苏州某高层公寓楼的结构设计

刘文彬

上海绿地建设设计研究院有限公司 上海 200437

1 工程概况

某项目地块位于苏州城西的生态科技城中心，由8层综合商业和总高不超过100 m的3栋高层公寓楼以及2层地下室（局部3层地下室）组成，项目占地面积为19 000 m2，总建筑面积为185 198.17 m2（图1）。

图1 项目总体鸟瞰图

为控制结构平面规则性，根据建筑平面布置及功能要求，将建筑以抗震缝为界分为6个结构单体，各单体均以地下室顶板作为嵌固端。本文仅对公寓楼2进行论述，因为该公寓楼底部有商业，荷载及层高相较于普通住宅差别较大，所以结构设计更为复杂。

公寓楼2地下2层、地上28层，总建筑高度为93 m，平面长度为44.2 m，典型宽度为12.7 m。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度峰值为0.10g，地震设计分组为第一组，场地特征周期为0.53 s，设计使用年限为50 a，安全等级为一级。公寓楼2的4层及以下为商业，属于乙类建筑，4层以上为公寓住宅，属于丙类建筑。场地土类别为Ⅲ类，本场地属于建筑抗震一般地段。

公寓楼2采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构。4层及以下的抗震等级为一级，4层以上的抗震等级为二级。

剪力墙厚度为200～500 mm，剪力墙中的型钢截面分别为HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm和HN500 mm×200 mm×10 mm×16 mm。

框架梁截面尺寸一般为200 mm×400 mm、300 mm×500 mm、500 mm×800 mm、400 mm×1 000 mm。

受力筋采用HRB400级钢筋，非受力筋采用HPB300级钢筋。主楼部分的梁、板、楼梯采用C30混凝土，地下室部分柱、墙采用C50混凝土，地上部分根据轴压比大小，混凝土强度由C50依次减小到C30。

公寓楼2的高宽比为93/12.7=7.32，超过规范规定的最大高宽比6，但抗倾覆计算均未出现零应力区。

根据相关规范对公寓楼2的不规则性进行判别：本单体建筑总高度不超过120 m，不属于高度超限建筑；本单体考虑偶然偏心的扭转位移比存在大于1.2的楼层，但不超过1.4，即扭转不规则。由于不规则部分没有达到3项，故本工程不属于超限高层，可不进行抗震超限审查[1-3]。

2 多遇地震下的抗震设计

上部结构计算程序采用PKPM-SATWE，地震作用按照规范中的参数进行主体结构分析计算，均考虑空间耦连震动。全楼楼板采用刚性楼板假定计算。

由于建筑的使用要求，公寓楼2的1～4层为商业，底层层高为6.00 m，2～4层层高为5.40 m，5层以上为酒店式公寓，层高均为2.95 m，因为商业层和住宅层的层高相差较大，在第4层处很容易出现薄弱层。

本项目在不影响建筑和其他专业使用的前提下，通过合理的结构布置，以及增加连梁高度、增加剪力墙的厚度等措施，从而增大了第4层的刚度，避免出现薄弱层，使刚度逐渐均匀变化。

剪重比是结构计算时的一个重要控制指标，公寓楼2的底层剪重比在x方向没有满足规范的要求，考虑到只要有一层剪重比不满足要求，就需要对整楼进行剪力调整，导致造价提高。

为此，在公寓楼2的住宅部分设计时，通过在标准层的飘窗以及窗户位置把梁高度加高并上翻，同时调整剪力墙的厚度，优化楼板的厚度，从而在保证不影响建筑使用的条件下增大结构的刚度，并减小结构自重，使最终的剪重比满足了规范的要求。

结构第一振型为x向平动，第二振型为y向平动，第三振型则为扭转振型，结构第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.9，满足规范要求；结构在地震作用及风荷载作用下的最大层间位移角小于规范限值1/1 000的要求，在考虑偶然偏心地震的作用下，结构楼层最大位移比小于规范限值1.4。

3 基于性能的抗震设计

3.1 抗震性能目标

根据苏州当地的规定，结构的高宽比在超过规范限值的10%～20%时，需进行性能化设计。公寓楼2的高宽比超过限值12.2%，为保证设计安全，除按照规范的要求及目标进行计算和设计外，亦提出了基于性能的抗震设计要求。对结构主要构件提出中震下的性能目标，并进行验算，在多遇地震（小震）下，底部加强区剪力墙满足弹性设计要求，在设防烈度地震（中震）下，底部加强区剪力墙满足抗剪弹性，抗弯不屈服。

3.2 中震计算结果

3.2.1 底部加强区剪力墙中震弹性计算

计算结果表明，中震弹性下，底部加强区剪力墙能够满足抗剪弹性的设计要求，可以实现预定的性能目标。

3.2.2 底部加强区剪力墙中震不屈服计算结果

计算结果表明，中震不屈服下，底部加强区剪力墙能够满足抗弯不屈服的设计要求，可以实现预定的性能目标。

中震不屈服下，底层受拉墙体截面验算结果表明：底部加强区个别墙肢产生了拉应力，大部分墙肢在设防地震作用下仍处于受压状态。部分处于受拉状态的墙肢的名义拉应力标准值大于混凝土抗拉强度标准值，故应在钢筋混凝土剪力墙中增加型钢来承担拉应力。

4 大震作用下的弹塑性变形验算

为了验证公寓楼2在大震作用下的弹塑性变形能力，采用了PKPM系列的PUSHOVER软件进行了拟静力推覆验算，从抗倒塌验算结果来看，在预估的大震作用下，弹塑性层间位移角远小于规范限值1/120，说明本单体在大震作用下，具有良好的变形性能，能够满足“大震不倒”的设防要求。

5 结构采取的主要措施

1）公寓楼2中公寓住宅部分的外廊板厚从原先的120 mm加厚至150 mm，并提高配筋率，采用双层双向配筋（配筋从原先的φ8 mm@100 mm提高至φ10 mm@100 mm），以提高传递水平地震力的能力，在PKPM模型中指定为弹性膜进行计算，配筋满足计算要求。

2）由于短肢剪力墙的抗震性能差，设计时对短肢剪力墙的数量作了严格控制，使得在规定的水平地震作用下，短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩小于结构底部总地震倾覆力矩的30%。在布置剪力墙时，积极和其他专业协商，能拉长的剪力墙尽量拉长，以使墙肢截面高度与厚度之比大于8；对于无法拉长的剪力墙，尽量增加墙的厚度至350 mm。对于那些无法规避的短肢剪力墙，设计时对箍筋全高加密至100 mm，并加大箍筋直径，纵筋全截面配筋率在满足规范要求的同时提高10%的配筋面积，并严格控制其轴压比。

3）调整抗侧力结构布置，使得质心和刚心尽量重合，原结构布置的扭转较大，抗侧刚度偏弱，经与建筑专业协商，通过增加单体两端和周边剪力墙的长度和厚度，并加大连梁的高度，提高结构四周的刚度和抗扭转能力，尽可能减小扭转效应。

4）计算分析时考虑偶然偏心、双向地震作用，按总刚、刚性楼板（位移比计算时为“强制刚性板” ）假定进行多遇地震下的计算，且选用较多振型以充分考虑高阶振型的影响。

5）公寓楼2为剪力墙结构，个别位置的连梁剪压比计算较难通过，为此，通过对连梁采取刚度折减、减小连梁的高度、设置双缝连梁以及增加交叉斜筋等有效措施，使得剪压比满足计算要求。

6）公寓楼2建筑底部第2层（模型第3层）因楼梯、风井较多，对楼板削弱较大，对楼板面宽削弱超过30%的位置，将其周边楼板厚度从原来的130 mm加厚至160 mm，采用双层双向配筋（配筋从原先的φ10 mm@100 mm提高至φ12 mm@100 mm）；连接极弱处除加厚楼板厚度外还应补充楼板应力分析，使其满足中震弹性的要求。

采取以上措施后，计算结果表明，中震弹性下，最大拉应力为1.970 MPa（＜2.01 MPa），最大压应力为7.166 MPa（＜20.1 MPa），最大剪应力为1.719 MPa（＜2.01 MPa），均满足规范要求。

6 施工采取的主要措施

1）设计总则中要求，所有孔洞均需在厂家进行加工，不得在现场进行氧气吹割；同时根据04SG523《型钢混凝土组合结构构造》中的要求，孔洞的最大公称直径不能比所穿钢筋直径大8 mm以上，孔洞边距型钢焊缝须不小于500 mm，孔洞与孔洞间距不应小于250 mm；此外，翼缘板不允许开孔，仅允许在满足上述的条件下对腹板进行取孔，且腹板截面损失率不宜大于25%。

2）强化深化设计，与设计密切配合，设计过程中充分考虑施工的可行性。将钢筋过于密集的区域进行统计，主筋尽量使用22、25 mm大直径的钢筋，以减少主筋的数量，从而增大主筋间的间距，有利于钢筋排布及截面尺寸的确定。

3）因为型钢柱以H型钢为主，其主筋与箍筋和钢柱靠的比较紧密，所以不可以按照普通墙体的施工方式进行。在具体施工过程中，要在完成型钢柱吊装固定并且型钢柱焊缝检查合格后，才可以开展钢筋施工。钢筋施工项目中，型钢柱和梁筋相交处需要先绘制施工图，确定穿筋布置的位置与锚固的位置，同时绘制出施工大样图，并按照其设计要求施工，标准层梁的顶部与底部要按照设计预留的穿筋孔位置，将型钢穿入。

4）对钢筋过密且主筋不允许调整的部分，经原设计许可后采取并孔处理。

5）型钢柱节均由厂家直接运送至现场进行复查，符合规范要求后允许进场进行吊装。吊装过程中，吊绳与耳板连接稳定后再起吊，并在柱脚处加设垫木。

6）采用预拌混凝土，其设计强度为C50，并按照高强度混凝土施工要求开展施工作业。在浇筑混凝土时，要确保型钢柱内混凝土的清洁，其表面不能有积水和杂物等，并做好防护措施。

7 建议

由于建筑专业过分地追求建筑的平面功能以及公寓住宅未来的销售指标，从而影响了结构专业的构件布置，比如[4-7]：

1）由于建筑布置使得结构的高宽比超过了规范的限值，为此，对公寓楼2进行了性能化设计，并且在部分剪力墙内增加了型钢，导致了最终造价的提高，同时也给施工造成了困难。

2）为了满足公寓住宅的户型要求，结构专业在布置剪力墙的时候，y方向多片剪力墙不得不错开布置，导致剪力墙无法通过连梁相连接，使得y方向的结构刚度明显偏弱，只能通过拉斜梁来提高刚度，有些位置只能使梁与剪力墙在平面外连接，这些措施在一定程度上也影响了建筑的美观。建议建筑专业多考虑结构布置的合理性，各专业应紧密配合。合理而有效的结构布置不仅可以使结构更加安全，也可以有效地降低造价。

8 结语

公寓楼2的结构体型虽存在不规则、高宽比超过规范限值等情况，但通过各种加强措施及性能化设计，除保证结构在小震下完全处于弹性阶段外，还补充了关键构件在中、大震下的各项验算，且计算结果表明，多项指标均表现得较为良好，能够满足规范的有关要求。同时在施工中采取了相应的措施，并且在设计中也充分考虑了施工的便利性，设计与施工之间紧密配合，从而保证了施工质量，确保了工程安全。