蘇州某高層公寓樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉文彬

上海綠地建設(shè)設(shè)計研究院有限公司 上海 200437

1 工程概況

某項目地塊位于蘇州城西的生態(tài)科技城中心，由8層綜合商業(yè)和總高不超過100 m的3棟高層公寓樓以及2層地下室（局部3層地下室）組成，項目占地面積為19 000 m2，總建筑面積為185 198.17 m2（圖1）。

圖1 項目總體鳥瞰圖

為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，根據(jù)建筑平面布置及功能要求，將建筑以抗震縫為界分為6個結(jié)構(gòu)單體，各單體均以地下室頂板作為嵌固端。本文僅對公寓樓2進(jìn)行論述，因為該公寓樓底部有商業(yè)，荷載及層高相較于普通住宅差別較大，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計更為復(fù)雜。

公寓樓2地下2層、地上28層，總建筑高度為93 m，平面長度為44.2 m，典型寬度為12.7 m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度峰值為0.10g，地震設(shè)計分組為第一組，場地特征周期為0.53 s，設(shè)計使用年限為50 a，安全等級為一級。公寓樓2的4層及以下為商業(yè)，屬于乙類建筑，4層以上為公寓住宅，屬于丙類建筑。場地土類別為Ⅲ類，本場地屬于建筑抗震一般地段。

公寓樓2采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。4層及以下的抗震等級為一級，4層以上的抗震等級為二級。

剪力墻厚度為200～500 mm，剪力墻中的型鋼截面分別為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為200 mm×400 mm、300 mm×500 mm、500 mm×800 mm、400 mm×1 000 mm。

受力筋采用HRB400級鋼筋，非受力筋采用HPB300級鋼筋。主樓部分的梁、板、樓梯采用C30混凝土，地下室部分柱、墻采用C50混凝土，地上部分根據(jù)軸壓比大小，混凝土強(qiáng)度由C50依次減小到C30。

公寓樓2的高寬比為93/12.7=7.32，超過規(guī)范規(guī)定的最大高寬比6，但抗傾覆計算均未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范對公寓樓2的不規(guī)則性進(jìn)行判別：本單體建筑總高度不超過120 m，不屬于高度超限建筑；本單體考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位移比存在大于1.2的樓層，但不超過1.4，即扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。由于不規(guī)則部分沒有達(dá)到3項，故本工程不屬于超限高層，可不進(jìn)行抗震超限審查[1-3]。

2 多遇地震下的抗震設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)計算程序采用PKPM-SATWE，地震作用按照規(guī)范中的參數(shù)進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)分析計算，均考慮空間耦連震動。全樓樓板采用剛性樓板假定計算。

由于建筑的使用要求，公寓樓2的1～4層為商業(yè)，底層層高為6.00 m，2～4層層高為5.40 m，5層以上為酒店式公寓，層高均為2.95 m，因為商業(yè)層和住宅層的層高相差較大，在第4層處很容易出現(xiàn)薄弱層。

本項目在不影響建筑和其他專業(yè)使用的前提下，通過合理的結(jié)構(gòu)布置，以及增加連梁高度、增加剪力墻的厚度等措施，從而增大了第4層的剛度，避免出現(xiàn)薄弱層，使剛度逐漸均勻變化。

剪重比是結(jié)構(gòu)計算時的一個重要控制指標(biāo)，公寓樓2的底層剪重比在x方向沒有滿足規(guī)范的要求，考慮到只要有一層剪重比不滿足要求，就需要對整樓進(jìn)行剪力調(diào)整，導(dǎo)致造價提高。

為此，在公寓樓2的住宅部分設(shè)計時，通過在標(biāo)準(zhǔn)層的飄窗以及窗戶位置把梁高度加高并上翻，同時調(diào)整剪力墻的厚度，優(yōu)化樓板的厚度，從而在保證不影響建筑使用的條件下增大結(jié)構(gòu)的剛度，并減小結(jié)構(gòu)自重，使最終的剪重比滿足了規(guī)范的要求。

結(jié)構(gòu)第一振型為x向平動，第二振型為y向平動，第三振型則為扭轉(zhuǎn)振型，結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期之比小于0.9，滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)在地震作用及風(fēng)荷載作用下的最大層間位移角小于規(guī)范限值1/1 000的要求，在考慮偶然偏心地震的作用下，結(jié)構(gòu)樓層最大位移比小于規(guī)范限值1.4。

3 基于性能的抗震設(shè)計

3.1 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)蘇州當(dāng)?shù)氐囊?guī)定，結(jié)構(gòu)的高寬比在超過規(guī)范限值的10%～20%時，需進(jìn)行性能化設(shè)計。公寓樓2的高寬比超過限值12.2%，為保證設(shè)計安全，除按照規(guī)范的要求及目標(biāo)進(jìn)行計算和設(shè)計外，亦提出了基于性能的抗震設(shè)計要求。對結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件提出中震下的性能目標(biāo)，并進(jìn)行驗算，在多遇地震（小震）下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足彈性設(shè)計要求，在設(shè)防烈度地震（中震）下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻滿足抗剪彈性，抗彎不屈服。

3.2 中震計算結(jié)果

3.2.1 底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻中震彈性計算

計算結(jié)果表明，中震彈性下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻能夠滿足抗剪彈性的設(shè)計要求，可以實現(xiàn)預(yù)定的性能目標(biāo)。

3.2.2 底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻中震不屈服計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，中震不屈服下，底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻能夠滿足抗彎不屈服的設(shè)計要求，可以實現(xiàn)預(yù)定的性能目標(biāo)。

中震不屈服下，底層受拉墻體截面驗算結(jié)果表明：底部加強(qiáng)區(qū)個別墻肢產(chǎn)生了拉應(yīng)力，大部分墻肢在設(shè)防地震作用下仍處于受壓狀態(tài)。部分處于受拉狀態(tài)的墻肢的名義拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值大于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，故應(yīng)在鋼筋混凝土剪力墻中增加型鋼來承擔(dān)拉應(yīng)力。

4 大震作用下的彈塑性變形驗算

為了驗證公寓樓2在大震作用下的彈塑性變形能力，采用了PKPM系列的PUSHOVER軟件進(jìn)行了擬靜力推覆驗算，從抗倒塌驗算結(jié)果來看，在預(yù)估的大震作用下，彈塑性層間位移角遠(yuǎn)小于規(guī)范限值1/120，說明本單體在大震作用下，具有良好的變形性能，能夠滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。

5 結(jié)構(gòu)采取的主要措施

1）公寓樓2中公寓住宅部分的外廊板厚從原先的120 mm加厚至150 mm，并提高配筋率，采用雙層雙向配筋（配筋從原先的φ8 mm@100 mm提高至φ10 mm@100 mm），以提高傳遞水平地震力的能力，在PKPM模型中指定為彈性膜進(jìn)行計算，配筋滿足計算要求。

2）由于短肢剪力墻的抗震性能差，設(shè)計時對短肢剪力墻的數(shù)量作了嚴(yán)格控制，使得在規(guī)定的水平地震作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部傾覆力矩小于結(jié)構(gòu)底部總地震傾覆力矩的30%。在布置剪力墻時，積極和其他專業(yè)協(xié)商，能拉長的剪力墻盡量拉長，以使墻肢截面高度與厚度之比大于8；對于無法拉長的剪力墻，盡量增加墻的厚度至350 mm。對于那些無法規(guī)避的短肢剪力墻，設(shè)計時對箍筋全高加密至100 mm，并加大箍筋直徑，縱筋全截面配筋率在滿足規(guī)范要求的同時提高10%的配筋面積，并嚴(yán)格控制其軸壓比。

3）調(diào)整抗側(cè)力結(jié)構(gòu)布置，使得質(zhì)心和剛心盡量重合，原結(jié)構(gòu)布置的扭轉(zhuǎn)較大，抗側(cè)剛度偏弱，經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，通過增加單體兩端和周邊剪力墻的長度和厚度，并加大連梁的高度，提高結(jié)構(gòu)四周的剛度和抗扭轉(zhuǎn)能力，盡可能減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

4）計算分析時考慮偶然偏心、雙向地震作用，按總剛、剛性樓板（位移比計算時為“強(qiáng)制剛性板” ）假定進(jìn)行多遇地震下的計算，且選用較多振型以充分考慮高階振型的影響。

5）公寓樓2為剪力墻結(jié)構(gòu)，個別位置的連梁剪壓比計算較難通過，為此，通過對連梁采取剛度折減、減小連梁的高度、設(shè)置雙縫連梁以及增加交叉斜筋等有效措施，使得剪壓比滿足計算要求。

6）公寓樓2建筑底部第2層（模型第3層）因樓梯、風(fēng)井較多，對樓板削弱較大，對樓板面寬削弱超過30%的位置，將其周邊樓板厚度從原來的130 mm加厚至160 mm，采用雙層雙向配筋（配筋從原先的φ10 mm@100 mm提高至φ12 mm@100 mm）；連接極弱處除加厚樓板厚度外還應(yīng)補(bǔ)充樓板應(yīng)力分析，使其滿足中震彈性的要求。

采取以上措施后，計算結(jié)果表明，中震彈性下，最大拉應(yīng)力為1.970 MPa（＜2.01 MPa），最大壓應(yīng)力為7.166 MPa（＜20.1 MPa），最大剪應(yīng)力為1.719 MPa（＜2.01 MPa），均滿足規(guī)范要求。

6 施工采取的主要措施

1）設(shè)計總則中要求，所有孔洞均需在廠家進(jìn)行加工，不得在現(xiàn)場進(jìn)行氧氣吹割；同時根據(jù)04SG523《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造》中的要求，孔洞的最大公稱直徑不能比所穿鋼筋直徑大8 mm以上，孔洞邊距型鋼焊縫須不小于500 mm，孔洞與孔洞間距不應(yīng)小于250 mm；此外，翼緣板不允許開孔，僅允許在滿足上述的條件下對腹板進(jìn)行取孔，且腹板截面損失率不宜大于25%。

2）強(qiáng)化深化設(shè)計，與設(shè)計密切配合，設(shè)計過程中充分考慮施工的可行性。將鋼筋過于密集的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計，主筋盡量使用22、25 mm大直徑的鋼筋，以減少主筋的數(shù)量，從而增大主筋間的間距，有利于鋼筋排布及截面尺寸的確定。

3）因為型鋼柱以H型鋼為主，其主筋與箍筋和鋼柱靠的比較緊密，所以不可以按照普通墻體的施工方式進(jìn)行。在具體施工過程中，要在完成型鋼柱吊裝固定并且型鋼柱焊縫檢查合格后，才可以開展鋼筋施工。鋼筋施工項目中，型鋼柱和梁筋相交處需要先繪制施工圖，確定穿筋布置的位置與錨固的位置，同時繪制出施工大樣圖，并按照其設(shè)計要求施工，標(biāo)準(zhǔn)層梁的頂部與底部要按照設(shè)計預(yù)留的穿筋孔位置，將型鋼穿入。

4）對鋼筋過密且主筋不允許調(diào)整的部分，經(jīng)原設(shè)計許可后采取并孔處理。

5）型鋼柱節(jié)均由廠家直接運(yùn)送至現(xiàn)場進(jìn)行復(fù)查，符合規(guī)范要求后允許進(jìn)場進(jìn)行吊裝。吊裝過程中，吊繩與耳板連接穩(wěn)定后再起吊，并在柱腳處加設(shè)墊木。

6）采用預(yù)拌混凝土，其設(shè)計強(qiáng)度為C50，并按照高強(qiáng)度混凝土施工要求開展施工作業(yè)。在澆筑混凝土?xí)r，要確保型鋼柱內(nèi)混凝土的清潔，其表面不能有積水和雜物等，并做好防護(hù)措施。

7 建議

由于建筑專業(yè)過分地追求建筑的平面功能以及公寓住宅未來的銷售指標(biāo)，從而影響了結(jié)構(gòu)專業(yè)的構(gòu)件布置，比如[4-7]：

1）由于建筑布置使得結(jié)構(gòu)的高寬比超過了規(guī)范的限值，為此，對公寓樓2進(jìn)行了性能化設(shè)計，并且在部分剪力墻內(nèi)增加了型鋼，導(dǎo)致了最終造價的提高，同時也給施工造成了困難。

2）為了滿足公寓住宅的戶型要求，結(jié)構(gòu)專業(yè)在布置剪力墻的時候，y方向多片剪力墻不得不錯開布置，導(dǎo)致剪力墻無法通過連梁相連接，使得y方向的結(jié)構(gòu)剛度明顯偏弱，只能通過拉斜梁來提高剛度，有些位置只能使梁與剪力墻在平面外連接，這些措施在一定程度上也影響了建筑的美觀。建議建筑專業(yè)多考慮結(jié)構(gòu)布置的合理性，各專業(yè)應(yīng)緊密配合。合理而有效的結(jié)構(gòu)布置不僅可以使結(jié)構(gòu)更加安全，也可以有效地降低造價。

8 結(jié)語

公寓樓2的結(jié)構(gòu)體型雖存在不規(guī)則、高寬比超過規(guī)范限值等情況，但通過各種加強(qiáng)措施及性能化設(shè)計，除保證結(jié)構(gòu)在小震下完全處于彈性階段外，還補(bǔ)充了關(guān)鍵構(gòu)件在中、大震下的各項驗算，且計算結(jié)果表明，多項指標(biāo)均表現(xiàn)得較為良好，能夠滿足規(guī)范的有關(guān)要求。同時在施工中采取了相應(yīng)的措施，并且在設(shè)計中也充分考慮了施工的便利性，設(shè)計與施工之間緊密配合，從而保證了施工質(zhì)量，確保了工程安全。