茂名市金海花园高层住宅结构优化设计研究

卢启奇， 卢 海

(1.深圳中灏国际建筑设计院有限公司，广东 深圳 518000；2.北京都市霍普股份有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430010)

0 引 言

建筑结构造价占工程总造价的70%～80%[1]，含钢量直接影响着工程的建筑成本，成了建设单位尤其是房地产开发商追逐的一个目标。本文结合工程实例，对剪力墙结构如何进行优化设计，在保证结构安全的同时，达到理想的经济效果进行了总结分析，并提出了相关建议和措施。

1 工程概况

茂名市金海花园二期项目位于茂名市博贺镇，地下1层，塔楼地上26层为住宅，标准层层高为3 m。上部结构高度为78.6 m，平面X向长度为35.1 m，Y向宽度为15.7 m，结构高宽比为5.0，长宽比为2.24。本工程位于7度地震烈度区，基本地震加速度0.10g，Ⅱ类场地土，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35 s，基本风压为0.70 kN/m2，地面粗糙度为B类，风荷载体型系数为1.4。

2 高层住宅结构优化分析

根据工程概况和国家及地方出台的相关规范[2-6]以及全国几大设计院编写的结构统一技术措施[7-9]，提出“计算参数调整与结构调整同时引入结构设计”的设计方法，结合对结构抗震性能及材料用量敏感的计算参数分析[10]等，相关分析内容如下。

2.1 高层建筑结构设计参数敏感性分析

现行建筑结构计算方法是基于多种理论假设受众多计算参数影响。结构设计通常在初步设计时根据规范要求及工程经验确定各项计算参数，在满足建筑要求的前提下通过修改构件截面尺寸或调整结构布置的方法来满足结构的力学性能或达到优化的效果。如进行结构抗震计算时，可通过调整结构布置或使用耗能构件等。在实际工程计算中，计算参数的准确性对整个结构的经济性和表现出来的力学性能有较大影响。因此，本文提出同时进行结构布置与参数调整的结构设计优化，把计算参数调整和结构调整同时引入结构设计的过程，通过计算满足结构性能后再采取有效措施来保证各计算参数的准确性。

2.2 合理设计剪力墙边缘构件

我国规范明确规定剪力墙两端及剪力墙洞口两侧应设置边缘构件，且应满足相关构造措施。高层住宅剪力墙上部结构中剪力墙构件钢筋用量占总钢筋用量基本都在50%以上，其中边缘构件钢筋用量是剪力墙含钢量的关键，几乎决定了剪力墙钢筋总用量。剪力墙宜在合理范围内尽量设置较长的墙肢，以增大单片墙肢的抗侧能力，减少剪力墙墙肢数量，使边缘构件数目减少。剪力墙边缘构件宜适当考虑墙水平分布钢筋计入箍筋的体积配箍率，但不应大于总体积配箍率的30%[2]。

2.3 连梁按墙开洞输入

连梁按墙开洞输入后，软件自动按照细分的壳元计算。梁在计算模型中按照杆件单元计算，被定义为壳元梁后，将在梁高及全跨范围内划分壳单元，更能模拟实际模型，可实现与其他构件自动协调，计算出来的刚度较杆单元刚度大，同时计算出来的配筋值也较小。

2.4 考虑梁翼缘板内钢筋的贡献

本工程采用了板底筋在支座处也应按受拉钢筋的要求连续贯通或锚固的措施。楼板作为梁构件的翼缘板[3]，翼缘板内的板配筋(无论是板面筋还是板底筋)都会对梁在支座处抗负弯矩的能力有帮助作用，能补充梁在支座处的负筋[4]。通过优化后梁端配筋大大减小，更体现强柱弱梁的概念。

2.5 风荷载的决定性作用

在沿海地区，风力成为高层建筑的控制性荷载[11]，本住宅楼抵抗水平荷载所需要的承载力是由风荷载控制的，而非地震作用力。而加长的墙肢不会增加风荷载作用力，反而会提高整体结构抗水平荷载的承载力。

3 结构分析与布置过程优化

剪力墙肢宜布置在同一轴线上，避免错位布置，且避免使用短肢墙或超长墙。考虑到单片剪力墙的不利破坏形态及其相对较差的耗能能力，尽量避免采用。优化前后标准层结构剪力墙布置如图1、图2所示。

图1 原设计方案标准层结构剪力墙平面布置图

图2 优化方案标准层结构剪力墙平面布置图

对比优化方案与原结构方案的剪力墙布置，优化方案的剪力墙布置较长、尽可能连为整体或联肢墙，增加了整体结构抗水平力能力，也增加了结构刚度，位移角减小，解决了位移角超限问题(因原结构方案中的端柱较多，取消端柱后位移角超限)，增加了整个结构的安全储备。

4 结构设计信息与计算参数优化

最终确定该结构优化方案的设计信息和计算参数见表1。两种方案均按《广东省高层建筑混凝土结构技术规程》(DB J15-92—2013)[4]设计；按《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)计算地震作用，框架的抗震等级为2级，剪力墙的抗震等级为3级，考虑偶然偏心，考虑双向地震扭转效应；墙柱配筋设计考虑端柱及翼缘墙，考虑柱、墙活荷载折减；梁刚度放大系数按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[3]取值；连梁材料强度默认同墙；承载力设计时的风荷载效应放大系数为1.1。

表1 优化前后参数对比表

4.1 构件截面尺寸

确定结构构件的截面尺寸应遵循以下几点原则：

(1)剪力墙厚度可根据墙肢的稳定性以及轴压比限值初步确定，并应在设计的过程中根据结构的力学性能做出调整。

(2)普通框架梁和次梁的截面尺寸可根据梁跨的1/15～1/8初定截面高度，按2～4倍的高宽比初定截面宽度，并应在设计的过程中根据梁的配筋率进行调整。

(3)连梁的截面宽度一般同剪力墙厚度，截面高度可综合考虑连梁承受的竖向荷载以及对结构整体刚度的作用，按联肢剪力墙的整体系数初步确定，并根据设计要求做适当调整。

(4)楼板的厚度一般可按短跨的1/40～1/30确定，且不少于100 mm，对于平面大开洞及局部收进位置宜适当增加板厚。

(5)施工图设计阶段，应根据结构的经济性要求，在不降低结构抗震性能的前提下适当调整周边构件的截面尺寸，以达到相对较优的配筋率。

(6)优化后标准层墙厚全改为200 mm，增加了室内使用空间。

4.2 材料强度

原结构设计方案与优化方案采用了相同的材料强度。

(1)混凝土强度等级：竖向构件C45～C30,梁板C30。

(2)钢筋均采用强度等级HRB400。

4.3 多遇地震弹性计算分析

优化前后的多遇地震弹性计算分析见表2。

表2 多遇地震弹性计算结果对比

根据上述计算结果，两结构方案的各项性能指标都满足规范相关要求，能保证结构“小震不坏”的抗震性能要求。对比两结构方案的计算结果分析如下。

(1)优化方案的第一振型为Y向平动，振动周期为1.641 8 s，比原设计方案的Y向振动周期1.943 4 s减少了0.301 6 s，减少幅度15.5%。说明优化方案的结构总体刚度比原设计方案大。尤其原设计方案X向振动周期为2.676 6 s，建筑物长方向比短方向振动周期长，说明原设计方案X向布置的剪力墙少了，不够安全。

(2)优化方案的结构无论在地震，还是在风荷载作用下，变形相对较小，最大位移、层间位移角均较小，都能满足规范的相关限值要求，即能保证结构在地震及风荷载作用下不发生过大变形，保证结构的安全。

4.4 结构经济性分析

以下统计结果为上部结构的材料用量，不包含地下室部分。只统计计算模型材料用量，不统计楼梯、构造柱、拉梁、过梁等非结构构件材料用量，也未考虑钢筋搭接和锚固、楼板分布钢筋施工损耗等附加材料用量。重点关注两种结构方案的材料相差量。

4.4.1 混凝土用量

原方案单方混凝土量为0.30 m3/m2，优化方案单方混凝土量0.31 m3/m2，优化方案单方混凝土量比原设计方案多了0.01 m3/m2，增加幅度3%，主要是优化方案的剪力墙拉得比较长造成的。但同时减少了同体积的砖墙用量，增减的费用差不多。

4.4.2 钢筋用量

优化前全楼含钢量为35.628 kg/m2，优化后全楼含钢量为25.171 kg/m2，优化后减少了约10.475 kg/m2。

4.4.3 标准层钢筋用量对比

以模型第12层为标准层，计算两种方案的钢筋用量进行对比分析，见表3。优化前单位面积用钢量为37.439 kg/m2，优化后单位面积用钢量为26.144 kg/m2，相差11.295 kg/m2。其中板配筋相差不大，梁、边缘构件优化后配筋大幅减少，连梁优化后配筋略有减少，墙身优化后配筋有所增加，是因为剪力墙拉得比较长造成的。

表3 第12层钢筋用量优化前后对比表

5 结束语

对金海花园高层住宅剪力墙结构通过优化设计参数、合理调整结构布置、采用高强材料、采取控制配筋等多种措施相结合，合理控制结构的抗震性能指标以及材料用量指标，达到了优化分析与节材设计的效果。与原设计方案相比，经优化后的结构方案增加了结构刚度，增加了结构抵抗风荷载的承载力，并且优化后的方案混凝土用量虽然有少量增加但增加不多，可与同步减少的砖墙用量相抵消，而钢筋用量则大大节省了，每平米节省了约10 kg，取得了良好的经济效益。