的全部豎向鋼筋的配筋率遠大于7.2.17條規定的普通剪力墻的配筋率。綜合考慮，短肢剪力墻配筋率比普通剪力墻配筋率大30%以上。因此，在布置剪力墻時應盡量避免形成短肢剪力墻，墻肢長度應設計的比8倍墻厚稍大50～100mm，沒有條件加長時可考慮不設此段墻肢，采用梁連接。

2、框架-剪力墻結構的設計與優化

2.1 宜采用帶邊框的剪力墻

框架剪力墻結構中剪力墻宜采用周邊有框架梁和端柱（邊框柱）的剪力墻形式。研究表明取消端柱（邊框柱）可使剪力墻承載力下降20%～30%。剪力墻取消框架梁以后，其承載力下降約10%。確實無法設置框架梁時，也應設置暗梁代替。暗梁的高度可取墻厚2倍或與框架梁等高，并不宜小于400mm，暗梁的配筋應滿足同層框架梁相應抗震等級的最小配筋要求，對于比較重要的高層建筑，其底部加強區及以上一～二層暗梁配筋尚宜同時滿足承受本層豎向荷載要求。剪力墻邊柱（邊框柱）截面宜與同層框架柱相同，并應滿足框架柱的構造要求。緊靠剪力墻洞口的端柱（邊框柱）和剪力墻底部加強區的端柱（邊框柱）宜按柱箍筋加密區的要求沿柱全高加密箍筋。

2.2 高烈度區的高層建筑不宜采用純框架結構，宜優先考慮框架-剪力墻結構

唐山地震震害調查證明，框架-剪力墻結構的抗震能力明顯高于框架結構。汶川地震的震害也表明，框架結構的震害較重，即使主體結構未倒塌，其外圍護墻及隔斷墻等非結構構件破壞嚴重，容易造成人員傷亡。高烈度區的高層建筑采用純框架結構，即使結構計算通過（如周期、位移限值等滿足），在結構受力上也是不合理、不經濟的。這樣的結構，梁柱斷面大，用鋼量大，側向位移偏大，地震中非結構構件易于破壞。為此，全國民用建筑工程設計技術措施（2009版）-結構（混凝土結構）將《建筑抗震設計規范》GB50011-2010框架結構的適用高度予以降低（50%左右），建議6度區不高于30m,7度區不高于24m,8度區不高于20m(5層）。其適宜高度嚴于國家規范，可供設計人員參考使用。

2.3 抗震設計時，框架-剪力墻結構中的樓梯間，周邊宜布置剪力墻，并宜采用現澆鋼筋混凝土樓梯

樓梯構件應支撐在剪力墻上。當樓梯周邊不能布置剪力墻時，樓梯及周邊構件的抗震措施應滿足框架結構中樓梯的設計要求。

汶川地震的震害表明，框架結構中的樓梯及周邊構件破壞嚴重，但框架-剪力墻結構的樓梯構件基本保持完好，主要原因是樓梯間周邊設置的剪力墻組成了筒體，對樓梯構件起到了很好的保護作用。因此，建議抗震設計時盡可能的在樓梯間周邊設置剪力墻。

3、地基基礎的設計與優化

下面以我市部分高層建筑基礎設計案例進行分析。

我市高層建筑地下室大多為一層，埋深約5.5m,基礎持力層一般選擇第（2）或（3）層粉質粘土，承載力特征值fak=220～240kPa,壓縮模量Es1-2 = 8～10 MPa 。一般20層以下可采用天然地基（不包括與裙房地下室連通的情況），20層以上一般采用CFG復合地基或樁筏基礎。

天然地基沉降量計算中，沉降計算經驗系數影響較大。下表是我市部分高層建筑計算沉降量（未進行經驗系數修正）和實際平均沉降量的數據比較。

本市20層以內部分高層建筑沉降量一覽表

根據《建筑地基基礎設計規范》GB50007-2011表5.3.4規定，體形簡單的高層建筑基礎的平均沉降量限值為200mm。我市高層建筑基礎沉降量計算經驗系數一般取0.30～0.35左右，20層以下高層建筑實際沉降量一般不超過50mm。

我市部分20層以下的高層建筑，本地設計單位在基礎設計時，天然地基承載力經修正后能滿足強度要求,計算沉降量時，一般均會考慮沉降量計算經驗系數，地下室采用筏板基礎。經過10多年實踐證明，均未發現高層房屋平均沉降過大、整體傾斜超限等問題。當主樓與裙房地下室連為一體式時，主樓邊柱下的地基承載力修正用的基礎計算埋深可按裙房等效埋深確定。外地設計單位計算地基沉降量時，由于未考慮沉降量計算經驗系數,計算沉降量接近200mm時，往往采用樁筏基礎或CFG復合地基處理，增加造價，顯得過于保守，有必要進行優化設計。甚至有些外地設計院在本市設計的12層商住樓也采用樁筏基礎，明顯過于保守，有很大的優化空間。

結語：

高層建筑混凝土結構量大面廣，結構設計的選型合理，參數取值準確，可以在滿足規范、規程和標準等前提條件下降低結構造價，提高抗震性能，增大使用空間，縮短施工工期，符合節能，環保、綠色的可持續發展觀。高層建筑混凝土結構設計要做到技術性和經濟性的統一，力求在技術先進的前提下達到經濟合理，安全可靠。