厦门杏林湾超高层住宅的结构设计探讨

罗 军

(厦门合道工程设计集团有限公司 福建厦门361004)

引 言

厦门杏林湾位于集美区杏林东南部，在杏滨路以东、杏林大桥以南的海边，集中了厦门岛外密度最大的住宅区(且多为超高层住宅)，该处风荷载大，地质情况复杂，笔者所在公司在此承接了建筑面积一百多万平米的设计任务，作为设计团队的一份子，就杏林湾一带最常见的超高层住宅(建筑高度110～120m)谈谈自己的结构设计体会，希望能起到抛砖引玉的作用。

1 场地概况

建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组:第二组;场地类别:Ⅱ～Ⅲ类。规范特征周期Tg=0.40～0.55sec，安评特征周期Tg=0.50～0.60sec，地震影响系数最大值规范0.12g，安评0.138～0.146g;框架抗震等级二级，剪力墙抗震等级二级。50年一遇的基本风压:0.8kN/m2，地面粗糙度类别取A类。

2 建筑结构概况

本次选取比较典型的三栋近120m超高层住宅，即板式、规则点式、不规则点式(以下简称板式、规则、不规则)，其建筑条件(如表1);场地周期，加速度(如表2):

表1 建筑概况表

表2 场地概况表

2.1 建筑效果图(如图1，图2)

图1 板式超高层住宅(两结构单体，左右对称)

图2 规则点式与不规则点式超高层住宅

2.2 平面图(如图3，图4，图5)

图3 板式住宅标准层平面图

图4 规则点式住宅标准层平面图

图5 不规则点式住宅标准层平面图

2.3 剖面图(如图6)

图6 板式、规则点式、不规则点式(从左至右)住宅剖面图

3 结构选型，高宽比、水平荷载分析

3.1 结构选型

从结构造价、施工便捷性角度出发，选用现浇钢筋砼结构;因为项目均为住宅，从建筑使用空间角度考虑，不希望出现突出室内的柱、跨房间梁等，因此结构体系选择剪力墙结构体系。砼强度等级竖向构件C50～C30，水平构件C35～C30。

3.2 结构优劣性分析

规则点式因其平面规则、高宽比最小，为结构最优;板式因进深小，且屋顶构架高(如图6)为结构最差;不规则点式则介于二者之间。

3.3 建筑结构的高宽比

规则点式平面的宽度容易得到，但板式和不规则点式的平面较为复杂，在此参照广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)补充规定3.2.2条:“…当建筑平面非矩形时，可取平面的等效宽度B=3.5r，r为建筑平面(不计外挑部分)最小回转半径。”［1］，从而求出弱轴方向高宽比，具体(如表3):

表3 结构高宽比表

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3－2010)第3.3.2条［2］，高层钢筋砼结构的高宽比在7度区不宜大于6;板式住宅显然超过这个值，高宽比的控制是对结构体系综合指标的宏观控制，如果高宽比过大，就会对结构体系、结构构件断面的设计和结构经济性的控制带来不小的挑战。

3.4 水平荷载作用下结构基底剪力分析

从结构初步电算得出各栋楼水平荷载工况下的基底剪力值(单位kN)，X、Y向分别(如表4、表5):

表4 X向水平荷载作用下结构基底剪力表(kN)

表5 Y向水平荷载作用下结构基底剪力表(kN)

从以上指标可以看出，3个项目地震基底剪力有无安评相差6%～34%(不规则点式超高层对地震力敏感)，因此结构计算均采用安评值;Y向风工况基底剪力比地震工况基底剪力部分大22%～85%，由此可见，该场地水平荷载尤其是风荷载较大。

4 结构体系的变形分析及布置原则

4.1 通过结构试算，变形控制工况(如表6)

表6 结构变形控制工况分析表

从(表6)看出，结构弱轴方向的荷载控制工况全部为风荷载工况;风荷载与建筑体型密切相关而与结构主体关联性较小(仅风振相关)，而地震荷载与结构刚度、周期、自重等息息相关，因此应把握水平荷载的类型在结构体系布置时采取不同的措施。

4.2 剪切变形与弯曲变形

抗侧力刚度较弱的结构体系(比如框架结构)，其水平力作用下的变形以剪切变形为主，抗侧力刚度较强的结构体系(比如剪力墙结构)，其水平力作用下的变形以弯曲变形为主，框－剪体系则介于二者之间，整体弯曲变形主要体现在竖向构件在倾覆弯矩作用下的拉压变形，因此对于剪力墙结构，要加强关键位置(离刚心较远且整体性较好的位置)的竖向构件轴向刚度，就可提高整体抗弯刚度，减小弯曲变形，控制楼层最大层间位移角。

4.3 剪力滞后效应

“剪力滞后效应在结构工程中是一个普遍存在的力学现象，小至一个构件，大至一栋超高层建筑，都会有剪力滞后现象，具体表现是:在某一局部范围内，剪力所能起的作用有限，所以正应力分布不均匀”［3］。剪力滞后效应会降低整体抗弯刚度;如果要减少剪力滞后效应，应加强结构体系整体性特别是加强关键竖向构件(或筒体)之间的连接。

4.4 结构抗侧力体系布置原则

经过4.1～4.3的分析，结构布置原则如下:

①找出关键位置的竖向构件并予以加强(提高整体抗弯刚度，原理类似于加强工字钢的翼板)。②尽量对齐纵、横向墙体位置，加强整体性，减小剪力滞后效应(原理类似于设计工字钢的腹板)③对抗侧力刚度帮助不大的构件以承受竖向荷载为主来设计，以合理低限设计结构断面，减轻结构自重。通过加强关键位置的竖向构件和减小剪力滞后效应形成高效抗侧力体系，从而实现以较小代价达到结构需求的抗侧刚度的设计目的。

另外，从建筑使用功能的角度出发，剪力墙布置做如下建议:①优先考虑楼、电梯井，分户墙位置，可减少被转换的概率。②布置在楼、电梯井尽量形成筒体，筒体内墙从底部开始就采用最小断面至顶，降低建筑公摊。

5 结构体系的布置要点与结构计算模型、参数的处理

在杏林湾位置的超高层住宅存在水平荷载大，高宽比大的不利因素，在建筑方案确定的前提下，合理布置结构体系，以较小代价达到结构需求的抗侧刚度是结构设计的核心问题。

5.1 布置要点

5.1.1 板式住宅

X向:利用周圈凸窗设计高连梁、提高整体刚度。

Y向:南北向离刚心较远位置设置厚墙、大断面柱(如图7中涂黑部分的竖向构件)，利用楼电梯井形成筒体;加强南北向连接;尽量对齐剪力墙。

5.1.2 规则点式住宅

建筑外周圈剪力墙体通过凸窗位置高连梁围成筒体，内部楼电梯间围成筒体;加强内外筒体连接。

5.1.3 不规则点式住宅

建筑外周圈剪力墙体尽量满布，周圈凸窗位置均设计为高连梁;离刚心较远位置设置筒体并适当加厚墙体(如图9中涂黑部分的竖向构件)。

5.1.4 具体结构平面布置(如图7，图8，图9):

图7 板式住宅结构平面图

5.2 结构计算模型中部分构件、参数的处理

5.2.1 连梁:计算模型处理方式分两种，墙上开洞方式和按普通梁方式，按墙上开洞方式输入计算则软件一般按壳单元处理，按普通梁方式输入则软件一般按杆单元处理，前者的力学模型更贴切实际情况，整体性比后者大甚至大很多，因此在结构计算模型中连梁尽量按墙上开洞方式输入。

5.2.2 连梁刚度折减系数:风荷载工况下取1.0，地震工况取0.5～0.7。

5.2.3 带边框柱剪力墙:传统软件将剪力墙作壳单元处理(不考虑面外刚度)，边框柱作杆单元处理，在承受垂直于剪力墙方向弯矩时未考虑剪力墙的有利作用而全部由边框柱承担，会造成边框柱设计不合理，解决办法是读出内力手算复核或采用能考虑剪力墙的有利作用的软件。

图8 规则点式住宅结构平面图

图9 不规则点式住宅结构平面图

5.2.4 位移比对层间位移角的影响:当楼层层间位移角不满足规范要求时，不要盲目去做加法，应该分析是由于整体刚度不足造成还是扭转造成，如果是扭转造成则调整刚心位置去解决，如果是整体刚度不足(位移比已很小)则应再加强整体刚度。

5.3 主要计算结果

表7 主要计算结果

6 竖向构件的设计与优化

在主体结构的砼用量中，板式超高层住宅剪力墙所占的砼体积比例一般在2/3左右，点式超高层一般也占到50%以上，同时剪力墙中边缘构件的用钢量又占到整个剪力墙用钢量的2/3左右，因此整个结构体系设计是否经济重点在于剪力墙以及其边缘构件的设计是否合理;剪力墙在设计中注意问题如下:

(1)多布长墙少布短肢墙，在优化墙体时先考虑优化墙厚，后考虑优化墙长;设置的厚墙、端柱在通过了层间位移角最大楼层后应及时收断面。

(2)在结构电算模型初步定案后，应在图中画出边缘构件范围并推敲其合理性，修改完成后再反馈到电算模型中。

(6)端柱的含钢率较剪力墙高，如结构经济指标要求较高，则要把端柱断面设计至合理低限。

(4)组合墙、边框柱、端柱应按照合并的组合墙截面进行配筋。

(5)在约束边缘构件区域，计算体积配箍率时考虑墙身水平筋伸入边缘构件作箍筋，优化配筋同时提高墙体的整体性;在构造边缘构件区域，暗柱箍筋除外围采用封闭箍外，内部采用拉钩隔一拉一，在优化配筋的同时使其与约束边缘构件区域承载力有所差别，形成多道防线。

7 结构经济指标、结构的建筑适用性评估

在结构初步设计阶段，结构体系定案后应及时评估结构的经济性和适用性，避免后面返工:

7.1 结构经济性评估

上部(±0.000以上)的结构单方经济指标(如表7):

表7 结构经济指标表

通过以上指标可以看出，在地震烈度7.5度，风荷载较大地区，建筑物高宽比以及结构的规则性对结构经济指标的影响较大，以上三栋建筑的砼单方指标比值为1:0.72:0.89;钢筋单方指标比值为1:0.78:0.92;三个项目的经济指标均在可以接受的范围内。

7.2 结构对建筑空间的适用性评估

(1)板式住宅:除少数北面外墙较厚外(500～600mm)，其余墙体厚度在第3层以上均不大于200mm，除凸窗外，梁高不大于450，梁宽不大于200，在高宽比超规范很多、水平荷载很大的地区达到了结构与建筑在使用空间上的基本和谐统一。

(2)规则点式住宅:除底层墙厚300～400外，标准层以250，200厚度为主，除凸窗位置外，其余主梁高不大于570;满足建筑要求。

(3)不规则点式住宅:除底层及三个控制弯曲变形的角部墙厚为300～400外，标准层以250，200厚度为主，除凸窗位置外，其余主梁高不大于570;满足建筑要求。

8 结论

本文以三栋具体的超高层住宅建筑为例，总结出厦门杏林湾这一水平荷载较大地区超高层住宅结构设计的流程:

(1)在水平荷载大、高宽比大情况下，通过加强关键位置竖向构件和减小剪力滞后效应形成高效抗侧力体系，实现以较小代价达到结构需求抗侧刚度的目的。

(2)通过第(1)点布置出合理的结构体系后，还应在结构计算模型、电算参数的处理方面抓住重点，使其符合实际情况;最后落实到具体的每个结构构件的设计上来。

(3)板式超高层住宅因其大开间、小进深的原因在采光通风方面有着天然的建筑优势，但其结构造价是最高的，适用于高附加值的项目;规则点式结构造价是最低，但在沿海地区与板式比较具一定建筑劣势，适用于高容积率项目;不规则点式则介于上述两者之间。

(4)结构设计是一个系统工程，在初步设计阶段应及时评估结构的经济性和适用性，避免后面返工，使整个工程设计和谐统一。

［1］广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2002)补充规定(DBJ/T5－46－2005).

［2］JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］，北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］源自网络资料.