某高層商住樓的結構優(yōu)化
［關鍵詞］高層商住樓，結構優(yōu)化，含鋼量，結構布置，墻柱，梁板
廣西欽州市某高層商住樓地上16層，地下1層，總高54m，裙房3層為商鋪，4層及以上為住宅。原設計上部住宅部分采用剪力墻結構，剪力墻很多，內部筒體直接落到基礎；裙房部分為大跨度柱網布置，下部柱網與上部剪力墻位置不同，在第4層樓面采用轉換梁轉換�；A采用靜壓預應力高強度砼管樁。由于當時工期比較緊，業(yè)主拿到設計圖紙后馬上開始了樁基的施工，樁基施工完成后施工圖預算結果才出來，發(fā)現(xiàn)結構含鋼量比較高。于是，業(yè)主委托我們公司進行設計優(yōu)化咨詢。經過結構布置優(yōu)化和計算分析比較，我們提出了一些改進，取得良好的效果。
一、結構布置的優(yōu)化
因為樁基已經施工，工期較緊，不允許對基礎作大的改動，也就相當于在裙房柱網布置位置不變的情況下，對結構進行優(yōu)化。本工程屬于高位轉換的復雜高層結構，高規(guī)［1］對此類高層建筑結構設計有許多規(guī)定，其中最重要的就是要求轉換層上、下部等效側向剛度相等或相差不大（△1H2≈△2H1）這一條。為了保證下部大空間整體結構有適宜的剛度、強度、延性和抗震性能，應盡量弱化轉換層上部主體結構剛度，強化轉換層下部主體結構剛度，使轉換層上、下部主體結構的剛度及變形特征盡量接近。然而為達到此目的而采取加大轉換層以下框支柱截面的做法卻是蹩腳的，因它對增強轉換層下部的剪切剛度效果極不顯著，還會造成結構不經濟及使用不便的后果，實不可取。本工程做法是首先優(yōu)化上部結構布置，減少上部剪力墻的數量和厚度，減輕上部結構的自重。通過調整結構布置，去掉了一些剪力墻，把原有的一些剪力墻開洞、開口、短肢化、薄墻化等，計算最大值層間位移角由原來的1/3520左右變?yōu)?/2164，大大削弱了上部剛度。把上部結構的剛度降了下來，也就等于結構優(yōu)化成功了一半。經過計算，下部落地核心筒剪力墻均由上部的200厚加強到300厚就可以滿足計算要求，比原設計的350厚小，且轉換層上部與下部結構的X、Y方向較大等效側向剛度比由原來的1.27降低到1.07，更接近1，結構布置更加合理。由于減輕了上部結構的自重，經驗算修改結構布置后原來已經施工的基礎能滿足設計要求，優(yōu)化取得顯著的效果。
二、柱、墻的優(yōu)化
墻柱一般是壓彎構件，其配筋量在多數情況下都是構造配筋，因此在其混凝土強度等級合理取值且滿足軸壓比要求的前提下，墻柱截面不宜過大，否則用鋼量將隨其截面的增大而增加。原設計框支柱的截面大部分為1200*1200，雖然其柱底最大軸力比優(yōu)化后大，但其軸壓比也只有0.3左右，遠小于高規(guī)0.6的限值。優(yōu)化后框支柱的截面尺寸大部分減小到1000*1000，軸壓比0.5左右，比較接近限值，能充分發(fā)揮混凝土的抗壓強度，但其配筋還是構造配筋，顯然柱混凝土和鋼筋量大幅減少，經計算約節(jié)省30％。
利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對結構剛度的貢獻最大，而內部墻體則貢獻甚微。在滿足結構整體剛度的前提下，筒體內部的剪力墻不宜過多過厚和過于零碎，否則會增加該部位墻體用鋼量且對結構作用不大。從施工角度看，剪力墻形成的筒體越是規(guī)整，施工就越方便。從受力角度看，筒體內部隔墻若設梁支承于筒體外圍墻上，從而增大外圍墻的軸力避免受拉對其受力反而有利，尤其是內筒的角部。本工程優(yōu)化把核心筒內部的部分剪力墻改為用梁支承的填充墻，經計算結構整體剛度基本無影響，而對結構的周期比有積極的影響，使第一、二周期平動更純粹，結構設計更加經濟合理。
剪力墻分為加強部位和非加強部位兩類，前者必須按約束邊緣構件配筋，后者則按構造邊緣構件配筋。不管是節(jié)點區(qū)還是其余墻段，前者的配筋量均遠大于后者，因此在結構設計中嚴格區(qū)分抗震墻的加強部位和非加強部位，對鋼筋用量而言是具有很大意義的，而隨意擴大抗震墻的加強部位肯定會增加用鋼量。按高規(guī)［1］10.2.4條明確確定，底部帶轉換層的高層建筑結構，其剪力墻底部加強部位的高度可取框支層加上框支層以上兩層的高度及墻肢總高度的1/8二者的較大值，該工程可取框支層加上框支層以上兩層，地下室也應加強，則剪力墻底部加強部位應該為-1～5層，原設計中擴大到了7層，在優(yōu)化設計中對其進行了修改。剪力墻如能合理地布置、截面合理取值，其配筋多半不是內力控制而是構造控制，這樣其邊緣構件主筋、箍筋以及墻段的水平分布筋的配筋率都可按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率配置。即使因建筑物的重要性等級較高而需要提高其配筋率，也應控制在較小的幅度內，否則將大幅增加用鋼量。
用結構計算軟件PKPM系列SATWE［5］計算時有部分剪力墻配筋較大，優(yōu)化設計時對其采用剪力墻組合配筋修改及驗算。該方法采用平截面假定的雙偏壓計算原理，解決了剪力墻分段配筋，邊緣構件配筋相加方法造成鋼筋偏大的問題，使鋼筋在墻體中布置效率更高更合理。經過優(yōu)化設計，剪力墻邊緣構件配筋可節(jié)約10％～30％，基本上構造配筋就能滿足計算要求。如5層中部一剪力墻計算結果比較，配筋簡圖見下圖。從圖中得知，81號和87號墻肢組合配筋量較分段配筋減少20％�！�
三、梁的優(yōu)化
梁主筋采用高強度Ⅲ級鋼代替原設計Ⅱ級鋼。梁的配筋大多由內力控制，Ⅲ級鋼筋比Ⅱ級鋼強度提高20%，而每噸價格卻只增加5%左右。就算有小部分梁的配筋由最小配筋（箍）率控制，從混凝土規(guī)范［2］梁主筋最小配筋率ft/fy中可以看出，采用高強度鋼筋也可降低最小配筋率。選用Ⅲ級鋼筋，不僅可以節(jié)省用鋼量，同時可增加建筑物安全儲備和砼結構強度，對高層和重要建筑作用尤其顯著。
優(yōu)化梁的布置，使其更加受力傳力合理，盡量減少力的多次傳遞，修改原設計梁過大的拉通筋，糾正梁配筋不合理的超配，大大節(jié)約了含鋼量。以往梁頂拉通筋（架立筋）與梁支座受力筋相同是為了減少鋼筋規(guī)格，方便施工，但無論是從實際受力還是震害調查結果顯示，梁上部較大規(guī)格的拉通筋大部分是沒有必要的。從節(jié)約的角度，頂部拉通筋可以選擇直徑較小的鋼筋與支座鋼筋連接（受力需要設置通長鋼筋例外），梁拉通筋的要求，按抗規(guī)［3］第6.3.4條規(guī)定執(zhí)行即可。該工程框架抗震等級為三、四級，框架梁設2φ12拉通筋，次梁按非抗震設計采用2φ10即可。設置架立筋有個好處，就是由于梁端每個支座均通過架立筋搭接，每個梁支座配筋可根據計算需要設計不同的鋼筋直徑和根數，而不必兼顧拉通筋的配置。汶川地震震害調查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的框架結構以柱端出現(xiàn)塑性鉸較多，而梁端很少發(fā)現(xiàn)，很難實現(xiàn)強柱弱梁的抗震設計理念。其中重要原因是設計沒有充分考慮樓板對梁剛度的貢獻，或者是對梁配筋進行了超配而沒對柱配筋加強，人為造成了強梁弱柱�；诂F(xiàn)行規(guī)范和計算程序，較可行的方法是梁配筋滿足計算要求即可，沒有必要超配。
原設計梁支座配筋超配較多，可能選筋的時候按滿足控制裂縫寬度的要求選配。但應特別注意，按電算計算所得的梁裂縫寬度多數是不真實的［4］，設計人應作認真分析判斷計算結果的真實性。電算多數是按單筋梁截面計算求出的鋼筋截面面積，在有抗震設計的框架梁支座下部鋼筋實配量相當多，因此梁支座受拉鋼筋的實際應力小很多，相應電算結果的裂縫寬度必將大了許多；梁跨中截面配筋電算是按矩形截面單筋梁計算的，現(xiàn)澆梁實際均有樓板形成T形梁，框架梁抗震或非抗震設計跨中均有一定數量的上部受壓鋼筋形成雙筋梁，這樣梁跨中受拉鋼筋的實際應力也小很多，相應電算結果的裂縫寬度也是不真實的。所以，當電算結果有超限時，不應簡單增多配筋，應作分析判斷，必要時采用手算驗算，否則梁支座為裂縫控制增加了配筋，對柱和梁柱節(jié)點核心區(qū)應增強不顧，違反了抗震結構應強柱弱梁、強節(jié)點弱構件的基本原則。故在該工程結構優(yōu)化設計中考慮了適當放寬支座裂縫寬度限值，但正常室內環(huán)境下裂縫寬度不大小0.4mm，現(xiàn)工程已經施工完畢，未發(fā)現(xiàn)任何肉眼看得見的裂縫。
四、板的優(yōu)化
原設計樓板配筋采用Ⅰ級鋼為主，由于Ⅰ級鋼強度低，往往由最小配筋率起控制作用，很不經濟，優(yōu)化設計將其改為冷軋扭鋼筋。冷軋扭鋼筋是將低碳鋼熱軋園盤條經專用鋼筋冷軋扭機調直，冷軋并冷扭一次成型，具有規(guī)定截面形狀和節(jié)距的連續(xù)螺旋狀鋼筋。由于其截面形式的變化，使其強度提高近一倍，連續(xù)螺旋狀與砼的握裹力提高60%以上，對混凝土板裂縫的約束作用明顯優(yōu)于Ⅰ級鋼，不僅節(jié)約鋼筋用量35%左右，且提高了鋼筋與砼的協(xié)調工作能力。
高層建筑因線管比較多，為了美觀要求一般都要求線管暗埋在樓板內，故現(xiàn)澆混凝土樓板的厚度通常在100厚以上，在此條件下宜將板跨增大，而沒有必要也不應凡遇隔墻就設梁。當板跨度小、布梁多時肯定用鋼量會增多，而且可能使樓面荷載多次傳遞，造成受力不合理。
五、結束語
該工程通過結構設計優(yōu)化，結構更加合理，大大降低了結構成本，取得了很好的效果，業(yè)主非常滿意。結構優(yōu)化是工程設計中降本潛力最大的一個環(huán)節(jié)，在方案設計和初步設計階段就應及時跟進，以保證選用最優(yōu)的結構體系。結構設計優(yōu)化不是用降低安全度為代價來換取經濟效益，而是采取更為合理的結構體系、結構布置、構件形式，適當采用新材料、新工藝，減輕結構重量，并使結構更加安全合理可靠、經濟可行。
主要參考文獻
1.高層建筑混凝土結構技術規(guī)程（JGJ3-2002）
2.混凝土結構設計規(guī)范（GB50010-2002）
3.建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2001）（2008年版）
4.混凝土結構設計禁忌及實例.李國勝.中國建筑工業(yè)出版社，2007.1
5.PKPM08用戶手冊及技術條件（SATWE），2008.10
