超高层住宅的结构优化设计
超高层住宅的结构优化设计
发表时间：2018-12-18T09:57:20.123Z 来源：《基层建设》2018年第31期作者：康海洋[导读] 摘要：随着我国经济的发展，我国基础设施的建设也有了很好的发展，越来越多的流动资金向基础设施建设这个行业汇集。
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摘要：随着我国经济的发展，我国基础设施的建设也有了很好的发展，越来越多的流动资金向基础设施建设这个行业汇集。在人们对空间充分利用的需求下超高层建筑工程应运而生的，这体现了人们对更舒适、更具现代化的高质量的城市生活的追求。与此同时，问题也随着超高层建筑工程的发展而体现了出来，其中超高层的结构优化设计问题尤为突出，只有优化了超高层的结构，才能使人们有一个舒适的居住环境。基于此，本文对超高层的结构的优化设计进行了研究。
关键词：超高层的结构优化设计要求设计方案
引言
在顺应人们急剧增长的住房需求下，高层的结构形式从简单的层数和高度增长的基础上，逐步发展到对平面形状和空间体型的复杂化要求。这不仅要求建筑满足功能多样，建筑风格提高，还要满足城市发展的景观需求。高层在延续最初的结构形式和框架设计的基础上，还应对建筑中的相关因素进行优化设计，使得不仅满足基本的功能需求外，还能在设计水平上有进一步的提升。
一、工程概况
本工程为超高层小区,规划限高150m,总建筑面积45万m2左右,其中地下室12万m2,单层地下车库,地上17个单体塔楼,都是100 ~142m超高层,其中5#楼约为130m,7#、8#和16#、17#楼约为140m, 4#楼户型同5#楼,高约100m。按照规范[1,2]结构体系的适用范围,采用剪力墙结构体系。剪力墙厚度:地下室、底层架空层370mm或400mm,标准层均为240mm。100m左右超高层竖向构件混凝土等级为C40~C30; 140m左右超高层竖向构件混凝土等级C55~C30.梁板混凝土等级为C35~C30。
该工程设计基准期为50年,结构设计适用年限为50年。抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,地震分组为第一组,设计特征周期为0.45s,抗震设防类别为丙类,结构安全等级为二级。场地类别为Ⅲ类。采用桩筏基础,主楼区域采用直径700、800、900、1000mm钻孔灌注桩,一层地下车库采用管桩满足抗拔要求。
二、结构计算设计及设计要点
结构侧移是高层结构设计中的关键因素。随着建筑高度的增加,水平荷载下结构的侧向变形迅速增大,与建筑高度H的4次方成正比(△=qH4/8EI)。另外,高层建筑随着高度增加、轻质高强材料的应用、新建筑形式和结构体系的出现、侧向位移的迅速增大,在设计中不仅要求结构具有足够强度,还要具有足够的抗推刚度,使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内。
高层和超高层建筑减轻自重比多层建筑更有意义。从地基承载力或桩基承载力考虑,如果在同样地基或桩基的情况下,减轻房屋自重意味着不增加基础造价和处理措施,可以多建层数,这在软弱土层有突出的经济效益。地震效应与建筑的重量成正比,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效办法。高层建筑重量大了,不仅作用于结构上的地震剪力大,还由于重心高地震作用倾覆力矩大,对竖向构件产生很大的附加轴力,从而造成附加弯矩更大。
在满足地下室车库层和底层架空或者底层商铺的前提下,遵循对称、均匀、周边、拐角的原则,在结构周边、拐角和核心筒等部位对落地剪力墙进行较合理布置,主体结构抗震等级为三级(低于140m)和二级(高于140m)。对结构薄弱部位如楼电梯周围,内庭院周围均设置了120mm 厚楼板,采用双层双向拉通钢筋予以加强;对少量肢长受到限制的短肢剪力墙(墙肢长度∶墙厚<8∶1)按照高规要求予以加强,如满足最小配箍率和最小配筋率等。
本工程项目中仅16#和17#楼高度超限,应报本地超限高层建筑工程抗震设防专项审查。风荷载取值,考虑到以后城市建设的不断发展,位移计算时取0.45kN/m2,强度计算时取0.5 kN/m2。
三、超高层结构设计的基本要求
满足舒适性的要求。建筑设计应为住户起居舒适性的要求提供条件，例如，多种户型要灵活分隔室内的空间，人居的热光声的环境等要求，给居住的人创造一个舒适的环境。结构方案还应该考虑到住户在日后改变分隔的空间的可能性，当采用剪力墙结构的时候，宜采用大开间的布置。
满足经济性的要求。结构设计时应根据房屋的建造地点、层数多少、平立面体形，在满足耐久性、安全性和舒适性要求的前提下采用经济又合理的结构体系，在构件设计中应该精打细算，要严格执行规范构造要求，注意避免不必要的铺张浪费。尤其是在地基基础设计中更要注意此方案的经济比较，因为地基基础的设计方案是否合理对房屋造价非常重要。
满足耐久性和安全性要求。实行商品化后，应为住户的耐用消费品，使用寿命长是区别其他消费品的最大特点。因此，结构耐久性和安全性是结构设计最基本的要求。结构体系的选择以及材料的选用，都应有利于抗风抗震，以及使用寿命期间改造维修的可能性。
四、超高层建筑中的优化设计方案
房屋结构抗震性设计。在工程图纸设计过程中，房屋结构按抗震设防分类，房屋抗震等级可根据房屋高度、烈度以及结构类型按国家《抗震规范》确定。地震震力振型组合数据对建筑应当不考虑耦联扭转计算；当振型数大于3 的时候，应取3 的整数倍计算，但数据不能大于建筑物层数；当房屋层数不大于2 时，振型数则可取房屋层数。对于不规则房屋的结构，应考虑扭耦联转，对高层房屋建筑来说，振型数应取不小于9；房屋结构层数多或房屋结构刚度突变系数大的话，振型数则应多取，例如结构中含多塔结构或顶部有小塔楼和转换层等，振型数应取不小于12 的数，但其大小仍不能大于房屋总层数3 倍，除非其含有弹性定义的楼板，而且采取总刚性分析的时候，振型数才能够取的更大。
耐久性的优化设计。在之前大部分混凝土结构设计方案中，很多没有充分考虑到建筑结构设计耐久性，也就是保证高层建成之后，在合理使用期限内，要能满足用户正常使用要求。但是很多的设计未能达到，造成此现象的根本原因是没有充分考虑到建筑结构在使用的过程中，由于遭受条件和使用环境变化最终造成房屋结构损伤，引起房屋可靠度指数下降。对一般高层混凝土结构设计来说，低造价和省材料设计都应为满意的结构设计，但随着人们生活水平的提高和在实际工程中，有时在其他使用要求或技术指标上升为设计主要矛盾时，设计者们就要放弃对经济的单纯追求。所以当选以高层混凝土结构优化为设计的主要目的时，就应依据设计所要面对的关键性问题，分清主次，选多目标或单目标来实施优化，达到满意效果。