廈門杏林灣超高層住宅的結構設計探討

羅 軍

(廈門合道工程設計集團有限公司 福建廈門361004)

引 言

廈門杏林灣位于集美區杏林東南部，在杏濱路以東、杏林大橋以南的海邊，集中了廈門島外密度最大的住宅區(且多為超高層住宅)，該處風荷載大，地質情況復雜，筆者所在公司在此承接了建筑面積一百多萬平米的設計任務，作為設計團隊的一份子，就杏林灣一帶最常見的超高層住宅(建筑高度110～120m)談談自己的結構設計體會，希望能起到拋磚引玉的作用。

1 場地概況

建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組:第二組;場地類別:Ⅱ～Ⅲ類。規范特征周期Tg=0.40～0.55sec，安評特征周期Tg=0.50～0.60sec，地震影響系數最大值規范0.12g，安評0.138～0.146g;框架抗震等級二級，剪力墻抗震等級二級。50年一遇的基本風壓:0.8kN/m2，地面粗糙度類別取A類。

2 建筑結構概況

本次選取比較典型的三棟近120m超高層住宅，即板式、規則點式、不規則點式(以下簡稱板式、規則、不規則)，其建筑條件(如表1);場地周期，加速度(如表2):

表1 建筑概況表

表2 場地概況表

2.1 建筑效果圖(如圖1，圖2)

圖1 板式超高層住宅(兩結構單體，左右對稱)

圖2 規則點式與不規則點式超高層住宅

2.2 平面圖(如圖3，圖4，圖5)

圖3 板式住宅標準層平面圖

圖4 規則點式住宅標準層平面圖

圖5 不規則點式住宅標準層平面圖

2.3 剖面圖(如圖6)

圖6 板式、規則點式、不規則點式(從左至右)住宅剖面圖

3 結構選型，高寬比、水平荷載分析

3.1 結構選型

從結構造價、施工便捷性角度出發，選用現澆鋼筋砼結構;因為項目均為住宅，從建筑使用空間角度考慮，不希望出現突出室內的柱、跨房間梁等，因此結構體系選擇剪力墻結構體系。砼強度等級豎向構件C50～C30，水平構件C35～C30。

3.2 結構優劣性分析

規則點式因其平面規則、高寬比最小，為結構最優;板式因進深小，且屋頂構架高(如圖6)為結構最差;不規則點式則介于二者之間。

3.3 建筑結構的高寬比

規則點式平面的寬度容易得到，但板式和不規則點式的平面較為復雜，在此參照廣東省實施《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3—2002)補充規定3.2.2條:“…當建筑平面非矩形時，可取平面的等效寬度B=3.5r，r為建筑平面(不計外挑部分)最小回轉半徑。”［1］，從而求出弱軸方向高寬比，具體(如表3):

表3 結構高寬比表

根據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3－2010)第3.3.2條［2］，高層鋼筋砼結構的高寬比在7度區不宜大于6;板式住宅顯然超過這個值，高寬比的控制是對結構體系綜合指標的宏觀控制，如果高寬比過大，就會對結構體系、結構構件斷面的設計和結構經濟性的控制帶來不小的挑戰。

3.4 水平荷載作用下結構基底剪力分析

從結構初步電算得出各棟樓水平荷載工況下的基底剪力值(單位kN)，X、Y向分別(如表4、表5):

表4 X向水平荷載作用下結構基底剪力表(kN)

表5 Y向水平荷載作用下結構基底剪力表(kN)

從以上指標可以看出，3個項目地震基底剪力有無安評相差6%～34%(不規則點式超高層對地震力敏感)，因此結構計算均采用安評值;Y向風工況基底剪力比地震工況基底剪力部分大22%～85%，由此可見，該場地水平荷載尤其是風荷載較大。

4 結構體系的變形分析及布置原則

4.1 通過結構試算，變形控制工況(如表6)

表6 結構變形控制工況分析表

從(表6)看出，結構弱軸方向的荷載控制工況全部為風荷載工況;風荷載與建筑體型密切相關而與結構主體關聯性較小(僅風振相關)，而地震荷載與結構剛度、周期、自重等息息相關，因此應把握水平荷載的類型在結構體系布置時采取不同的措施。

4.2 剪切變形與彎曲變形

抗側力剛度較弱的結構體系(比如框架結構)，其水平力作用下的變形以剪切變形為主，抗側力剛度較強的結構體系(比如剪力墻結構)，其水平力作用下的變形以彎曲變形為主，框－剪體系則介于二者之間，整體彎曲變形主要體現在豎向構件在傾覆彎矩作用下的拉壓變形，因此對于剪力墻結構，要加強關鍵位置(離剛心較遠且整體性較好的位置)的豎向構件軸向剛度，就可提高整體抗彎剛度，減小彎曲變形，控制樓層最大層間位移角。

4.3 剪力滯后效應

“剪力滯后效應在結構工程中是一個普遍存在的力學現象，小至一個構件，大至一棟超高層建筑，都會有剪力滯后現象，具體表現是:在某一局部范圍內，剪力所能起的作用有限，所以正應力分布不均勻”［3］。剪力滯后效應會降低整體抗彎剛度;如果要減少剪力滯后效應，應加強結構體系整體性特別是加強關鍵豎向構件(或筒體)之間的連接。

4.4 結構抗側力體系布置原則

經過4.1～4.3的分析，結構布置原則如下:

①找出關鍵位置的豎向構件并予以加強(提高整體抗彎剛度，原理類似于加強工字鋼的翼板)。②盡量對齊縱、橫向墻體位置，加強整體性，減小剪力滯后效應(原理類似于設計工字鋼的腹板)③對抗側力剛度幫助不大的構件以承受豎向荷載為主來設計，以合理低限設計結構斷面，減輕結構自重。通過加強關鍵位置的豎向構件和減小剪力滯后效應形成高效抗側力體系，從而實現以較小代價達到結構需求的抗側剛度的設計目的。

另外，從建筑使用功能的角度出發，剪力墻布置做如下建議:①優先考慮樓、電梯井，分戶墻位置，可減少被轉換的概率。②布置在樓、電梯井盡量形成筒體，筒體內墻從底部開始就采用最小斷面至頂，降低建筑公攤。

5 結構體系的布置要點與結構計算模型、參數的處理

在杏林灣位置的超高層住宅存在水平荷載大，高寬比大的不利因素，在建筑方案確定的前提下，合理布置結構體系，以較小代價達到結構需求的抗側剛度是結構設計的核心問題。

5.1 布置要點

5.1.1 板式住宅

X向:利用周圈凸窗設計高連梁、提高整體剛度。

Y向:南北向離剛心較遠位置設置厚墻、大斷面柱(如圖7中涂黑部分的豎向構件)，利用樓電梯井形成筒體;加強南北向連接;盡量對齊剪力墻。

5.1.2 規則點式住宅

建筑外周圈剪力墻體通過凸窗位置高連梁圍成筒體，內部樓電梯間圍成筒體;加強內外筒體連接。

5.1.3 不規則點式住宅

建筑外周圈剪力墻體盡量滿布，周圈凸窗位置均設計為高連梁;離剛心較遠位置設置筒體并適當加厚墻體(如圖9中涂黑部分的豎向構件)。

5.1.4 具體結構平面布置(如圖7，圖8，圖9):

圖7 板式住宅結構平面圖

5.2 結構計算模型中部分構件、參數的處理

5.2.1 連梁:計算模型處理方式分兩種，墻上開洞方式和按普通梁方式，按墻上開洞方式輸入計算則軟件一般按殼單元處理，按普通梁方式輸入則軟件一般按桿單元處理，前者的力學模型更貼切實際情況，整體性比后者大甚至大很多，因此在結構計算模型中連梁盡量按墻上開洞方式輸入。

5.2.2 連梁剛度折減系數:風荷載工況下取1.0，地震工況取0.5～0.7。

5.2.3 帶邊框柱剪力墻:傳統軟件將剪力墻作殼單元處理(不考慮面外剛度)，邊框柱作桿單元處理，在承受垂直于剪力墻方向彎矩時未考慮剪力墻的有利作用而全部由邊框柱承擔，會造成邊框柱設計不合理，解決辦法是讀出內力手算復核或采用能考慮剪力墻的有利作用的軟件。

圖8 規則點式住宅結構平面圖

圖9 不規則點式住宅結構平面圖

5.2.4 位移比對層間位移角的影響:當樓層層間位移角不滿足規范要求時，不要盲目去做加法，應該分析是由于整體剛度不足造成還是扭轉造成，如果是扭轉造成則調整剛心位置去解決，如果是整體剛度不足(位移比已很小)則應再加強整體剛度。

5.3 主要計算結果

表7 主要計算結果

6 豎向構件的設計與優化

在主體結構的砼用量中，板式超高層住宅剪力墻所占的砼體積比例一般在2/3左右，點式超高層一般也占到50%以上，同時剪力墻中邊緣構件的用鋼量又占到整個剪力墻用鋼量的2/3左右，因此整個結構體系設計是否經濟重點在于剪力墻以及其邊緣構件的設計是否合理;剪力墻在設計中注意問題如下:

(1)多布長墻少布短肢墻，在優化墻體時先考慮優化墻厚，后考慮優化墻長;設置的厚墻、端柱在通過了層間位移角最大樓層后應及時收斷面。

(2)在結構電算模型初步定案后，應在圖中畫出邊緣構件范圍并推敲其合理性，修改完成后再反饋到電算模型中。

(6)端柱的含鋼率較剪力墻高，如結構經濟指標要求較高，則要把端柱斷面設計至合理低限。

(4)組合墻、邊框柱、端柱應按照合并的組合墻截面進行配筋。

(5)在約束邊緣構件區域，計算體積配箍率時考慮墻身水平筋伸入邊緣構件作箍筋，優化配筋同時提高墻體的整體性;在構造邊緣構件區域，暗柱箍筋除外圍采用封閉箍外，內部采用拉鉤隔一拉一，在優化配筋的同時使其與約束邊緣構件區域承載力有所差別，形成多道防線。

7 結構經濟指標、結構的建筑適用性評估

在結構初步設計階段，結構體系定案后應及時評估結構的經濟性和適用性，避免后面返工:

7.1 結構經濟性評估

上部(±0.000以上)的結構單方經濟指標(如表7):

表7 結構經濟指標表

通過以上指標可以看出，在地震烈度7.5度，風荷載較大地區，建筑物高寬比以及結構的規則性對結構經濟指標的影響較大，以上三棟建筑的砼單方指標比值為1:0.72:0.89;鋼筋單方指標比值為1:0.78:0.92;三個項目的經濟指標均在可以接受的范圍內。

7.2 結構對建筑空間的適用性評估

(1)板式住宅:除少數北面外墻較厚外(500～600mm)，其余墻體厚度在第3層以上均不大于200mm，除凸窗外，梁高不大于450，梁寬不大于200，在高寬比超規范很多、水平荷載很大的地區達到了結構與建筑在使用空間上的基本和諧統一。

(2)規則點式住宅:除底層墻厚300～400外，標準層以250，200厚度為主，除凸窗位置外，其余主梁高不大于570;滿足建筑要求。

(3)不規則點式住宅:除底層及三個控制彎曲變形的角部墻厚為300～400外，標準層以250，200厚度為主，除凸窗位置外，其余主梁高不大于570;滿足建筑要求。

8 結論

本文以三棟具體的超高層住宅建筑為例，總結出廈門杏林灣這一水平荷載較大地區超高層住宅結構設計的流程:

(1)在水平荷載大、高寬比大情況下，通過加強關鍵位置豎向構件和減小剪力滯后效應形成高效抗側力體系，實現以較小代價達到結構需求抗側剛度的目的。

(2)通過第(1)點布置出合理的結構體系后，還應在結構計算模型、電算參數的處理方面抓住重點，使其符合實際情況;最后落實到具體的每個結構構件的設計上來。

(3)板式超高層住宅因其大開間、小進深的原因在采光通風方面有著天然的建筑優勢，但其結構造價是最高的，適用于高附加值的項目;規則點式結構造價是最低，但在沿海地區與板式比較具一定建筑劣勢，適用于高容積率項目;不規則點式則介于上述兩者之間。

(4)結構設計是一個系統工程，在初步設計階段應及時評估結構的經濟性和適用性，避免后面返工，使整個工程設計和諧統一。

［1］廣東省實施《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2002)補充規定(DBJ/T5－46－2005).

［2］JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］，北京:中國建筑工業出版社，2010.

［3］源自網絡資料.