摘要：高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。爱琴湾二期五区2#商住楼是该区的楼王项目，剪力墙结构，一梯两户，三十二层，高度98.500米，楼面的最小投影宽度为10.200m，高宽比达到9.6，远超过高规不宜大于6的要求。本文将对该工程因高宽比超限所带来的结构设计上的难题，如风荷载控制下的层间位移角控制、桩基础设计等等以及其经济性进行探讨。
关键词：高宽比,位移角,桩基础,经济性
1. 工程概况
本工程拟建场地位于中山市西区广丰村。概况为地下一层为车库，地上32层。地下室层高为4.9m，首层架空及部分用作配电房，2层~32层为住宅。首层层高为5.5m，2~32层层高为3.0m。高度为98.500m，建筑面积约10461 m²。本工程结构设计基准周期为50年，安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，地基基础设计等级为甲级。位移计算时采用50年一遇风压0.65kN/ m²，强度计算时采用100年一遇风压0.75kN/ m²。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。场地土类别为Ⅲ类。标准层结构平面图如图一所示。
2. 高宽比确定
高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。根据《高层建筑混凝土结构设计规程》JGJ3-2002第4.2.3条条文解释“一般场合，可按所考虑方向的最小投影宽度计算高宽比，但对凸出建筑物平面很小的局部结构(如楼梯间、电梯间等)，一般不应包含在计算宽度内。”根据规范提供的方法，本工程高度为98.5m，最小投影宽度为10.2m，高宽比为98.5/10.2=9.6。
本工程高宽比超过《高层建筑混凝土结构设计规程》JGJ3-2002第4.2.3条表4.2.3-1抗震设防烈度为7度时，A级高度剪力墙结构高宽比不宜大于6的规定。因高宽比超过规范限值，因此，本工程在结构设计时应采取必要的加强措施。
3.结构设计
3.1结构选型
采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，抗震等级为二级。
3.2 基础选型
本工程采用高强预应力混凝土管桩，管桩外径为D=500(壁厚125)，单桩竖向承载力特征值为2400KN，以强风化或中风化岩为持力层。
3.3 主要材料
混凝土强度等级。墙、柱：-1~5层为C50，6~10层为C45，11~15层为C40，16~20层为C35，21~25层为C30，26~32层为C25;梁、板：-1~20层为C30，11~天面层为C25。钢筋采用普通钢筋HPB235级、HRB335级、HRB400级。
3.4剪力墙厚度
由于高宽比较大，Y方向较“薄”，造成结构体系对Y方向风荷载敏感，因此需采取加大剪力墙厚度，增强Y方向结构刚度。本工程剪力墙少部分墙厚为250(如电梯筒及楼梯间)，其余大部分均为300厚。
4.结构分析计算
主要输入的计算参数：中梁刚度增大系数1.8，连梁刚度折减系数0.8，周期折减系数0.9，考虑双向地震作用，考虑偶然偏心，计算振型数21。采用中国建筑科学研究院PKPM系列SATWE软件进行计算分析。
4.1结构整体抗倾覆验算结果
从结果可以看出，由于Y方向较“薄”，造成Y风荷载作用时所产生的倾覆力矩远大于X风荷载及地震力产生的倾覆力矩，分别为X风的2倍、X地震的1.5倍、Y地震的1.6倍。
4.2结构整体稳定验算结果
X向刚重比 EJd/GH**2= 7.24
Y向刚重比 EJd/GH**2= 5.15
该结构刚重比EJd/GH**2大于1.4,能够通过高规(5.4.4)的整体稳定验算
该结构刚重比EJd/GH**2大于2.7,可以不考虑重力二阶效应
4.3周期
周期、地震力与振型输出文件
(VSS求解器)
地震作用最大的方向 = -89.554 (度)。
T3/T1=0.68<0.9，满足规范要求。
4.4剪重比
Qx=1.62%，Qy=1.71%。均大于1.6%，满足规范要求。
4.5有效质量系数
X 方向的有效质量系数: 99.90%
Y 方向的有效质量系数: 99.50%
均大于90%，满足规范要求。
4.6考虑偶然偏心最大扭转位移比
X方向1.27，Y方向1.19。
按广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ—2002)补充规定DBJ/T15-46-2005表3.3.1-2，属Ⅰ类不规则。
4.7最大层间位移角
地震力作用：X方向为 1/1830，Y方向为1/1405。
风荷载作用：X方向为 1/2310，Y方向为1/851(有害位移所占比例为0.2%)。
根据广东省《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ—2002)补充规定DBJ/T15-46-2005第3.5条“对于高度小于150m的剪力墙、筒中筒结构等弯曲型结构，当弯曲变形的影响明显，某层层间有害位移角小于层间位移值的50%，该层层间位移角限值可放宽至1/800。”本工程Y方向风荷载控制时的位移角1/851<1/800，满足规范要求。
4.8桩基础设计
本工程采用PKPM系列JCCAD程序进行布桩、桩反力计算及承台配筋。由于Y向风荷载产生较大的倾覆力矩，最大桩反力为Y向风荷载控制，且最终的配桩数量要多于根据D+L结果估算的配桩数量。下面以2-5轴2-C轴基础J11-500为例进行分析。
该墙、柱D+L作用下的底部内力为19843KN。若配单桩承载力特征值为2400KN的D=500管桩，只需配9条桩。但实际上根据最大桩反力调整后的桩数为11条桩，配桩形式详图二。这是由于Y风控制时，结构在Y向两侧产生很大的倾覆弯矩造成的。从图三可以看出，即使在外侧配置了3条桩，依然有很大的桩反力，最大为2740。结果中的(14)表示第14种荷载组合。经查，第(14)组合为：SATWE标准 恒-风y+活，即Y向风荷载起主要控制。图四为D+L组合反力，其外侧三条桩最大反力仅为1977，远小于图三中外侧最大的2740。
其余基础，均用JCCAD程序进行布桩，并根据该程序计算出的最大桩反力进行调整。最大的桩反力小于或等于1.2*2400=2800KN。
4.高宽比超限结构的技术指标及经济性比对
下面以本工程与相邻栋1#楼(与本工程层数、高度、荷载、构造措施均相同)在技术指标及经济性做比对。
注：布桩系数=(总桩数*单桩承载力特征值/结构总重量)。
由上表可以看出，相比于相邻栋，本工程增加的工程造价主要有：
1.标准层墙柱面积百分比增加了35%，将会导致相应墙柱配筋量的增加。根据业主提供的资料，墙柱的含钢量增加了约9Kg/m2。
2.布桩系数增加了23%，表示桩基础的成本也相应增加了23%。
5. 结束语
高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。从本工程设计的实际经验来看,高宽比超限结构设计时可结合层间位移角、剪重比等计算指标对结构进行较精确的综合分析和控制。建议具体可以采取以下措施:
( 1)严格控制层间位移角,并与规范最低要求相比。
( 2)进行结构整体抗倾覆及稳定验算,控制基础边缘不出现负应力。
( 3)按各种标准组合工况对基础桩反力进行验算，使最大桩反力满足规范要求。
( 4)适当加强结构的抗侧构件刚度,确保结构的剪重比指标。
( 5)对剪力墙底部加强区、外边缘柱等轴压比进行控制,并有一定余量。
通过与本区相邻栋的各指标对比，可以发现，高宽比超限结构无论是在墙柱含钢量还是基础造价上都有很大的增加，造成比较大的浪费。因此，建议在方案设计阶段，应同业主和相关专业沟通，尽量避免出现高宽比超限结构。
