一超B 級高度無地下室天然基礎住宅設計關鍵點分析

劉齊霞

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司）

0 引言

隨著中國城市化發展，城市中心區寸土寸金的土地上建造高容積率的建筑變得勢在必行[1]，超B 級高度住宅也得到推廣利用[2]。本文結合一超B 級高度住宅設計工程實例，對該類型結構設計中存在的關鍵性問題進行分析。

1 工程概況

本工程由2 棟二梯四戶塔樓組成，共用一個有四層裙房的大底盤，裙樓層建筑功能主要為車庫及設備用房，如圖1 所示，位于7 度區，采用剪力墻結構。四層裙房一側露出地面，另一側相鄰已有結構，以變形縫的形式分開。塔樓大底盤以上主體結構高度為148.2m，嵌固端以上164.75m＞150m，屬超B 級高度高層建筑。

圖1 工程立面示意圖

2 風荷載取值

本工程周邊環境如圖2 所示，其中四角星表示工程位置。已有結構平面寬度＞300m，東側山體平面寬度＞1000m，裙房被已有結構及山體遮蔽。

圖2 工程位置現場圖

對于本工程，風荷載有三種取值方法，取值方法一：風壓高度從裙房頂板算起，裙房不考慮風荷載；取值方法二：風壓高度從裙房底板算起，裙房不考慮風荷載；取值方法三：風壓高度從裙房底板算起，完全不考慮山體和周邊上蓋建筑物的遮擋，裙房考慮風荷載。如圖3 所示。

圖3 風荷載取值方法示意圖

三種風荷載取值方法計算結果如表1 所示。從表1可得，裙房是否考慮風荷載（取值方法二、三），對基底剪力和彎矩的影響程度小，本工程風荷載的關鍵是確定風壓高度的起算面。裙房周邊被已有結構及山體遮蔽，完全忽略周邊遮擋的取值方法一過于保守，對項目建筑品質和經濟性影響大。對于類似項目，可以采取風洞試驗，以試驗結果作為設計依據輸入。本工程由于時間原因，采用偏安全的風荷載取值方法三進行風荷載計算。

表1 不同風荷載取值方法對應基底剪力和傾覆彎矩

3 裙房樓蓋設計

本工程裙房典型柱網尺寸為8.1m×8.1m，裙房四層均為停車庫。裙房屋面覆土1.2m，其中裙房首層、二層為機械車庫，裙房三層和四層為普通車庫。

根據下述參數，對裙房屋面的經濟性進行比較：

⑴材料標號：混凝土C35，鋼筋HRB400；

⑵材料單價：混凝土600 元/m3，鋼筋5400 元/t，模板60 元/m2；

⑶荷載：單層停車庫恒2.5kN/m2，活4.0kN/m2；雙層停車庫為恒4.0kN/m2、活8.0kN/m2；樓板自重自動計算；

⑷跨度按8.1m×8.1m 跨柱網布置，取居中的網格進行成本核算；

⑸頂板覆土按1.2m 考慮，附加恒載25kN/m2，活荷載5.0kN/m2；

⑹裙房屋面板板厚度不小于160mm，塔樓內不小于150mm，樓板通長筋配筋率不小于0.25%；普通車庫板厚度不小于110mm，機械車庫板厚度不小于120mm，按照最小配筋率要求分離式配筋，跨中板面另加不小于0.1%配筋率的抗伸縮鋼筋網；

⑺經濟性控制要求：板筋配筋率控制在0.6%以下，梁筋典型配筋率控制在0.8%～2.0%范圍。

裙房頂板作為大底盤頂板，框架柱之間須通過框架梁拉結，對加腋大板、十字梁、雙次梁方案進行經濟性對比。對于單層停車庫和雙層停車庫，由于裙房無可靠側限，不考慮無梁樓蓋；若設置次梁，單次梁布置通常使框架梁配筋偏大、梁高偏高，井字梁布置模板太多且無法充分發揮承載力，雙次梁和十字次梁較優。建立5×5 跨柱計算模型，具體尺寸如圖4 所示。

圖4 樓蓋結構布置示意圖

不同樓蓋結構方案造價對比結果如表2，結果表明：

表2 不同樓蓋結構方案造價對比

⑴對于裙房頂板，加腋大板材料用量較高，雙次梁方案與十字次梁方案相比，除造價較低之外，機電管線可以充分利用次方向節省的100mm 梁高，因此選用雙次梁方案。

⑵對于單層和雙層停車庫，雙次梁方案在造價和凈高方面均存在優勢，因此采用雙次梁方案。

4 結構超限設計

本工程屬于剪力墻結構，結構高度164.75m＞150m，超B 級高度，高度超限，同時存在扭轉不規則、偏心布置、凹凸不規則和尺寸突變（多塔），按照建質[2015]67 號《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》的規定，本工程屬于超B 級高度一般不規則超限高層結構。針對本工程超限情況，采取了以下計算手段及加強措施：

⑴采用兩個不同的彈性分析程序YJK 軟件與MIDAS 軟件進行分析對比，互相校核結果，相差不超過10%，表明結構整體計算指標準確可靠；

⑵采用彈性時程分析法進行多遇地震下補充計算，輸入兩組人工波和五組天然波，結構地震效應取多組時程曲線的平均值與振型分解反應譜法計算結果的較大值；

⑶對結構進行抗震性能設計，根據抗震中不同構件的重要性及其作用，將構件分為關鍵構件、普通構件和耗能構件，采用YJK 軟件按C 級性能目標進行中震、大震作用下的性能分析，并根據計算結果采取相應的加強措施；

⑷罕遇地震作用下，采用PKPM-SAUSAG 進行動力彈塑性分析，結構層間位移角最大值為1/195，滿足規范1/150 限值，結構整體剛度的退化沒有導致結構倒塌，滿足“大震不倒”設防要求。大部分連梁和部分框架梁屈服，部分達到重度或嚴重損壞，對降低豎向構件的損傷起到重要作用；部分剪力墻混凝土出現輕微至輕度損傷，滿足性能水準要求。因此，結構整體抗震性能良好，與預期性能目標吻合。

5 基礎設計

本工程無地下室，持力層為中微風化巖，塔樓下采用筏板天然基礎，純裙房部位采用柱下獨立基礎+防水板。室外地坪算至基礎底面基礎埋置深度為2.1m，小于規范要求的基礎最小埋置深度164.75/18=9.2m，需補充進行結構整體抗傾覆和抗滑移驗算。對于抗傾覆驗算，控制指標為高寬比大于4 的高層建筑，基礎底面不宜出現零應力區[3]，并且抗傾覆穩定性安全系數Kr 不小于1.5[4]，對于樁筏基礎應保證樁不應出現拉力。對于抗滑移驗算，控制指標則為抗滑移穩定性安全系數Ks不小于1.3[4]。

水平荷載分別為50 年風荷載和中震作用。其中抗傾覆驗算時采用荷載組合：50 年風荷載組合為1.00(恒載)±1.50（X 風）/1.40（Y 風），中震組合為1.0（恒載)±1.00（X 地震）/1.00（Y 地震）；對于抗滑移驗算，荷載分別取50 年風荷載和中震作用下結構基底剪力，計算示意如圖5。

圖5 抗傾覆、抗滑移示意圖

結構整體抗傾覆驗算如表3。通過YJK 基礎模塊，分別計算50 年風荷載和中震四種工況（+X、-X、+Y、-Y）下零應力區復核，結構表明筏板下均為壓力，無零應力區。

表3 結構整體抗傾覆驗算結果

對于結構抗滑移驗算，偏安全簡化計算，假定基底剪力全部由塔樓下筏板底的摩擦力承擔，不考慮筏板周邊巖石嵌固作用提供的水平力。塔樓下2m 厚的筏板持力層為中/微風化巖，上部結構恒載重量106798t，表面粗糙的硬質巖摩擦系數μ 取值范圍為0.65～0.75[5]，偏安全起見，假定滑動摩擦系數為0.1，則可以提供的抗滑移摩擦力為106798kN。抗滑移摩擦力/50 年風荷載基底剪力14849kN=7.2＞1.3，抗滑移摩擦力/中震基底剪力30772kN=3.5＞1.3，滿足整體抗滑移要求。

綜上所得，50 年風荷載和中震相應荷載組合作用下，筏板底均未出現零應力區，抗傾覆穩定性安全系數均遠大于1.5，抗滑移穩定性安全系數均大于1.3，結構整體抗傾覆和抗滑移滿足要求。

6 結構成本統計

通過YJK 施工圖版塊，抽算結構含鋼量和混凝土含量如表4 所示。其中，上部塔樓中鋼筋含量豎向構件：梁：板約為2:2:1，裙房部分計算經濟指標時，統計天然基礎的用料。

表4 軟件抽算經濟指標

7 結論

⑴對無地下室且周邊有遮擋物的高層建筑，風壓高度起算面對風荷載作用大小影響大，如采用完全忽略周邊遮擋的取值方法過于保守，當對項目建筑品質和經濟性有要求時，可以采取風洞試驗，以試驗結果作為設計依據輸入；

⑵對裙房頂板和車庫樓蓋，雙次梁方案兼具經濟性和適用性優勢，結構時布置應優先采用；

⑶針對無地下室的結構，應分別對風荷載和中震作用下結構整體抗傾覆和抗滑移進行驗算，抗傾覆穩定性驗算指標包括零應力區面積和抗傾覆安全系數，抗滑移穩定性指標為抗滑移安全系數。