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摘要:近年来，高层建筑在我国各地城市化建设中发展迅速，人们对高层建筑中混凝土结构的研究越来越多。然而高层建筑容易发生侧向位移，使得在设计过程中高层建筑不仅需要保证良好的强度，还必须具备足够的刚度，才能将水平力作用下的层间位移限制在最小范围内。本文结合工程实例对现代城市高层建筑中的混凝土结构设计进行探讨，供同行参考。
关键词:现代城市；高层建筑；混凝土；结构设计
Abstract: in recent years, high-rise buildings in our country urbanization construction of rapid development, people on the concrete structure of the high-rise building research more and more. But high-rise buildings prone to lateral displacement, make in the design process not only need to ensure good high-level building the strength, still must have enough rigidity, to the level of the forces of displacements at the minimum limit range. Combining with the project examples of modern urban design of concrete structures of tall buildings are discussed, refers for the colleague.
Key words: the modern city; High-rise buildings; Concrete; Structure design
中圖分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
前言
近年来，由于建筑功能和城市规划的需要，加之建设用地的紧张，高层建筑的层数在不断增多。另一方面，层数日渐增多的高层公共建筑为满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦。综合性建筑的发展使平面布置和体型日益复杂；使结构体系日益多样化。这就需要在结构设计阶段将以上不同的因素积极考虑在内，保证结构具备良好的强度、刚度。
一、工程实例
1.1工程概况
本工程为高层商住楼,剪力墙结构,6度设防,修正后的基本风压为0.4kN/m2；地下1层,地上32层,嵌固端可取地下室顶板处；地下室层高为3.9m,首层层高为7.1m,2层层高为3.6m,其余各层层高均为2.9m,深化前的住宅标准层平面布置图(如图1.1所示)。
图1.1标准层平面图(深化前)
1.2问题的提出和深化方法
(1)分析图1.1,由文献[1]4.3.3条可知,l/Bmax=7100/18900=0.376>0.35,规则性判断为平面不规则类型中的凹凸不规则,同时经初步计算,在尽可能加长墙肢的情况下,即使首层墙厚取400mm,亦无法满足侧向刚度比的要求,竖向不规则类型判断为侧向刚度不规则。显然,本工程已有两项超出规则性的要求,需按《建筑抗震设计规范》GB50011-2008中第3.4.3条的要求进行水平地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。根据笔者以往的经验,若不深化平面形状,盲目采取加强措施,必然要付出沉重的经济代价,甚至会对“控制成本,降低造价”造成致命的打击。由于在建筑平面的中部增加部分楼板对建筑功能的使用和立面的影响较小,经多方协商,发展商同意修改,修改后的平面布置(如图1.2所示)。但对首层商业区降低层高的建议因牵连过多,最后决定维持不变。
图1.2标准层平面图(深化后)
(2)分析图1.1的剪力墙布置,核心筒位置的墙体布置似乎偏多,刚度偏大。经建模初算,其部分计算数据如表1.2.2所示:
表1.2.2
Y-5%震Ratio-(Y) Y-5%震max-Dy/h
层号7 16 716
深化前 1.251.22 1/38901/2994
深化后 1.211.17 1/38061/2990
X风(max-Dx/h)Y风(max-Dy/h)
深化前1/1512 1/1950
深化后1/1559 1/1911
由表中数据分析可知,结构平面布置中的核心筒处,其剪力墙数量有消减的余地。适当消弱结构中部的刚度,除了对控制结构扭转效应有利外,更直接的效果就是降低造价。假设所有墙厚均为200mm,仅削去核心筒处的部分墙体(如图1.2所示),就可减少混凝土用量:
0.96×(3.9+7.1+3.6+30×2.9)≈124.2m3
以及扣除原有墙体内的大量钢筋,其经济性是十分可观的。另外,本工程为高层建筑,核心筒以外的其它墙肢,其长度可每隔5～7层缩短一次,但应检查控制值(如位移比、轴压比等)是否满足规范要求和确保墙肢长度大于墙厚的8倍,避免墙体演变为短肢剪力墙。
(3)板中受力钢筋不同强度等级的使用比较。本工程大部分板块的板跨都不大,计算后发现基本为构造配筋,即由最小配筋率控制,而最小配筋率与钢筋强度等级直接相关。本工程标准层的梁板砼强度等级采用C25,对比如下:
一级钢:ρmin=max{0.2%,0.45ft/fy}=0.27%
三级钢:ρmin=max{0.2%,0.45ft/fy}=0.20%
目前,市面上三级钢与一级钢的价位相差不多,三级钢与一级钢的强度比fy3/fy1=1.714,
当结构采用大板且为受力控制时,三级钢的优越性更明显；再者,用三级钢还有个好处,就是支座筋相对不易被踩下去,而底筋不需要弯钩,可减少施工工序。
(4)本工程-1～11层,其剪力墙混凝土强度等级采用C45,往上约每隔5层变化一次,直到为C30时不再变化。分析表2.2.2,本工程若把墙最高砼强度等级再适当提高(如采用C60),降低轴压比后,有部分墙肢其长度可进一步缩减。发展商出于对整个楼盘统一技术措施的考虑,且经初步估算后,工程造价已在可接受范围,故仍控制墙砼的最高强度等级为C45。
二、总结深化方法和途径
2.1形状深化比尺寸深化更有意义
文献[1]指出:在高层建筑的一个独立结构单元内,宜使结构平面形状简单、规则,刚度和承载力分布均匀,平面长度不宜过长,突出部分长度 不宜过大(图2.1)；L、 等值宜满足表2.1的要求;高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收,结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向布置严重不规则的结构。相信大部分的结构工程师都曾遇过类似情况:当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀,那么其各项指标的校核验算会很容易满足规范的要求,反之,则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人,单位面积重量严重超标,不仅造价上去了,而且还影响部分建筑功能的使用。
笔者认为,结构设计人员一定要注重概念设计,在建筑方案阶段就应积极介入,运用自己的专业知识提出建议,在满足美观、适用的前提下,尽可能使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。这样一来,结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中[1]。只有这样,到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸深化才会有实质性的意义。
图2.1建筑平面
表2.1L、 的限值
设防烈度 L/B /B max/b
6、7度≤6.0 ≤0.35 ≤2.0
6、7度≤5.0 ≤0.30 ≤1.5
2.2剪力墙的平面布置
主要应注意以下几点:
(1)在结构平面布置中,在满足建筑功能的基础上,剪力墙宜沿周边均匀、相对集中布置[2]。在建筑物的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位宜布置剪力墙,其间距不宜过大。
(2)剪力墙结构中,剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置,抗震设计的剪力墙结构,应避免仅单向有墙的结构布置形式。
(3)剪力墙墙肢截面宜简单、规则,剪力墙结构的侧向刚度不宜过大[3]。
(4)设计中应注意尽量减少短肢剪力墙的数量,不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。
2.3合理使用高强砼和高强钢筋
建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用,构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大,設计中合理使用高强钢筋(如梁、板筋采用三级钢)可有效降低用钢量,节约成本。如果高层建筑位于深厚软弱地基上,由于作用于地基上的荷载很大,合理使用高强砼和高强钢筋深化构件截面尺寸,减轻结构自重,将会降低基础施工的难度和造价,取得显著的经济效果。同时,对于地震区的高楼,地震作用的大小几乎与建筑自重成正比,减轻自重能够减小结构的地震荷载,有利于提高结构的安全度。笔者认为,在设计中合理的使用高强砼和高强钢筋,能快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸,降低用钢量,减轻建筑自重,最终达到降低造价的目的。
三、结语
高层建筑混凝土结构的设计应该保证其具有足够的强度，刚度和良好的延展性。还应该遵守设计的基本原则；注重高层建筑的概念设计，保证结构的整体性，同时要明确建筑结构的总体系和主要体系之间的受力要求，这样才能设计出一个高要求，高水平的高层建筑。
参考文献
[1]GB50011-2008,建筑抗震设计规范[S].
[2]康为江,郦世平.高层建筑中竖向结构的选型与布置探讨[J].建筑技术.2005.(11).
[3]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:现代城市；高层建筑；混凝土；结构设计
Abstract: in recent years, high-rise buildings in our country urbanization construction of rapid development, people on the concrete structure of the high-rise building research more and more. But high-rise buildings prone to lateral displacement, make in the design process not only need to ensure good high-level building the strength, still must have enough rigidity, to the level of the forces of displacements at the minimum limit range. Combining with the project examples of modern urban design of concrete structures of tall buildings are discussed, refers for the colleague.
Key words: the modern city; High-rise buildings; Concrete; Structure design
中圖分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
前言
近年来，由于建筑功能和城市规划的需要，加之建设用地的紧张，高层建筑的层数在不断增多。另一方面，层数日渐增多的高层公共建筑为满足不同用户的需要和适应现代社会高效率、快节奏的要求，而发展为高层综合大厦。综合性建筑的发展使平面布置和体型日益复杂；使结构体系日益多样化。这就需要在结构设计阶段将以上不同的因素积极考虑在内，保证结构具备良好的强度、刚度。
一、工程实例
1.1工程概况
本工程为高层商住楼,剪力墙结构,6度设防,修正后的基本风压为0.4kN/m2；地下1层,地上32层,嵌固端可取地下室顶板处；地下室层高为3.9m,首层层高为7.1m,2层层高为3.6m,其余各层层高均为2.9m,深化前的住宅标准层平面布置图(如图1.1所示)。
图1.1标准层平面图(深化前)
1.2问题的提出和深化方法
(1)分析图1.1,由文献[1]4.3.3条可知,l/Bmax=7100/18900=0.376>0.35,规则性判断为平面不规则类型中的凹凸不规则,同时经初步计算,在尽可能加长墙肢的情况下,即使首层墙厚取400mm,亦无法满足侧向刚度比的要求,竖向不规则类型判断为侧向刚度不规则。显然,本工程已有两项超出规则性的要求,需按《建筑抗震设计规范》GB50011-2008中第3.4.3条的要求进行水平地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。根据笔者以往的经验,若不深化平面形状,盲目采取加强措施,必然要付出沉重的经济代价,甚至会对“控制成本,降低造价”造成致命的打击。由于在建筑平面的中部增加部分楼板对建筑功能的使用和立面的影响较小,经多方协商,发展商同意修改,修改后的平面布置(如图1.2所示)。但对首层商业区降低层高的建议因牵连过多,最后决定维持不变。
图1.2标准层平面图(深化后)
(2)分析图1.1的剪力墙布置,核心筒位置的墙体布置似乎偏多,刚度偏大。经建模初算,其部分计算数据如表1.2.2所示:
表1.2.2
Y-5%震Ratio-(Y) Y-5%震max-Dy/h
层号7 16 716
深化前 1.251.22 1/38901/2994
深化后 1.211.17 1/38061/2990
X风(max-Dx/h)Y风(max-Dy/h)
深化前1/1512 1/1950
深化后1/1559 1/1911
由表中数据分析可知,结构平面布置中的核心筒处,其剪力墙数量有消减的余地。适当消弱结构中部的刚度,除了对控制结构扭转效应有利外,更直接的效果就是降低造价。假设所有墙厚均为200mm,仅削去核心筒处的部分墙体(如图1.2所示),就可减少混凝土用量:
0.96×(3.9+7.1+3.6+30×2.9)≈124.2m3
以及扣除原有墙体内的大量钢筋,其经济性是十分可观的。另外,本工程为高层建筑,核心筒以外的其它墙肢,其长度可每隔5～7层缩短一次,但应检查控制值(如位移比、轴压比等)是否满足规范要求和确保墙肢长度大于墙厚的8倍,避免墙体演变为短肢剪力墙。
(3)板中受力钢筋不同强度等级的使用比较。本工程大部分板块的板跨都不大,计算后发现基本为构造配筋,即由最小配筋率控制,而最小配筋率与钢筋强度等级直接相关。本工程标准层的梁板砼强度等级采用C25,对比如下:
一级钢:ρmin=max{0.2%,0.45ft/fy}=0.27%
三级钢:ρmin=max{0.2%,0.45ft/fy}=0.20%
目前,市面上三级钢与一级钢的价位相差不多,三级钢与一级钢的强度比fy3/fy1=1.714,
当结构采用大板且为受力控制时,三级钢的优越性更明显；再者,用三级钢还有个好处,就是支座筋相对不易被踩下去,而底筋不需要弯钩,可减少施工工序。
(4)本工程-1～11层,其剪力墙混凝土强度等级采用C45,往上约每隔5层变化一次,直到为C30时不再变化。分析表2.2.2,本工程若把墙最高砼强度等级再适当提高(如采用C60),降低轴压比后,有部分墙肢其长度可进一步缩减。发展商出于对整个楼盘统一技术措施的考虑,且经初步估算后,工程造价已在可接受范围,故仍控制墙砼的最高强度等级为C45。
二、总结深化方法和途径
2.1形状深化比尺寸深化更有意义
文献[1]指出:在高层建筑的一个独立结构单元内,宜使结构平面形状简单、规则,刚度和承载力分布均匀,平面长度不宜过长,突出部分长度 不宜过大(图2.1)；L、 等值宜满足表2.1的要求;高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收,结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向布置严重不规则的结构。相信大部分的结构工程师都曾遇过类似情况:当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀,那么其各项指标的校核验算会很容易满足规范的要求,反之,则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人,单位面积重量严重超标,不仅造价上去了,而且还影响部分建筑功能的使用。
笔者认为,结构设计人员一定要注重概念设计,在建筑方案阶段就应积极介入,运用自己的专业知识提出建议,在满足美观、适用的前提下,尽可能使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。这样一来,结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中[1]。只有这样,到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸深化才会有实质性的意义。
图2.1建筑平面
表2.1L、 的限值
设防烈度 L/B /B max/b
6、7度≤6.0 ≤0.35 ≤2.0
6、7度≤5.0 ≤0.30 ≤1.5
2.2剪力墙的平面布置
主要应注意以下几点:
(1)在结构平面布置中,在满足建筑功能的基础上,剪力墙宜沿周边均匀、相对集中布置[2]。在建筑物的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位宜布置剪力墙,其间距不宜过大。
(2)剪力墙结构中,剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置,抗震设计的剪力墙结构,应避免仅单向有墙的结构布置形式。
(3)剪力墙墙肢截面宜简单、规则,剪力墙结构的侧向刚度不宜过大[3]。
(4)设计中应注意尽量减少短肢剪力墙的数量,不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。
2.3合理使用高强砼和高强钢筋
建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用,构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大,設计中合理使用高强钢筋(如梁、板筋采用三级钢)可有效降低用钢量,节约成本。如果高层建筑位于深厚软弱地基上,由于作用于地基上的荷载很大,合理使用高强砼和高强钢筋深化构件截面尺寸,减轻结构自重,将会降低基础施工的难度和造价,取得显著的经济效果。同时,对于地震区的高楼,地震作用的大小几乎与建筑自重成正比,减轻自重能够减小结构的地震荷载,有利于提高结构的安全度。笔者认为,在设计中合理的使用高强砼和高强钢筋,能快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸,降低用钢量,减轻建筑自重,最终达到降低造价的目的。
三、结语
高层建筑混凝土结构的设计应该保证其具有足够的强度，刚度和良好的延展性。还应该遵守设计的基本原则；注重高层建筑的概念设计，保证结构的整体性，同时要明确建筑结构的总体系和主要体系之间的受力要求，这样才能设计出一个高要求，高水平的高层建筑。
参考文献
[1]GB50011-2008,建筑抗震设计规范[S].
[2]康为江,郦世平.高层建筑中竖向结构的选型与布置探讨[J].建筑技术.2005.(11).
[3]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。