概念设计在高层建筑结构优化设计的应用
摘要：文章结合某工程实际，从计算结果和经济分析表明，从概念设计的原则出发，根据结构整体性原则经过多轮优化之后的结构方案，既可以保证结构的安全适用，还可以做到经济合理。
关键词：概念设计，高层建筑，结构设计，优化设计
1工程概况
某工程项目用地共计11.25hm2，总建筑面积约为72万m2，拟建成包括高档公寓、SOHO公寓、普通住宅、商业、写字楼等多种功能的大型商业综合体，整个综合体共分为A、B、C、D、E5个建筑组群。本工程为其中的B区，建筑面积1O万m2，地下部分为两层地下室，平时主要用于商业、设备用房及车库，地下二层战时为核5级人防地下室；地上部分裙房2～4层，两栋住宅塔楼均为40层。
工程结构设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类。风荷载按lOOa重现期的风压值计算，基本风压wo=O.60kN/m2，地面粗糙类别采用B类，由于塔楼高宽比4.34＞4.0，风荷载体形系数采用1.4。
2基础及地下室设计
2.1工程地质及水文地质情况
根据勘察报告，场区地貌属山前坡洪积平原。场地内岩土分层自上而下描述如下：第1层：杂填土，第2层：细砂，第3层：粉质粘土，第4层：强风化云母片岩，第5层：中风化云母片岩，该层未穿透。场区内无不良地质现象，无液化土层，区域稳定性较好，适宜工程建设。
场区地下水位标高0.85～3.43m(黄海高程)。地下水类型为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。抗浮设计水位标高建议值为4.00m2，相对于±0.00为-0.25m。
2.2基础类型
根据勘察报告，并考虑抗浮要求，裙房部分的基础采用筏板基础，以第3层粉质粘土层(=280)或第4层强风化云母片岩层(=3OO)为基础持力层。筏板厚度为0.6m框架柱位置根据抗冲切需要设置相应尺寸的柱墩。
塔楼基础考虑过两种方案，一是天然筏板基础，二是大直径人工挖孔桩基础。通过从结构造价、施工方便等方面综合比较，最后采用了传力直接的大直径人工挖孔桩+墙下承台梁+防水板基础。挖孔桩桩长约13m，桩径1000～1600，扩底1800—2900，桩端持力层为第5层中风化云母片岩，桩端极限端阻力标准值=6000。
2.3地下室抗浮设计
地下室抗浮设计水位为-0.25m，需要进行抗浮设计。设计上采用抗拔锚杆（Φ150)进行抗浮，锚杆进入强风化岩不小于lOm，长度不小于14m，单根锚杆抗拔承载力特征值为360kN。
2.4地下室结构超长及主裙楼差异沉降
地下室平面尺寸为206x137m，大大超过规范要求。但考虑到设缝对建筑结构的不利影响，设计时通过采取适当的结构措施(采用微膨胀混凝土、设置后浇带、加强配筋等)、建筑措施(纯地下室顶板及墙加强保温措施)及施工措施(分段施工、加强养护、采用添加剂等)，在地下室范围内不设变形缝而设置收缩后浇带。另外，为解决主裙楼之间的差异沉降问题，在主裙楼之间还设置了沉降后浇带。收缩后浇带要求在混凝土浇筑两个月后可进行封闭，沉降后浇带则需根据沉降观测的结果进行分析后再选择合适时机进行封闭。
3上部结构方案
工程地下室部分不设伸缩缝和沉降缝，整个工程连为一体，地下室顶板设计为上部结构的嵌固部位。上部结构通过设置2道抗震缝将结构分为完全独立的3个部分，其中左上角和右下角均为40层的2个塔楼，左下部分为2层的框架结构。
两栋塔楼均为剪力墙结构体系，结构高度119.9m，为A级高度的钢筋混凝土高层建筑。塔楼平面外包尺寸为27.8x31.7m，高宽比H/B=4.34，长宽L/B=1.14，均满足规范的有关要求。
结构方案阶段，首先根据概念设计的原则进行剪力墙的平面布置，尽量控制剪力墙的墙肢长度满足普通剪力墙的要求，并尽量布置带有翼缘的剪力墙，以提高整个建筑物的抗震性能。二是充分利用中间交通核心形成的剪力墙内筒的抗侧力作用，尽量减小外围剪力墙的数量和尺寸。再根据结构的规则性和整体性原则，对整体计算分析的结果从周期比、位移比、刚度比和层间受剪承载力之比、刚重比以及层间位移角等方面进行综合分析和判断，在经过多轮结构优化后，确定了塔楼的结构方案。其中，塔楼的剪力墙厚度从底部的400厚到300到250再到上部的200厚均匀变化；混凝土强度等级也从底部的C50到C40，最后过渡到C30，并且剪力墙厚度的变化与混凝土强度等级的变化均错开数层。优化后的标准层结构平面布置详见图1。
根据本工程的特点和结构平面布置图，还采取了一些构造加强措施：正常楼层板厚为h=l10，地下一层楼板由于人防采用400厚，±0.00楼板作为整个工程的嵌固端厚度h=180，裙房屋面层楼板厚度加厚为h=130，塔楼屋面层楼板厚度采用h=150；内筒左右两侧及电梯间由于楼板开大洞，板厚均加强为h=150，以传递水平力。
4结构整体计算分析
4.1振型分解反应谱法
结构整体计算分析时采用了2个不同的计算软件，先采用SATWE进行整体计算，再采用Etabs中文版进行验证。地震作用计算首先采用考虑扭转偶联振动影响的振型分解反应谱法，塔楼的部分计算结果如表1。结果表明，两种软件的计算差别不大，各项指标均满足规范的有关要求。
4.2弹性时程分析补充计算
本工程结构高度大于100m，抗震设防烈度为7度，需进行多遇地震下的弹性时程补充分析计算。选用1条人工波RHITG035以及2条实际地震记录TAF-2、TH2TG035，采用SATWE进行弹性动力时程分析，输入地震加速度的最大值为35cm/s2。结构两个主方向的最大楼层剪力曲线图如图2。
表1塔楼的部分计算结果
结果表明：每条时程曲线计算所得结构底部剪力均大于振型分解反应谱法结果的65/%，三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法结果的80%，选波有效。时程分析法计算所得剪力平均值在大部分楼层小于振型分解反应谱法计算结果，在顶部个别楼层出现了大于振型分解反应谱法的现象。针对这个问题在SATWE中采用了地震力放大系数的方法进行解决，这部分楼层配筋计算据此进行。
5结语
工程根据优化后的结构方案进行恰当的配筋构造，保证了结构的整体性能。根据甲方的经济分析，本工程标准层含钢量为35kg/m2。结果表明，在结构设计中普遍应用概念设计原则，既可以保证结构的安全适用，还可以做到经济合理。
参考文献：
[1lGB50011-2001，建筑抗震设计规范【s】.
[2]JGJ3—2002，高层建筑混凝土结构技术规程【s】.
[3]GB50010—2002，混凝土结构设计规范【S】.
[4]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概[M】.北京：机械工业出版社，2006.
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