高层房屋建筑结构设计结构设计探索

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【摘要】为了改善高层房屋建筑结构设计方案，从提升结构抗震性能出发，以平面调整、剪力墙布置作为优化方向，对房屋建筑结构设计进行优化研究。论文阐述房屋建筑结构设计存在的问题，结合工程案例，阐述基于结构设计优化的房屋建筑结构抗震性能改进的具体思路和方法。

【关键词】结构设计优化；位移比；位移角；剪力墙

1引言

在经济迅速发展的时代背景下，人们对房屋建筑实用性、功能性等要求越来越高[1]，高层住宅成为当代人们关注的重点。为了提高住宅的品质，满足当代人们对房屋建筑品质的追求，住宅结构设计的要求越来越高。如果结构布置不合理，尤其是作为关键构件的剪力墙，如果布置不当，受风荷载或者受到地震等自然灾害影响时，结构位移很难达到标准要求[2]。地震灾害对建筑结构的影响相对较大，在高烈度地区尤为明显。所以，急需探究基于提升抗震性能的高层房屋结构优化设计方案。目前，针对高层房屋结构设计及优化的研究比较多，本文尝试引入结构设计优化思想，从不同的视角提出新的房屋建筑结构设计方案优化思路。

2房屋建筑结构设计存在的问题

高层房屋建筑对抗震性能的要求更高，为了满足此项要求，目前很多设计方案从墙体长度、厚度出发来提高结构整体支撑力及抗侧力能力，以此改善建筑结构的抗震性能[3]。然而这种设计方案在模拟分析和实践操作中体现出的性能都较差，未能达到高层建筑抗震规范要求。所以，当前许多高层房屋建筑结构设计虽然布置了较多的剪力墙，但计算结果显示仍存在严重的抗震性能不足的问题。

3基于结构设计优化的房屋建筑结构抗震性能改进

查阅大量文献资料了解到，剪力墙的布置对结构抗震性能影响较大。如果可以减少短肢剪力墙，同时保证墙肢布置结构整齐均匀，便可以起到很好的抗震性能提升作用[4]。该项理论的提出，对房屋建筑结构优化设计帮助较大。因此，本文研究从剪力墙布置角度出发，尝试提高抗侧效率，达到改善建筑抗侧刚度的目的。分析建筑核心层的抗震性能需求，通过计算获取楼板内力，采取配筋处理，以此改善剪力传递作用[5]。另外，从建筑结构的高度和宽度出发，对侧向刚度的抗震性能加以控制，以此优化建筑结构[6]。为了加深此部分内容的探究，本文将以某工程项目为例，对建筑结构加以优化设计，通过对比优化前后抗震性能指标的变化情况，检验高层房屋建筑结构优化方法的有效性。

3.1工程概况及自然条件

本工程位于市中心生活区，房屋的结构总建筑高度105.5m，地上38层，属于A级高度建筑。按照建筑功能的不同，对楼层的层高进行设置。其中，首层为建筑结构的架空层，高度设置为4.7m，其他标准层（2楼及以上楼层），层高设置为2.8m。本工程的结构使用年限设置为50a，抗震设防类别为标准设防类，安全等级为二级。根据建筑所处的地区，抗震设防烈度为7度，建筑所处地区设计基本地震加速度为0.15g，设防地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。50a重现期基本风压力为0.35kN/m2，风荷载体型系数按照1.4计算，因高度大于60m，承载力计算时采用的风压为基本风压的1.1倍。按照这些自然条件，对房屋建筑结构的设计方案进行优化。

3.2结构形式的选择

由于本工程进深较小只有13.7m，而高度较高达到105.5m，相应的高宽比为7.7。而按照JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.3.2条的规定，高层建筑剪力墙结构最大的高宽比适用值为6。根据住宅隔墙较多的特点，采用抗侧力较强的剪力墙结构。其中，控制结构的位移角及位移比以及对结构薄弱部位进行加强，成为本工程结构设计的关键。本工程梁板混凝土强度等级为C30；剪力墙混凝土强度等级10层以下为C60，10层以上从C60下降至C30。根据建筑物高度及建筑结构剪力墙压轴比限值特点，根据本建筑结构抗震性能要求，将建筑底部3层作为底部加强部位。

3.3结构抗震性能分析及优化思路

按原初步设计结构方案，该建筑相邻的两个单元，用抗震缝隔开分成了两个独立的结构单元，如图1所示。这种一个结构单元的单拼方案，结构平面凹进尺寸较小，楼板尺寸和平面刚度无急剧变化，结构平面比较规则。但是因为一个建筑单元的面宽和进深都不大，平面尺寸只有23.3m×13.7m。水平方向虽然尺寸较大，但是因为横墙需要开门开窗较多。所以水平方向的剪力墙分布不均匀，而且有效墙长较短，导致该方向抗侧刚度不大。垂直方向，可以布置剪力墙的位置较多，剪力墙也基本对齐，但因为垂直方向长度只有13.7m，该方向抗侧刚度也不大。通过计算分析，该方案的层间位移比和层间位移角均不满足规范要求。由计算结果显示，最大位移比发生在水平向，最大值达到1.37，垂直向达到1.34。水平方向最不利层间位移为1/833，垂直方向最不利层间位移1/1273，规范限值1/1000，水平方向不能满足规范限值的要求。通过以上分析可知，单拼方案水平方向抗侧刚度需加强。从剪力墙平面布置来看，水平方向能设置剪力墙的位置几乎全部布置了墙体，通过增加剪力墙的数量来增强抗侧刚度的方法不可行。因此，采用另一个思路做调整，即采用双拼方案，两个建筑单元不设抗震缝，合并成一个结构单元如图2所示。双拼的结构方案，加大了面宽，使水平方向的平面尺寸由23.3m加大到46.3m，高宽比降到2.3。比较单拼和双拼的结构方案的计算结果，双拼方案加大了水平方向的平面尺寸后，最大位移角发生在水平方向，为1/1137，垂直方向的最大位移角为1/1217，水平和垂直方向的最大位移角比较接近，而且均在规范限值1/1000的范围内。比较其他各个抗震指标，水平方向最大位移比由1.37降为1.23，垂直方向最大位移比由1.34降为1.22；水平和垂直方向的第一周期分别为2.6115s和2.6024s，动力特性十分接近，保证了发生地震时结构体系能够协调地抵抗地震力。上述方案中，针对原方案X向和Y向位移角差异较大问题，本优化方案沿着X方向形成大面宽，加大建筑整体架构，从而改善X向刚度，使得抗震效果得以提升。另外，根据计算结果，位移角还有一定的富余，对于中部剪力墙可适当减少布设数量，减小剪力墙长度，进一步控制结构位移比，使位移比更接近规范限值，使结构体系的经济性进一步提升。从性能参数变化便可以看出，优化方案达到抗侧性能提升的目的，结构的安全性和经济性均不同程度得到改善。应当注意到本方案减少高宽比增大抗侧刚度的方法，是针对建筑方案中存在两个相邻对称的单元的情况，如果只是一个独立建筑单元，无法加大平面尺寸，不能增加剪力墙数量，可以采用型钢混凝土剪力墙的结构形式，此种结构形式的刚度和延性都较好，对改善高层建筑结构的位移角有明显的作用，但这种结构形式造价高，一般用于高档写字楼或地标式建筑，住宅类建筑一般不会采用。另外，对于某些品字形的建筑方案，两两相连时，凹进尺寸大于相应总尺寸的70%左右，已经大大超过GB50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）的规定值，会形成严重不规则结构，可能造成严重的地震破坏，必须分缝处理。

4连接板薄弱部位抗震性能改善模拟分析

对照规范进一步分析可发现，双拼结构对侧向刚度提升的同时，结构平面产生了新的不规则问题，双拼后，在中部拼接位置采光凹槽的连接板处，凹进尺寸6.5m，相应的垂直投影方向投影总尺寸为12.75m，凹进比率达到51%，大于规范限值的30%。当存在水平地震力，该凹槽连接部位楼板要协调两侧主结构时，平面内将承受较大的水平力。采用有限元分析软件进行分析计算，以中震作为环境模拟条件，对优化后的双拼方案楼板抗震性能进行模拟分析，结果如图3所示。模拟结果显示，在凹槽连接板的位置，拉应力较大，达到3.1MPa，而楼层混凝土强度等级为C30，相应的轴心抗拉强度标准值仅为2.01MPa，远小于拉应力，凹槽连接板可能在地震初期开裂，在往复地震力作用下裂缝会加大，导致楼板平面内的刚度会大大降低，无法协调两侧的结构体共同变形，该部位的楼板需加强。加强的方式，首先，要增加连接板的板厚，降低该部位的混凝土应力，本方案中楼板加强范围内板厚由100mm加厚到150mm，重新模拟分析，最大应力可由3.1MPa降至2.0MPa。另外，通过配置双层双向通长钢筋，增加该部位的延性，延迟连接板的开裂时间，使楼板在多遇地震地震作用下基本处于弹性状态，在设防地震作用下，楼板裂缝宽度及刚度退化也会得到有效的控制。

5结语

本文围绕高层建筑结构设计优化展开探究，通过本工程优化过程可知，高层建筑的各种抗震性能指标是相互关联的某项指标与限值相差太远，一定会导致其他指标劣化，需要找出有问题的主要指标加以优化，其他指标也会相应得到改善。本方案通过调整水平向的侧向刚度，使结构体系的整体抗震性能得到提高，保证了结构的安全性，节省了钢筋和混凝土用量。另外，本研究采取模拟检验的方式，验证了高层建筑结构楼板薄弱部位的抗震性能，提出了改进措施。通过本文内容的探究，可以为高层建筑结构优化设计提供一些新思路。

【参考文献】

[1]袁霓绯,张磊,李洪光.钢框架-防屈曲钢板剪力墙在装配式钢住宅中的应用[J].建筑结构,2020,50(1):91-95.

[2]张爱林,苏磊,曹志亮,等.钢框架+防屈曲钢板剪力墙结构体系在装配式钢结构住宅中的应用[J].建筑结构,2021,51(17):85-90.

[3]梁建国,王吉波,毛嘉伟,等.低层砖砌体住宅建筑简化设计方法[J].建筑结构,2019,49(15):117-121.

[4]赖林建.房屋建筑结构设计中优化技术应用分析[J].建材与装饰,2019(34):90-91.

[5]于杰.建筑节能与结构一体化在铁路房屋中的设计与应用：以烟台港西港区铁路调度综合楼为例[J].铁道标准设计,2019,63(6):134-138+145.

[6]张莹莹,张宏.基于BIM的轻型结构房屋系统模块化设计研究[J].建筑技术,2019,50(5):566-569.

作者：刘宇华 单位：广西壮族自治区城乡规划设计院