某高层商住楼的结构优化

　　［摘要］介绍了广西钦州市某高层商住楼的结构优化设计实例，提出了一些具体的结构优化措施，取得一定的效果，为结构设计师进行结构优化设计提供参考。
　　［关键词］高层商住楼，结构优化，含钢量，结构布置，墙柱，梁板
　　广西钦州市某高层商住楼地上16层，地下1层，总高54m，裙房3层为商铺，4层及以上为住宅。原设计上部住宅部分采用剪力墙结构，剪力墙很多，内部筒体直接落到基础；裙房部分为大跨度柱网布置，下部柱网与上部剪力墙位置不同，在第4层楼面采用转换梁转换。基础采用静压预应力高强度砼管桩。由于当时工期比较紧，业主拿到设计图纸后马上开始了桩基的施工，桩基施工完成后施工图预算结果才出来，发现结构含钢量比较高。于是，业主委托我们公司进行设计优化咨询。经过结构布置优化和计算分析比较，我们提出了一些改进，取得良好的效果。
　　一、结构布置的优化
　　因为桩基已经施工，工期较紧，不允许对基础作大的改动，也就相当于在裙房柱网布置位置不变的情况下，对结构进行优化。本工程属于高位转换的复杂高层结构，高规［1］对此类高层建筑结构设计有许多规定，其中最重要的就是要求转换层上、下部等效侧向刚度相等或相差不大（△1H2≈△2H1）这一条。为了保证下部大空间整体结构有适宜的刚度、强度、延性和抗震性能，应尽量弱化转换层上部主体结构刚度，强化转换层下部主体结构刚度，使转换层上、下部主体结构的刚度及变形特征尽量接近。然而为达到此目的而采取加大转换层以下框支柱截面的做法却是蹩脚的，因它对增强转换层下部的剪切刚度效果极不显著，还会造成结构不经济及使用不便的后果，实不可取。本工程做法是首先优化上部结构布置，减少上部剪力墙的数量和厚度，减轻上部结构的自重。通过调整结构布置，去掉了一些剪力墙，把原有的一些剪力墙开洞、开口、短肢化、薄墙化等，计算最大值层间位移角由原来的1/3520左右变为1/2164，大大削弱了上部刚度。把上部结构的刚度降了下来，也就等于结构优化成功了一半。经过计算，下部落地核心筒剪力墙均由上部的200厚加强到300厚就可以满足计算要求，比原设计的350厚小，且转换层上部与下部结构的X、Y方向较大等效侧向刚度比由原来的1.27降低到1.07，更接近1，结构布置更加合理。由于减轻了上部结构的自重，经验算修改结构布置后原来已经施工的基础能满足设计要求，优化取得显著的效果。
　　二、柱、墙的优化
　　墙柱一般是压弯构件，其配筋量在多数情况下都是构造配筋，因此在其混凝土强度等级合理取值且满足轴压比要求的前提下，墙柱截面不宜过大，否则用钢量将随其截面的增大而增加。原设计框支柱的截面大部分为1200*1200，虽然其柱底最大轴力比优化后大，但其轴压比也只有0.3左右，远小于高规0.6的限值。优化后框支柱的截面尺寸大部分减小到1000*1000，轴压比0.5左右，比较接近限值，能充分发挥混凝土的抗压强度，但其配筋还是构造配筋，显然柱混凝土和钢筋量大幅减少，经计算约节省30％。
　　利用竖向交通井道而形成的剪力墙筒体，其外围墙体对结构刚度的贡献最大，而内部墙体则贡献甚微。在满足结构整体刚度的前提下，筒体内部的剪力墙不宜过多过厚和过于零碎，否则会增加该部位墙体用钢量且对结构作用不大。从施工角度看，剪力墙形成的筒体越是规整，施工就越方便。从受力角度看，筒体内部隔墙若设梁支承于筒体外围墙上，从而增大外围墙的轴力避免受拉对其受力反而有利，尤其是内筒的角部。本工程优化把核心筒内部的部分剪力墙改为用梁支承的填充墙，经计算结构整体刚度基本无影响，而对结构的周期比有积极的影响，使第一、二周期平动更纯粹，结构设计更加经济合理。
　　剪力墙分为加强部位和非加强部位两类，前者必须按约束边缘构件配筋，后者则按构造边缘构件配筋。不管是节点区还是其余墙段，前者的配筋量均远大于后者，因此在结构设计中严格区分抗震墙的加强部位和非加强部位，对钢筋用量而言是具有很大意义的，而随意扩大抗震墙的加强部位肯定会增加用钢量。按高规［1］10.2.4条明确确定，底部带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度可取框支层加上框支层以上两层的高度及墙肢总高度的1/8二者的较大值，该工程可取框支层加上框支层以上两层，地下室也应加强，则剪力墙底部加强部位应该为-1～5层，原设计中扩大到了7层，在优化设计中对其进行了修改。剪力墙如能合理地布置、截面合理取值，其配筋多半不是内力控制而是构造控制，这样其边缘构件主筋、箍筋以及墙段的水平分布筋的配筋率都可按规范规定的最小配筋率配置。即使因建筑物的重要性等级较高而需要提高其配筋率，也应控制在较小的幅度内，否则将大幅增加用钢量。
　　用结构计算软件PKPM系列SATWE［5］计算时有部分剪力墙配筋较大，优化设计时对其采用剪力墙组合配筋修改及验算。该方法采用平截面假定的双偏压计算原理，解决了剪力墙分段配筋，边缘构件配筋相加方法造成钢筋偏大的问题，使钢筋在墙体中布置效率更高更合理。经过优化设计，剪力墙边缘构件配筋可节约10％～30％，基本上构造配筋就能满足计算要求。如5层中部一剪力墙计算结果比较，配筋简图见下图。从图中得知，81号和87号墙肢组合配筋量较分段配筋减少20％。
　　               
　　三、梁的优化
　　梁主筋采用高强度Ⅲ级钢代替原设计Ⅱ级钢。梁的配筋大多由内力控制，Ⅲ级钢筋比Ⅱ级钢强度提高20%，而每吨价格却只增加5%左右。就算有小部分梁的配筋由最小配筋（箍）率控制，从混凝土规范［2］梁主筋最小配筋率ft/fy中可以看出，采用高强度钢筋也可降低最小配筋率。选用Ⅲ级钢筋，不仅可以节省用钢量，同时可增加建筑物安全储备和砼结构强度，对高层和重要建筑作用尤其显著。
　　优化梁的布置，使其更加受力传力合理，尽量减少力的多次传递，修改原设计梁过大的拉通筋，纠正梁配筋不合理的超配，大大节约了含钢量。以往梁顶拉通筋（架立筋）与梁支座受力筋相同是为了减少钢筋规格，方便施工，但无论是从实际受力还是震害调查结果显示，梁上部较大规格的拉通筋大部分是没有必要的。从节约的角度，顶部拉通筋可以选择直径较小的钢筋与支座钢筋连接（受力需要设置通长钢筋例外），梁拉通筋的要求，按抗规［3］第6.3.4条规定执行即可。该工程框架抗震等级为三、四级，框架梁设2φ12拉通筋，次梁按非抗震设计采用2φ10即可。设置架立筋有个好处，就是由于梁端每个支座均通过架立筋搭接，每个梁支座配筋可根据计算需要设计不同的钢筋直径和根数，而不必兼顾拉通筋的配置。汶川地震震害调查发现，现有的框架结构以柱端出现塑性铰较多，而梁端很少发现，很难实现强柱弱梁的抗震设计理念。其中重要原因是设计没有充分考虑楼板对梁刚度的贡献，或者是对梁配筋进行了超配而没对柱配筋加强，人为造成了强梁弱柱。基于现行规范和计算程序，较可行的方法是梁配筋满足计算要求即可，没有必要超配。
　　原设计梁支座配筋超配较多，可能选筋的时候按满足控制裂缝宽度的要求选配。但应特别注意，按电算计算所得的梁裂缝宽度多数是不真实的［4］，设计人应作认真分析判断计算结果的真实性。电算多数是按单筋梁截面计算求出的钢筋截面面积，在有抗震设计的框架梁支座下部钢筋实配量相当多，因此梁支座受拉钢筋的实际应力小很多，相应电算结果的裂缝宽度必将大了许多；梁跨中截面配筋电算是按矩形截面单筋梁计算的，现浇梁实际均有楼板形成T形梁，框架梁抗震或非抗震设计跨中均有一定数量的上部受压钢筋形成双筋梁，这样梁跨中受拉钢筋的实际应力也小很多，相应电算结果的裂缝宽度也是不真实的。所以，当电算结果有超限时，不应简单增多配筋，应作分析判断，必要时采用手算验算，否则梁支座为裂缝控制增加了配筋，对柱和梁柱节点核心区应增强不顾，违反了抗震结构应强柱弱梁、强节点弱构件的基本原则。故在该工程结构优化设计中考虑了适当放宽支座裂缝宽度限值，但正常室内环境下裂缝宽度不大小0.4mm，现工程已经施工完毕，未发现任何肉眼看得见的裂缝。
　　四、板的优化
　　原设计楼板配筋采用Ⅰ级钢为主，由于Ⅰ级钢强度低，往往由最小配筋率起控制作用，很不经济，优化设计将其改为冷轧扭钢筋。冷轧扭钢筋是将低碳钢热轧园盘条经专用钢筋冷轧扭机调直，冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。由于其截面形式的变化，使其强度提高近一倍，连续螺旋状与砼的握裹力提高60%以上，对混凝土板裂缝的约束作用明显优于Ⅰ级钢，不仅节约钢筋用量35%左右，且提高了钢筋与砼的协调工作能力。
　　高层建筑因线管比较多，为了美观要求一般都要求线管暗埋在楼板内，故现浇混凝土楼板的厚度通常在100厚以上，在此条件下宜将板跨增大，而没有必要也不应凡遇隔墙就设梁。当板跨度小、布梁多时肯定用钢量会增多，而且可能使楼面荷载多次传递，造成受力不合理。
　　五、结束语
　　该工程通过结构设计优化，结构更加合理，大大降低了结构成本，取得了很好的效果，业主非常满意。结构优化是工程设计中降本潜力最大的一个环节，在方案设计和初步设计阶段就应及时跟进，以保证选用最优的结构体系。结构设计优化不是用降低安全度为代价来换取经济效益，而是采取更为合理的结构体系、结构布置、构件形式，适当采用新材料、新工艺，减轻结构重量，并使结构更加安全合理可靠、经济可行。
　　
　　主要参考文献
　　1.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）
　　2.混凝土结构设计规范（GB50010-2002）
　　3.建筑抗震设计规范（GB50011-2001）（2008年版）
　　4.混凝土结构设计禁忌及实例.李国胜.中国建筑工业出版社，2007.1
　　5.PKPM08用户手册及技术条件（SATWE），2008.10