蘇州某高層公寓樓的結構設計

劉文彬

上海綠地建設設計研究院有限公司 上海 200437

1 工程概況

某項目地塊位于蘇州城西的生態科技城中心，由8層綜合商業和總高不超過100 m的3棟高層公寓樓以及2層地下室（局部3層地下室）組成，項目占地面積為19 000 m2，總建筑面積為185 198.17 m2（圖1）。

圖1 項目總體鳥瞰圖

為控制結構平面規則性，根據建筑平面布置及功能要求，將建筑以抗震縫為界分為6個結構單體，各單體均以地下室頂板作為嵌固端。本文僅對公寓樓2進行論述，因為該公寓樓底部有商業，荷載及層高相較于普通住宅差別較大，所以結構設計更為復雜。

公寓樓2地下2層、地上28層，總建筑高度為93 m，平面長度為44.2 m，典型寬度為12.7 m。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度峰值為0.10g，地震設計分組為第一組，場地特征周期為0.53 s，設計使用年限為50 a，安全等級為一級。公寓樓2的4層及以下為商業，屬于乙類建筑，4層以上為公寓住宅，屬于丙類建筑。場地土類別為Ⅲ類，本場地屬于建筑抗震一般地段。

公寓樓2采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構。4層及以下的抗震等級為一級，4層以上的抗震等級為二級。

剪力墻厚度為200～500 mm，剪力墻中的型鋼截面分別為HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm和HN500 mm×200 mm×10 mm×16 mm。

框架梁截面尺寸一般為200 mm×400 mm、300 mm×500 mm、500 mm×800 mm、400 mm×1 000 mm。

受力筋采用HRB400級鋼筋，非受力筋采用HPB300級鋼筋。主樓部分的梁、板、樓梯采用C30混凝土，地下室部分柱、墻采用C50混凝土，地上部分根據軸壓比大小，混凝土強度由C50依次減小到C30。

公寓樓2的高寬比為93/12.7=7.32，超過規范規定的最大高寬比6，但抗傾覆計算均未出現零應力區。

根據相關規范對公寓樓2的不規則性進行判別：本單體建筑總高度不超過120 m，不屬于高度超限建筑；本單體考慮偶然偏心的扭轉位移比存在大于1.2的樓層，但不超過1.4，即扭轉不規則。由于不規則部分沒有達到3項，故本工程不屬于超限高層，可不進行抗震超限審查[1-3]。

2 多遇地震下的抗震設計

上部結構計算程序采用PKPM-SATWE，地震作用按照規范中的參數進行主體結構分析計算，均考慮空間耦連震動。全樓樓板采用剛性樓板假定計算。

由于建筑的使用要求，公寓樓2的1～4層為商業，底層層高為6.00 m，2～4層層高為5.40 m，5層以上為酒店式公寓，層高均為2.95 m，因為商業層和住宅層的層高相差較大，在第4層處很容易出現薄弱層。

本項目在不影響建筑和其他專業使用的前提下，通過合理的結構布置，以及增加連梁高度、增加剪力墻的厚度等措施，從而增大了第4層的剛度，避免出現薄弱層，使剛度逐漸均勻變化。

剪重比是結構計算時的一個重要控制指標，公寓樓2的底層剪重比在x方向沒有滿足規范的要求，考慮到只要有一層剪重比不滿足要求，就需要對整樓進行剪力調整，導致造價提高。

為此，在公寓樓2的住宅部分設計時，通過在標準層的飄窗以及窗戶位置把梁高度加高并上翻，同時調整剪力墻的厚度，優化樓板的厚度，從而在保證不影響建筑使用的條件下增大結構的剛度，并減小結構自重，使最終的剪重比滿足了規范的要求。

結構第一振型為x向平動，第二振型為y向平動，第三振型則為扭轉振型，結構第一扭轉周期與第一平動周期之比小于0.9，滿足規范要求；結構在地震作用及風荷載作用下的最大層間位移角小于規范限值1/1 000的要求，在考慮偶然偏心地震的作用下，結構樓層最大位移比小于規范限值1.4。

3 基于性能的抗震設計

3.1 抗震性能目標

根據蘇州當地的規定，結構的高寬比在超過規范限值的10%～20%時，需進行性能化設計。公寓樓2的高寬比超過限值12.2%，為保證設計安全，除按照規范的要求及目標進行計算和設計外，亦提出了基于性能的抗震設計要求。對結構主要構件提出中震下的性能目標，并進行驗算，在多遇地震（小震）下，底部加強區剪力墻滿足彈性設計要求，在設防烈度地震（中震）下，底部加強區剪力墻滿足抗剪彈性，抗彎不屈服。

3.2 中震計算結果

3.2.1 底部加強區剪力墻中震彈性計算

計算結果表明，中震彈性下，底部加強區剪力墻能夠滿足抗剪彈性的設計要求，可以實現預定的性能目標。

3.2.2 底部加強區剪力墻中震不屈服計算結果

計算結果表明，中震不屈服下，底部加強區剪力墻能夠滿足抗彎不屈服的設計要求，可以實現預定的性能目標。

中震不屈服下，底層受拉墻體截面驗算結果表明：底部加強區個別墻肢產生了拉應力，大部分墻肢在設防地震作用下仍處于受壓狀態。部分處于受拉狀態的墻肢的名義拉應力標準值大于混凝土抗拉強度標準值，故應在鋼筋混凝土剪力墻中增加型鋼來承擔拉應力。

4 大震作用下的彈塑性變形驗算

為了驗證公寓樓2在大震作用下的彈塑性變形能力，采用了PKPM系列的PUSHOVER軟件進行了擬靜力推覆驗算，從抗倒塌驗算結果來看，在預估的大震作用下，彈塑性層間位移角遠小于規范限值1/120，說明本單體在大震作用下，具有良好的變形性能，能夠滿足“大震不倒”的設防要求。

5 結構采取的主要措施

1）公寓樓2中公寓住宅部分的外廊板厚從原先的120 mm加厚至150 mm，并提高配筋率，采用雙層雙向配筋（配筋從原先的φ8 mm@100 mm提高至φ10 mm@100 mm），以提高傳遞水平地震力的能力，在PKPM模型中指定為彈性膜進行計算，配筋滿足計算要求。

2）由于短肢剪力墻的抗震性能差，設計時對短肢剪力墻的數量作了嚴格控制，使得在規定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩小于結構底部總地震傾覆力矩的30%。在布置剪力墻時，積極和其他專業協商，能拉長的剪力墻盡量拉長，以使墻肢截面高度與厚度之比大于8；對于無法拉長的剪力墻，盡量增加墻的厚度至350 mm。對于那些無法規避的短肢剪力墻，設計時對箍筋全高加密至100 mm，并加大箍筋直徑，縱筋全截面配筋率在滿足規范要求的同時提高10%的配筋面積，并嚴格控制其軸壓比。

3）調整抗側力結構布置，使得質心和剛心盡量重合，原結構布置的扭轉較大，抗側剛度偏弱，經與建筑專業協商，通過增加單體兩端和周邊剪力墻的長度和厚度，并加大連梁的高度，提高結構四周的剛度和抗扭轉能力，盡可能減小扭轉效應。

4）計算分析時考慮偶然偏心、雙向地震作用，按總剛、剛性樓板（位移比計算時為“強制剛性板” ）假定進行多遇地震下的計算，且選用較多振型以充分考慮高階振型的影響。

5）公寓樓2為剪力墻結構，個別位置的連梁剪壓比計算較難通過，為此，通過對連梁采取剛度折減、減小連梁的高度、設置雙縫連梁以及增加交叉斜筋等有效措施，使得剪壓比滿足計算要求。

6）公寓樓2建筑底部第2層（模型第3層）因樓梯、風井較多，對樓板削弱較大，對樓板面寬削弱超過30%的位置，將其周邊樓板厚度從原來的130 mm加厚至160 mm，采用雙層雙向配筋（配筋從原先的φ10 mm@100 mm提高至φ12 mm@100 mm）；連接極弱處除加厚樓板厚度外還應補充樓板應力分析，使其滿足中震彈性的要求。

采取以上措施后，計算結果表明，中震彈性下，最大拉應力為1.970 MPa（＜2.01 MPa），最大壓應力為7.166 MPa（＜20.1 MPa），最大剪應力為1.719 MPa（＜2.01 MPa），均滿足規范要求。

6 施工采取的主要措施

1）設計總則中要求，所有孔洞均需在廠家進行加工，不得在現場進行氧氣吹割；同時根據04SG523《型鋼混凝土組合結構構造》中的要求，孔洞的最大公稱直徑不能比所穿鋼筋直徑大8 mm以上，孔洞邊距型鋼焊縫須不小于500 mm，孔洞與孔洞間距不應小于250 mm；此外，翼緣板不允許開孔，僅允許在滿足上述的條件下對腹板進行取孔，且腹板截面損失率不宜大于25%。

2）強化深化設計，與設計密切配合，設計過程中充分考慮施工的可行性。將鋼筋過于密集的區域進行統計，主筋盡量使用22、25 mm大直徑的鋼筋，以減少主筋的數量，從而增大主筋間的間距，有利于鋼筋排布及截面尺寸的確定。

3）因為型鋼柱以H型鋼為主，其主筋與箍筋和鋼柱靠的比較緊密，所以不可以按照普通墻體的施工方式進行。在具體施工過程中，要在完成型鋼柱吊裝固定并且型鋼柱焊縫檢查合格后，才可以開展鋼筋施工。鋼筋施工項目中，型鋼柱和梁筋相交處需要先繪制施工圖，確定穿筋布置的位置與錨固的位置，同時繪制出施工大樣圖，并按照其設計要求施工，標準層梁的頂部與底部要按照設計預留的穿筋孔位置，將型鋼穿入。

4）對鋼筋過密且主筋不允許調整的部分，經原設計許可后采取并孔處理。

5）型鋼柱節均由廠家直接運送至現場進行復查，符合規范要求后允許進場進行吊裝。吊裝過程中，吊繩與耳板連接穩定后再起吊，并在柱腳處加設墊木。

6）采用預拌混凝土，其設計強度為C50，并按照高強度混凝土施工要求開展施工作業。在澆筑混凝土時，要確保型鋼柱內混凝土的清潔，其表面不能有積水和雜物等，并做好防護措施。

7 建議

由于建筑專業過分地追求建筑的平面功能以及公寓住宅未來的銷售指標，從而影響了結構專業的構件布置，比如[4-7]：

1）由于建筑布置使得結構的高寬比超過了規范的限值，為此，對公寓樓2進行了性能化設計，并且在部分剪力墻內增加了型鋼，導致了最終造價的提高，同時也給施工造成了困難。

2）為了滿足公寓住宅的戶型要求，結構專業在布置剪力墻的時候，y方向多片剪力墻不得不錯開布置，導致剪力墻無法通過連梁相連接，使得y方向的結構剛度明顯偏弱，只能通過拉斜梁來提高剛度，有些位置只能使梁與剪力墻在平面外連接，這些措施在一定程度上也影響了建筑的美觀。建議建筑專業多考慮結構布置的合理性，各專業應緊密配合。合理而有效的結構布置不僅可以使結構更加安全，也可以有效地降低造價。

8 結語

公寓樓2的結構體型雖存在不規則、高寬比超過規范限值等情況，但通過各種加強措施及性能化設計，除保證結構在小震下完全處于彈性階段外，還補充了關鍵構件在中、大震下的各項驗算，且計算結果表明，多項指標均表現得較為良好，能夠滿足規范的有關要求。同時在施工中采取了相應的措施，并且在設計中也充分考慮了施工的便利性，設計與施工之間緊密配合，從而保證了施工質量，確保了工程安全。