高层建筑结构优化设计的要点

【摘要】高层住宅建筑结构设计时在保证结构安全?满足各种规范或某些特定要求的条件下,通过优化结构方案,力求减少结构造价,使经济指标趋于最优化?笔者结合设计过程中的经验,就高层住宅建筑结构设计中遇到的一些问题,介绍了高层住宅结构设计中核心筒剪力墙?基础设计?地下室的经济性优化设计?框架-核心筒结构的优化设计和剪力墙楼盖优化设计等,以满足结构的安全性?可靠性的要求?
在科学技术尤其是计算机科学技术高度发展的今天,在各种计算软件已广泛应用于高层建筑结构设计计算的今天,如何通过必要的前期设计中的简化计算,从概念和整体上把握高层建筑结构的基础力学特性,以达到高层建筑结构的安全度更好底为结构工程师所把握,进而达到使高层建筑结构设计得更加经济合理,乃是当前高层建筑结构设计迫在眉睫的重大课题,本文结合笔者长期从事高层建筑结构的设计经验,谈论了几点高层建筑结构优化设计的要点?
1.高层核心筒剪力墙结构设计的优化
对于在满足各项指标的前提下,高层核心筒剪力墙结构设计还是“以柔克刚”最好,基础形式采用平筏板基础(天然基础)较为经济,其经济性要优于桩基础,这要有一个前提,即用平筏板基础,地基承载力要满足要求;桩基础施工要求更高,周期也比较长,而天然基础施工则简单很多?结构师对梁板体系的优化过程猜想:梁宽度尽量控制在350以下(或300以下),否则要用四肢箍;梁高的增加对梁的抗弯刚度增加更有效,所以尽量增加梁的高度而不是宽度,把让布置成连续的,对绕度控制有利,也有利于减小梁高?次梁间距要控制好,板厚尽量控制在120mm或100mm?可以减小核心筒剪力厚度,但要满足规范?因为应力的分布形式是:两端大,内部小,内部受力小,可以减小墙厚,且其对抗扭刚度贡献小?结构截面偏大,板厚偏厚,不仅会造成配筋增加(构造上),也会使得自重增大,地震力作用增大,从而计算配筋更多,基础设计更浪费?例如,山东某高层写字楼,地上24层,地下2层,7度设防,其技术分析:采用平板式筏形基础,标准层梁板采用普通框架梁+现浇空心板体系,结构体系采用框架-核心筒结构,结构形式合理,结构平面?立面规则?基础为采用桩基而采用天然地基,基础部分的经济性优于桩基?但发现楼盖混凝土折算厚度偏大,导致配筋偏多,自重的加大,还造成了基础筏板偏厚?主要楼部分地基承载力余地偏小等不利后果?梁截面偏大?板偏厚,降低了经济性,不利于强柱弱梁的实现,加大结构自重,增大了地震力,降低了竖向构件的安全性;核心筒剪力墙中的内隔墙受力较小,设计厚度偏大?
2.基础设计的优化
(1)采用桩基础时,不同部位地基承载力可以不同;桩基础当地质条件允许时可选用高强度混凝土预应力管桩,且应大小桩型混用,合理配桩;大直径灌注桩的桩身配筋可取加大扩大头直径的做法;一般选择合适的桩径和桩长后,再采用后压浆技术,可较大幅度提高桩承载力;考虑上部结构刚度,有条件时,考虑桩?承台?桩间土的共同作用?
(2)多运用基础设计中的变刚度调平概念?传统概念设计的箱基,筏基?桩筏基础必然导致蝶形沉降和马鞍形反力分布或出现主裙楼差异变形过大的问题,而这种变形与反力分布模式必然导致箱筏整体弯矩?冲切力和剪力增大,引起上部结构产生过大的次应力?对于荷载不均匀的框-剪?框-筒,才采用变桩径?变桩距?变桩长布桩;对于主裙连体建筑,应按照增强主体(采用桩基?刚性桩复合地基),弱化裙房(采用天然地基?疏短桩基?复合地基)的原则进行设计?
(3)框架柱纵筋?剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度:无抗震设防时,钢筋在基础中的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配有箍筋,根据混规,其锚固长度可乘以0.8的系数,且混规中规定,在钢筋锚固范围内只需配置固定柱纵向钢筋的构造钢筋?有抗震设防要求时,若建筑物无地下室或只有一层地下室,则柱纵筋?剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度应按抗震设防锚固;若建筑物地下室层数大于等于2,则柱纵筋?剪力墙竖向钢筋锚入基础的长度按非抗震要求,可以乘以0.8的折减系数?
3.地下室的经济性优化设计
影响地下室造价的主要因素:层高和荷载等?地下室层高对地下室造价的影响至关重要,地下室外墙高度减小,地下室开挖深度小,降水深度也小;要控制好覆土厚度,有的设计单位地下室顶部活荷载取值为10KN每平米是不对的,规范中是考虑了上部结构施工过程中加在地下室顶板上的脚手架等施工荷载,但是在实际的施工过程中这个活荷载往往和覆土荷载不是同时组合的,有经验时,可以取每平米4KN?地下室结构构件中,造价最高的是底板及基础梁费用;地下室设计时,应尽量抬高整个0.00标高,因为这不仅降低了支护的成本还节约了土方的开挖和外运?地下室外墙厚度一般不应小于250mm,混凝土强度等级一般C20~C30;地下室裂缝宽度若控制在0.2mm之内,其配筋量往往由裂缝宽度验算控制?为了便于配筋构造和节约钢筋,外墙可以考虑塑性变形内力重分布,竖向?水平应采用分离式配筋方式,配筋原则是“细而密”,重点部位适当设置附加筋?对于高层建筑,普通地下室顶板厚度不宜小于160,作为上部结构嵌固部位的地下室的楼层顶盖宜采用梁板结构,楼板厚度不宜小于180mm,混凝土强度等级不宜小于C30,应双层双向配筋,且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%?地下室抗浮设计:增设抗浮部分结构自重,包括将底板沿外墙延伸,地下室顶板上增加覆土厚度,有条件时可在地下室底板上铺填砂卵石?锚杆:既利用锚杆的抗拉强度去抵抗水浮力?
4.框架-核心筒结构的优化设计
核心筒筒体外框剪力墙抗侧力作用大,承受竖向和在大,应保持一定厚度,内部隔墙因承载面积小,抗侧力作用小,况且有外框剪力墙的约束,稳定性易于保证,厚度应大幅度降低?从计算分析角度考虑,应使核心筒总体承受的水平地震剪力控制在全部地震剪力的70%~85%较为适宜,应控制核心筒筒外框剪力墙与筒体内部隔墙剪力墙轴压比相近,这才合理?筒体厚度不宜取太厚,一般以300~500为宜?如某25层框-筒设计,框架柱距核心筒9.6m,跨度大,选用双向密肋楼盖结构;梁高450mm,主梁采用宽扁梁,宽1600mm以上,板厚80mm,刚度大,受力明确?核心筒筒体结构设计中,剪力墙考虑地震作用组合时,因其平面内的基础内力很大,基础底面积很大,而框架柱下的基础面积往往小很多,致使框架柱和剪力墙基础的差异沉降很大,可适当减少地震作用下剪力墙的基础底面积,可酌量加大框架柱基础底面积?
5.剪力墙楼盖优化
剪力墙结构的楼屋盖布置上,有时为了减少板跨,会布置一些楼面梁,梁跨在4.0~8.0m左右,这些楼面梁往往与剪力墙垂直相交支撑在剪力墙上,这时,楼面梁的纵筋支座内的水平锚固长度很难满足规范要求,但实际上,剪力墙结构的侧移刚度和延性主要来源于剪力墙自身的水平内刚度,此类楼面梁的抗弯刚度对结构的侧向刚度贡献不大,因此可以在梁的纵筋总锚固长度满足的前提下,适当放松水平段的锚固长度要求,可减至10d,也可以通过钢筋直径减小,在纵筋弯折点附加横筋,纵筋下弯呈45度外斜等措施改善锚固性能?
6.结语
结构设计没有绝对最佳的标准模式,只有通过不断地探索?比较,去寻求相对的最优?因此我们每一个结构工程师应不断地追求尽善尽美的设计思想,不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计,用自己的结构设计概念?经验?判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑?