高層建筑結構與抗震設計研究
——以上海晨林花苑三期為例

陸建德

（上海眾鑫建筑設計研究院有限公司，上海 200093）

0 引言

晨林花苑三期位于上海市虹口區物華路與通州路之間，東側與晨林花苑一期、二期相連，西側為胡家木橋路河浜（沙涇港）景觀道。項目包括三幢主體建筑，其中1號樓高層住宅30層，高87.45m，2號樓高層住宅30層，高85.55m，3號樓公寓式酒店13層，高54.30m，每幢樓均設地下室，其中1號樓單體地下室與低層商業的地下室連成一體，地鐵4號線臨平路與海倫路站區間隧道從本項目場地穿過(位于1號樓與2號樓之間)，筆者作為本項目的結構工種負責人具體設計了其中的1號樓高層住宅。

1 建筑結構的總體布置

1號樓高層住宅采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，對于一幢30層的高層住宅，采用這一結構型式已經十分普遍，一方面結構所布置的剪力墻及梁均與建筑的分隔墻互為一體，與建筑的使用功能不發生矛盾，另一方面結構所布置的剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力強，且結構整體性好，側向剛度大，在水平荷載的作用下結構側移小，應該講剪力墻結構是解決高層住宅抗震問題相對低成本的手段，而且結構的計算分析，參數調整也相對簡潔。

單體結構體系確定后，結構工程師便應及時介入建筑設計進行結構的總體布置，建筑結構的總體布置是指對其高度、平面、立面、和體型等的選擇，除應考慮建筑的使用功能及建筑景觀要求外，在結構方面應滿足強度，剛度和穩定性的要求，還應保證建筑物具有良好的抗震性能[1]。相應確定結構布置方案的過程亦是一個結構概念設計的過程，建筑抗震概念設計是指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。它主要體現在對建筑的場地，建筑體型、結構體系、結構布置、結構延性等諸多方面在總體上進行把控，并運用建筑結構抗震措施消除建筑中的抗震薄弱環節，提高結構整體的抗震能力，而且應將概念設計的內容貫穿于結構設計的全過程中。對于剪力墻結構來說，應首先從總體上合理布置剪力墻所處的位置，確定剪力墻數量、長度及厚度，保證剪力墻結構的剛度均勻及剛度適宜。

2 建筑結構設計

實例1號樓單體的建筑平面為東西向軸線長41.5m，南北向軸線寬16.8m，層高2.9m，頂部若干層因建筑景觀要求作了局部階梯式退臺處理，標準層的建筑平面通過采取構造措施后相對規則。單體結構采用小開間布置剪力墻，遵循對稱、均勻、周邊、連續的布置原則，沿建筑物的兩個正交軸線雙向布置，其中兩個方向的抗側剛度應相對接近，另在現時戶型多樣化的今天，要使剪力墻的布置對稱及對齊會有一定難度，這就要求所布置的剪力墻更應注重剛度中心與質量中心趨于重合，以減少結構扭轉。還有為使剪力墻結構的抗扭作用充分發揮，單體剪力墻的布置按弱中央強周邊的思路來展開，并應盡可能使其所布置的剪力墻做到剛度傳遞，整體性好。單體中間部位除在樓、電梯間及有較多豎向荷載作用處并一些平面轉角處布置剪力墻外，其它中間部位盡量少布剪力墻，而在單體周邊部位的圍護墻處可適當多布置剪力墻并同時連接與沿墻軸線方向垂直的墻肢，從而提高結構的抗扭剛度，控制結構的周期比與位移。在具體的結構設計過程中，當結構計算已能滿足規范要求的位移限值時應盡可能少布剪力墻，但可以在不增加剪力墻總量的基礎上適當多布置些相對長一點的剪力墻，以減少暗柱數量、節約鋼筋用量[2]。

實例1號樓單體所布置的剪力墻肢以多均勻的相對長一些的墻肢為主，長度在2.5至4.5m左右，這類小于8m的墻肢受力后，裂縫較小，墻肢配筋亦能充分發揮作用。單體所布墻肢以帶冀緣的L型、T型為主，這些墻肢對提高延性，保證墻肢的穩定性及改善截面的抗剪性能均有好處。另構件剛度與墻肢長度的三次方正比，而與厚度的一次方成正比，故當減薄墻肢截面的厚度，從而減輕建筑的總重量時，其結果并不嚴重削弱結構的整體剛度。為此，剪力墻厚度的確定，應在滿足規范對墻肢厚度穩定性的要求后可設計的相對薄一些，實例1號樓單體剪力墻在8層樓面以下為240厚，8層樓面以上在平面的中間部位有一部分墻肢內收為200厚，并墻肢厚度的變化與混凝土強度的改變錯開樓層，以避免剛度突變。另剪力墻的布置均遵循概念設計的要求，做到上到頂、下至底，豎向剛度連續漸變。剪力墻結構的每一段墻，可以是單片墻、整體小開口墻及聯肢墻，單體以聯肢墻為多，且其豎向高度與其水平長度之比均大于3，細高的剪力墻容易設計成彎曲的延性墻 從而可避免脆性的剪切破壞[4]。結構工程師在具體布置墻肢時，應兼顧到連梁的設計，并應仔細考慮連梁與墻肢的協調工作及相互影響，連梁的設計與墻肢布置的多少及與之相連墻肢剛度的強弱等因素有關，通常剪力墻結構的連梁剛度以設計的相對弱一些為好，以使其對墻肢的約束能力降低，相應減小了連梁的彎矩及剪力，這樣一方面可方便配筋，另一方面亦增加了連梁的延性[3]。概念設計要求，剪力墻結構應保證不發生剪切脆性破壞，即墻肢及連梁的設計需滿足“強剪弱彎”的設計原則，同時為滿足“強墻肢弱連梁“的要求，應使連梁的屈服早于墻肢的屈服，但對于采用傳統配筋方式的連梁，不但要做到連梁先屈服，還要限制截面上的平均剪應力，和提高配箍數量，這樣連梁的延性才能夠得到保證，同樣結構中的墻肢延性也須通過采取抗震措施得到保證，并最終設計出抗震性能良好的延性剪力墻結構。

實例1號樓單體連梁大多取470高，梁頂做至樓板面，連梁的跨高比基本控制在2.5至5.0之間，一般跨高比大于2.5的連梁，其變形能力強，相對容易形成延性構件，當跨高比接近5時，其剪切變形占連梁相對位移的比例較小，連梁相對位移則基本上以彎曲變形為主。另在按彈性方法對結構作整體內力分析時，按規范要求可對連梁的剛度進行折減，減小其內力，使其抗彎承載力降低。設計時按經內力調整后的彎矩進行配筋，控制連梁抗彎鋼筋屈服較早出現塑性鉸，這樣就可以做到利用連梁變形消耗地震能量，從而使墻肢退居到第二道抗震防線的位置，避免因墻肢過早屈服使塑性變形集中在某一層而形成軟弱層或薄弱層。

3 建筑抗震設計

抗震設計包括概念設計、抗震計算設計及抗震措施，其中抗震措施是指除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容，包括抗震構造措施。其本身就是基于概念設計思想的必要舉措。結構工程師應在實際的工程設計中，依據整體的受力特征，在正確的概念設計指導下，運用深入的計算分析，采取必要的抗震措施，使設計出的剪力墻結構具備良好的抗震性能和經濟效益[5]。

我國抗震規范對高層建筑的設計要求是：在正常使用荷載、風荷載及小震作用下（多遇烈度），結構應處于彈性工作狀態，裂縫寬度不能過大；在中等強度地震作用下（設防烈度）結構允許進入彈塑性狀態，此時結構必須保證在非彈性變形的反復作用下，有足夠的承載力、延性及良好吸收地震能量的能力；在強烈地震作用下（罕遇烈度），結構不允許倒塌，要保證結構的穩定。其中抗震計算設計主要是在小震作用下，按反應譜理論計算地震作用，用彈性方法計算內力及位移，并用極限狀態方法設計構件。

抗震計算設計的目的是用定量方法估計地震反應，以保證結構有足夠的剛度和承載能力。在計算過程中，應正確運用設計軟件進行整體性能控制，使其滿足規范所要求的層剛度比、周期比、位移比、剪重比、層間受剪承載力比、剛重比等主要目標參數，其相應目標為控制建筑結構豎向規則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層、控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響、控制結構平面規則性，避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應、控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性、控制豎向不規則性，以免豎向樓層受剪承載力突變，形成薄弱層、控制結構的穩定性，避免結構在風荷載或地震力的作用下整體失穩。

單體1號樓基礎設計采用鉆孔灌注樁。在地勘報告所揭示的90m深度范圍內，土層按成因及其工程特征分為九大層。由于單體基礎結構邊距內圈線地鐵隧道邊最近距離14.2m，故單體樁基的設計除需滿足自身的結構安全外，還需考慮對地鐵隧道產生附加變形的影響。而根據上海市軌道交通管理條例并按上海申通地鐵集團有限公司要求的樁基設計比自身單體的樁基設計要求更高，其具體的要求是：灌注樁的樁徑不低于φ850mm，工程樁深度應達到穩定的第九層，單樁豎向抗壓承載力設計值不超過2700kN，單體最大沉降量小于20mm。施工圖樁基設計時，由于限制了樁徑及樁基的持力層，故按要求采用了樁徑φ850mm，有效樁長66m的鉆孔灌注樁，,其計算的單樁豎向抗壓承載力設計值高于所要求的2700kN。最終通過采用樁底后注漿措施，即不考慮孔底沉渣影響并進行主體結構的沉降計算，得出最大沉降量為11mm。滿足了主體結構的安全及地鐵隧道的保護要求。

4 結語

抗震設計中的概念設計、抗震計算設計、抗震措施是不可分割且互為補充，其中概念設計帶有一定的經驗性，是抗震設計的重要組成部分。本文立足實踐設計得出：（1）總體上合理布置剪力墻所處的位置，確定剪力墻數量、長度及厚度，保證剪力墻結構的剛度均勻及剛度適宜；（2）當結構計算已能滿足規范要求的位移限值時應盡可能少布剪力墻，但可以在不增加剪力墻總量的基礎上適當多布置些相對長一點的剪力墻，以減少暗柱數量、節約鋼筋用量。

參考文獻：

[1]包世華,方鄂華.高層建筑結構設計 [M].北京:清華大學出版社,1985.

[2]王蕾,董西林.高層建筑結構轉換層[A].土木建筑學術文庫(第11卷),2009.

[3]熊煜.建筑結構設計中若干問題分析[J].山西建筑,2009(25).

[4]王杰喜.對高層建筑結構樓板設計的探討[J].四川建材,2009(02).[5]宣偉,朱杰江,施麗娜;高層結構抗震分析的連續化方法[J].工業建筑,2005(S1).