高層房屋建筑結構設計結構設計探索

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【摘要】為了改善高層房屋建筑結構設計方案，從提升結構抗震性能出發，以平面調整、剪力墻布置作為優化方向，對房屋建筑結構設計進行優化研究。論文闡述房屋建筑結構設計存在的問題，結合工程案例，闡述基于結構設計優化的房屋建筑結構抗震性能改進的具體思路和方法。

【關鍵詞】結構設計優化；位移比；位移角；剪力墻

1引言

在經濟迅速發展的時代背景下，人們對房屋建筑實用性、功能性等要求越來越高[1]，高層住宅成為當代人們關注的重點。為了提高住宅的品質，滿足當代人們對房屋建筑品質的追求，住宅結構設計的要求越來越高。如果結構布置不合理，尤其是作為關鍵構件的剪力墻，如果布置不當，受風荷載或者受到地震等自然災害影響時，結構位移很難達到標準要求[2]。地震災害對建筑結構的影響相對較大，在高烈度地區尤為明顯。所以，急需探究基于提升抗震性能的高層房屋結構優化設計方案。目前，針對高層房屋結構設計及優化的研究比較多，本文嘗試引入結構設計優化思想，從不同的視角提出新的房屋建筑結構設計方案優化思路。

2房屋建筑結構設計存在的問題

高層房屋建筑對抗震性能的要求更高，為了滿足此項要求，目前很多設計方案從墻體長度、厚度出發來提高結構整體支撐力及抗側力能力，以此改善建筑結構的抗震性能[3]。然而這種設計方案在模擬分析和實踐操作中體現出的性能都較差，未能達到高層建筑抗震規范要求。所以，當前許多高層房屋建筑結構設計雖然布置了較多的剪力墻，但計算結果顯示仍存在嚴重的抗震性能不足的問題。

3基于結構設計優化的房屋建筑結構抗震性能改進

查閱大量文獻資料了解到，剪力墻的布置對結構抗震性能影響較大。如果可以減少短肢剪力墻，同時保證墻肢布置結構整齊均勻，便可以起到很好的抗震性能提升作用[4]。該項理論的提出，對房屋建筑結構優化設計幫助較大。因此，本文研究從剪力墻布置角度出發，嘗試提高抗側效率，達到改善建筑抗側剛度的目的。分析建筑核心層的抗震性能需求，通過計算獲取樓板內力，采取配筋處理，以此改善剪力傳遞作用[5]。另外，從建筑結構的高度和寬度出發，對側向剛度的抗震性能加以控制，以此優化建筑結構[6]。為了加深此部分內容的探究，本文將以某工程項目為例，對建筑結構加以優化設計，通過對比優化前后抗震性能指標的變化情況，檢驗高層房屋建筑結構優化方法的有效性。

3.1工程概況及自然條件

本工程位于市中心生活區，房屋的結構總建筑高度105.5m，地上38層，屬于A級高度建筑。按照建筑功能的不同，對樓層的層高進行設置。其中，首層為建筑結構的架空層，高度設置為4.7m，其他標準層（2樓及以上樓層），層高設置為2.8m。本工程的結構使用年限設置為50a，抗震設防類別為標準設防類，安全等級為二級。根據建筑所處的地區，抗震設防烈度為7度，建筑所處地區設計基本地震加速度為0.15g，設防地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。50a重現期基本風壓力為0.35kN/m2，風荷載體型系數按照1.4計算，因高度大于60m，承載力計算時采用的風壓為基本風壓的1.1倍。按照這些自然條件，對房屋建筑結構的設計方案進行優化。

3.2結構形式的選擇

由于本工程進深較小只有13.7m，而高度較高達到105.5m，相應的高寬比為7.7。而按照JGJ3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.3.2條的規定，高層建筑剪力墻結構最大的高寬比適用值為6。根據住宅隔墻較多的特點，采用抗側力較強的剪力墻結構。其中，控制結構的位移角及位移比以及對結構薄弱部位進行加強，成為本工程結構設計的關鍵。本工程梁板混凝土強度等級為C30；剪力墻混凝土強度等級10層以下為C60，10層以上從C60下降至C30。根據建筑物高度及建筑結構剪力墻壓軸比限值特點，根據本建筑結構抗震性能要求，將建筑底部3層作為底部加強部位。

3.3結構抗震性能分析及優化思路

按原初步設計結構方案，該建筑相鄰的兩個單元，用抗震縫隔開分成了兩個獨立的結構單元，如圖1所示。這種一個結構單元的單拼方案，結構平面凹進尺寸較小，樓板尺寸和平面剛度無急劇變化，結構平面比較規則。但是因為一個建筑單元的面寬和進深都不大，平面尺寸只有23.3m×13.7m。水平方向雖然尺寸較大，但是因為橫墻需要開門開窗較多。所以水平方向的剪力墻分布不均勻，而且有效墻長較短，導致該方向抗側剛度不大。垂直方向，可以布置剪力墻的位置較多，剪力墻也基本對齊，但因為垂直方向長度只有13.7m，該方向抗側剛度也不大。通過計算分析，該方案的層間位移比和層間位移角均不滿足規范要求。由計算結果顯示，最大位移比發生在水平向，最大值達到1.37，垂直向達到1.34。水平方向最不利層間位移為1/833，垂直方向最不利層間位移1/1273，規范限值1/1000，水平方向不能滿足規范限值的要求。通過以上分析可知，單拼方案水平方向抗側剛度需加強。從剪力墻平面布置來看，水平方向能設置剪力墻的位置幾乎全部布置了墻體，通過增加剪力墻的數量來增強抗側剛度的方法不可行。因此，采用另一個思路做調整，即采用雙拼方案，兩個建筑單元不設抗震縫，合并成一個結構單元如圖2所示。雙拼的結構方案，加大了面寬，使水平方向的平面尺寸由23.3m加大到46.3m，高寬比降到2.3。比較單拼和雙拼的結構方案的計算結果，雙拼方案加大了水平方向的平面尺寸后，最大位移角發生在水平方向，為1/1137，垂直方向的最大位移角為1/1217，水平和垂直方向的最大位移角比較接近，而且均在規范限值1/1000的范圍內。比較其他各個抗震指標，水平方向最大位移比由1.37降為1.23，垂直方向最大位移比由1.34降為1.22；水平和垂直方向的第一周期分別為2.6115s和2.6024s，動力特性十分接近，保證了發生地震時結構體系能夠協調地抵抗地震力。上述方案中，針對原方案X向和Y向位移角差異較大問題，本優化方案沿著X方向形成大面寬，加大建筑整體架構，從而改善X向剛度，使得抗震效果得以提升。另外，根據計算結果，位移角還有一定的富余，對于中部剪力墻可適當減少布設數量，減小剪力墻長度，進一步控制結構位移比，使位移比更接近規范限值，使結構體系的經濟性進一步提升。從性能參數變化便可以看出，優化方案達到抗側性能提升的目的，結構的安全性和經濟性均不同程度得到改善。應當注意到本方案減少高寬比增大抗側剛度的方法，是針對建筑方案中存在兩個相鄰對稱的單元的情況，如果只是一個獨立建筑單元，無法加大平面尺寸，不能增加剪力墻數量，可以采用型鋼混凝土剪力墻的結構形式，此種結構形式的剛度和延性都較好，對改善高層建筑結構的位移角有明顯的作用，但這種結構形式造價高，一般用于高檔寫字樓或地標式建筑，住宅類建筑一般不會采用。另外，對于某些品字形的建筑方案，兩兩相連時，凹進尺寸大于相應總尺寸的70%左右，已經大大超過GB50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）的規定值，會形成嚴重不規則結構，可能造成嚴重的地震破壞，必須分縫處理。

4連接板薄弱部位抗震性能改善模擬分析

對照規范進一步分析可發現，雙拼結構對側向剛度提升的同時，結構平面產生了新的不規則問題，雙拼后，在中部拼接位置采光凹槽的連接板處，凹進尺寸6.5m，相應的垂直投影方向投影總尺寸為12.75m，凹進比率達到51%，大于規范限值的30%。當存在水平地震力，該凹槽連接部位樓板要協調兩側主結構時，平面內將承受較大的水平力。采用有限元分析軟件進行分析計算，以中震作為環境模擬條件，對優化后的雙拼方案樓板抗震性能進行模擬分析，結果如圖3所示。模擬結果顯示，在凹槽連接板的位置，拉應力較大，達到3.1MPa，而樓層混凝土強度等級為C30，相應的軸心抗拉強度標準值僅為2.01MPa，遠小于拉應力，凹槽連接板可能在地震初期開裂，在往復地震力作用下裂縫會加大，導致樓板平面內的剛度會大大降低，無法協調兩側的結構體共同變形，該部位的樓板需加強。加強的方式，首先，要增加連接板的板厚，降低該部位的混凝土應力，本方案中樓板加強范圍內板厚由100mm加厚到150mm，重新模擬分析，最大應力可由3.1MPa降至2.0MPa。另外，通過配置雙層雙向通長鋼筋，增加該部位的延性，延遲連接板的開裂時間，使樓板在多遇地震地震作用下基本處于彈性狀態，在設防地震作用下，樓板裂縫寬度及剛度退化也會得到有效的控制。

5結語

本文圍繞高層建筑結構設計優化展開探究，通過本工程優化過程可知，高層建筑的各種抗震性能指標是相互關聯的某項指標與限值相差太遠，一定會導致其他指標劣化，需要找出有問題的主要指標加以優化，其他指標也會相應得到改善。本方案通過調整水平向的側向剛度，使結構體系的整體抗震性能得到提高，保證了結構的安全性，節省了鋼筋和混凝土用量。另外，本研究采取模擬檢驗的方式，驗證了高層建筑結構樓板薄弱部位的抗震性能，提出了改進措施。通過本文內容的探究，可以為高層建筑結構優化設計提供一些新思路。

【參考文獻】

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作者：劉宇華 單位：廣西壯族自治區城鄉規劃設計院