高层建筑结构与抗震设计研究——以上海晨林花苑三期为例

陆建德

（上海众鑫建筑设计研究院有限公司，上海 200093）

0 引言

晨林花苑三期位于上海市虹口区物华路与通州路之间，东侧与晨林花苑一期、二期相连，西侧为胡家木桥路河浜（沙泾港）景观道。项目包括三幢主体建筑，其中1号楼高层住宅30层，高87.45m，2号楼高层住宅30层，高85.55m，3号楼公寓式酒店13层，高54.30m，每幢楼均设地下室，其中1号楼单体地下室与低层商业的地下室连成一体，地铁4号线临平路与海伦路站区间隧道从本项目场地穿过(位于1号楼与2号楼之间)，笔者作为本项目的结构工种负责人具体设计了其中的1号楼高层住宅。

1 建筑结构的总体布置

1号楼高层住宅采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，对于一幢30层的高层住宅，采用这一结构型式已经十分普遍，一方面结构所布置的剪力墙及梁均与建筑的分隔墙互为一体，与建筑的使用功能不发生矛盾，另一方面结构所布置的剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力强，且结构整体性好，侧向刚度大，在水平荷载的作用下结构侧移小，应该讲剪力墙结构是解决高层住宅抗震问题相对低成本的手段，而且结构的计算分析，参数调整也相对简洁。

单体结构体系确定后，结构工程师便应及时介入建筑设计进行结构的总体布置，建筑结构的总体布置是指对其高度、平面、立面、和体型等的选择，除应考虑建筑的使用功能及建筑景观要求外，在结构方面应满足强度，刚度和稳定性的要求，还应保证建筑物具有良好的抗震性能[1]。相应确定结构布置方案的过程亦是一个结构概念设计的过程，建筑抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。它主要体现在对建筑的场地，建筑体型、结构体系、结构布置、结构延性等诸多方面在总体上进行把控，并运用建筑结构抗震措施消除建筑中的抗震薄弱环节，提高结构整体的抗震能力，而且应将概念设计的内容贯穿于结构设计的全过程中。对于剪力墙结构来说，应首先从总体上合理布置剪力墙所处的位置，确定剪力墙数量、长度及厚度，保证剪力墙结构的刚度均匀及刚度适宜。

2 建筑结构设计

实例1号楼单体的建筑平面为东西向轴线长41.5m，南北向轴线宽16.8m，层高2.9m，顶部若干层因建筑景观要求作了局部阶梯式退台处理，标准层的建筑平面通过采取构造措施后相对规则。单体结构采用小开间布置剪力墙，遵循对称、均匀、周边、连续的布置原则，沿建筑物的两个正交轴线双向布置，其中两个方向的抗侧刚度应相对接近，另在现时户型多样化的今天，要使剪力墙的布置对称及对齐会有一定难度，这就要求所布置的剪力墙更应注重刚度中心与质量中心趋于重合，以减少结构扭转。还有为使剪力墙结构的抗扭作用充分发挥，单体剪力墙的布置按弱中央强周边的思路来展开，并应尽可能使其所布置的剪力墙做到刚度传递，整体性好。单体中间部位除在楼、电梯间及有较多竖向荷载作用处并一些平面转角处布置剪力墙外，其它中间部位尽量少布剪力墙，而在单体周边部位的围护墙处可适当多布置剪力墙并同时连接与沿墙轴线方向垂直的墙肢，从而提高结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移。在具体的结构设计过程中，当结构计算已能满足规范要求的位移限值时应尽可能少布剪力墙，但可以在不增加剪力墙总量的基础上适当多布置些相对长一点的剪力墙，以减少暗柱数量、节约钢筋用量[2]。

实例1号楼单体所布置的剪力墙肢以多均匀的相对长一些的墙肢为主，长度在2.5至4.5m左右，这类小于8m的墙肢受力后，裂缝较小，墙肢配筋亦能充分发挥作用。单体所布墙肢以带冀缘的L型、T型为主，这些墙肢对提高延性，保证墙肢的稳定性及改善截面的抗剪性能均有好处。另构件刚度与墙肢长度的三次方正比，而与厚度的一次方成正比，故当减薄墙肢截面的厚度，从而减轻建筑的总重量时，其结果并不严重削弱结构的整体刚度。为此，剪力墙厚度的确定，应在满足规范对墙肢厚度稳定性的要求后可设计的相对薄一些，实例1号楼单体剪力墙在8层楼面以下为240厚，8层楼面以上在平面的中间部位有一部分墙肢内收为200厚，并墙肢厚度的变化与混凝土强度的改变错开楼层，以避免刚度突变。另剪力墙的布置均遵循概念设计的要求，做到上到顶、下至底，竖向刚度连续渐变。剪力墙结构的每一段墙，可以是单片墙、整体小开口墙及联肢墙，单体以联肢墙为多，且其竖向高度与其水平长度之比均大于3，细高的剪力墙容易设计成弯曲的延性墙 从而可避免脆性的剪切破坏[4]。结构工程师在具体布置墙肢时，应兼顾到连梁的设计，并应仔细考虑连梁与墙肢的协调工作及相互影响，连梁的设计与墙肢布置的多少及与之相连墙肢刚度的强弱等因素有关，通常剪力墙结构的连梁刚度以设计的相对弱一些为好，以使其对墙肢的约束能力降低，相应减小了连梁的弯矩及剪力，这样一方面可方便配筋，另一方面亦增加了连梁的延性[3]。概念设计要求，剪力墙结构应保证不发生剪切脆性破坏，即墙肢及连梁的设计需满足“强剪弱弯”的设计原则，同时为满足“强墙肢弱连梁“的要求，应使连梁的屈服早于墙肢的屈服，但对于采用传统配筋方式的连梁，不但要做到连梁先屈服，还要限制截面上的平均剪应力，和提高配箍数量，这样连梁的延性才能够得到保证，同样结构中的墙肢延性也须通过采取抗震措施得到保证，并最终设计出抗震性能良好的延性剪力墙结构。

实例1号楼单体连梁大多取470高，梁顶做至楼板面，连梁的跨高比基本控制在2.5至5.0之间，一般跨高比大于2.5的连梁，其变形能力强，相对容易形成延性构件，当跨高比接近5时，其剪切变形占连梁相对位移的比例较小，连梁相对位移则基本上以弯曲变形为主。另在按弹性方法对结构作整体内力分析时，按规范要求可对连梁的刚度进行折减，减小其内力，使其抗弯承载力降低。设计时按经内力调整后的弯矩进行配筋，控制连梁抗弯钢筋屈服较早出现塑性铰，这样就可以做到利用连梁变形消耗地震能量，从而使墙肢退居到第二道抗震防线的位置，避免因墙肢过早屈服使塑性变形集中在某一层而形成软弱层或薄弱层。

3 建筑抗震设计

抗震设计包括概念设计、抗震计算设计及抗震措施，其中抗震措施是指除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。其本身就是基于概念设计思想的必要举措。结构工程师应在实际的工程设计中，依据整体的受力特征，在正确的概念设计指导下，运用深入的计算分析，采取必要的抗震措施，使设计出的剪力墙结构具备良好的抗震性能和经济效益[5]。

我国抗震规范对高层建筑的设计要求是：在正常使用荷载、风荷载及小震作用下（多遇烈度），结构应处于弹性工作状态，裂缝宽度不能过大；在中等强度地震作用下（设防烈度）结构允许进入弹塑性状态，此时结构必须保证在非弹性变形的反复作用下，有足够的承载力、延性及良好吸收地震能量的能力；在强烈地震作用下（罕遇烈度），结构不允许倒塌，要保证结构的稳定。其中抗震计算设计主要是在小震作用下，按反应谱理论计算地震作用，用弹性方法计算内力及位移，并用极限状态方法设计构件。

抗震计算设计的目的是用定量方法估计地震反应，以保证结构有足够的刚度和承载能力。在计算过程中，应正确运用设计软件进行整体性能控制，使其满足规范所要求的层刚度比、周期比、位移比、剪重比、层间受剪承载力比、刚重比等主要目标参数，其相应目标为控制建筑结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层、控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响、控制结构平面规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应、控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性、控制竖向不规则性，以免竖向楼层受剪承载力突变，形成薄弱层、控制结构的稳定性，避免结构在风荷载或地震力的作用下整体失稳。

单体1号楼基础设计采用钻孔灌注桩。在地勘报告所揭示的90m深度范围内，土层按成因及其工程特征分为九大层。由于单体基础结构边距内圈线地铁隧道边最近距离14.2m，故单体桩基的设计除需满足自身的结构安全外，还需考虑对地铁隧道产生附加变形的影响。而根据上海市轨道交通管理条例并按上海申通地铁集团有限公司要求的桩基设计比自身单体的桩基设计要求更高，其具体的要求是：灌注桩的桩径不低于φ850mm，工程桩深度应达到稳定的第九层，单桩竖向抗压承载力设计值不超过2700kN，单体最大沉降量小于20mm。施工图桩基设计时，由于限制了桩径及桩基的持力层，故按要求采用了桩径φ850mm，有效桩长66m的钻孔灌注桩，,其计算的单桩竖向抗压承载力设计值高于所要求的2700kN。最终通过采用桩底后注浆措施，即不考虑孔底沉渣影响并进行主体结构的沉降计算，得出最大沉降量为11mm。满足了主体结构的安全及地铁隧道的保护要求。

4 结语

抗震设计中的概念设计、抗震计算设计、抗震措施是不可分割且互为补充，其中概念设计带有一定的经验性，是抗震设计的重要组成部分。本文立足实践设计得出：（1）总体上合理布置剪力墙所处的位置，确定剪力墙数量、长度及厚度，保证剪力墙结构的刚度均匀及刚度适宜；（2）当结构计算已能满足规范要求的位移限值时应尽可能少布剪力墙，但可以在不增加剪力墙总量的基础上适当多布置些相对长一点的剪力墙，以减少暗柱数量、节约钢筋用量。

参考文献：

[1]包世华,方鄂华.高层建筑结构设计 [M].北京:清华大学出版社,1985.

[2]王蕾,董西林.高层建筑结构转换层[A].土木建筑学术文库(第11卷),2009.

[3]熊煜.建筑结构设计中若干问题分析[J].山西建筑,2009(25).

[4]王杰喜.对高层建筑结构楼板设计的探讨[J].四川建材,2009(02).[5]宣伟,朱杰江,施丽娜;高层结构抗震分析的连续化方法[J].工业建筑,2005(S1).