超限高层住宅结构优化设计

[摘要]通过减轻上部结构自重，缩短墙肢，优化结构内力等措施进行结构优化设计，获得了很好的经济效益，结构优化后的节约混凝土成本1592万元，节约钢筋成本914万元。并使结构的刚度变化更为合理，提高了可靠度水平，为建筑开洞和平面划分等提供了便利。

　　[关键词]超限高层建筑;结构优化设计;

　　一 工程概况 

　　某带转换层的超高层住宅，结构总高度1.90米，共52层，采用部分框支剪力墙结构体系，超过规范B类建筑限值的120米。标准层层高伟3米，平面尺寸为27.95×33.20，整体的高宽比为1.90/27.95=5.90。下部裙房由抗震缝分开，使住宅塔楼与沿街商铺分为的结构单元。

图1 标准层平面图

　　二 对原设计结构设计的优化意见 

　　1.调整竖向构件的截面，使竖向刚度变化和顺

　　原设计结构平面布置较为均匀、东西对称，对于竖向荷载的传递是合理的。但是，对于超高层结构，由于水平风荷载和地震作用起控制作用，结构布置仅满足平面的均匀对称是不够的，从竖向来看，原设计上部结构刚度偏大，不利于抗震，采取的优化措施是：

　　(1)将核心筒内的墙体减薄。芯筒的内墙对抗侧刚度贡献较小，主要承受竖向荷载。原设计芯筒内墙厚度为200、250、300不等，优化设计全部改为200mm。

　　(2)减少和缩短剪力墙。上部结构过多的剪力墙不仅使得结构刚度突变太大，重量增大，而且给转换层结构布置造成影响，并使建筑设计受到较大的。优化设计将剪力墙长度一般控制在大于8倍墙厚而小于8m，将小墙肢视作剪力墙的翼缘处理，尽量避免小墙肢和异型柱及长剪力墙等不利于抗震的情况，剪力墙的平均轴压比控制在0.6左右，对于极少量较短墙肢，适当加强抗震构造措施，使之具有较好的延性。

　　经调整后，竖向刚度变化趋于和顺合理。按《高规》附录E E.0.1条计算转换层上、下结构侧向层刚度比为0.6366(X向)，0.6588(Y向)：当转换层设置在1、2层时，可近似采用转换层与其相邻上层结构的等效剪切刚度比γe1表示上、下层结构刚度的变化，γe1宜接近1，抗震设计时γe1不应小于0.5。上述结果表明转换层上、下结构侧向刚度无明显刚度突变。

图2 地震作用下扭转位移比

　　2.转换层结构优化

　　由于设备管廊设置在转换层，因此对转换梁的尺寸进行控制，具体的优化措施是：1)梁高控制在2.5m以内。2)梁宽控制在1.4m左右，不超过1.8m，为有利于抗扭，上部剪力墙墙肢尽量支撑在宽梁上。3)设备管廊底板板厚设置为150mm，有利于转换梁抗扭。

　　钢管混凝土柱具有承载力大、延性好的优点，但是梁柱节点复杂，施工困难且造价高。优化设计后框支柱采用芯柱混凝土，轴压比可比规范降低0.1，不仅造价相对较低，而且施工进度相对钢管混凝土柱较快。

　　3、优化结构内力

　　根据结构的特殊性，结构设计采用PKPM系列的SATWE和Midas Building两种软件分析计算。电算分析采用三维线弹性模型，整体分析充分保留了结构的基本形式，柱与梁采用三维梁单元，核心筒和剪力墙分别采用通用墙元和等参膜元。为了慎重起见，分析时还采用了ABAQUS软件，选取结构中最不利的转换梁进行中震下的应力分析，模型中剪力墙与转换梁的位置关系按照实际结构中两者的相对关系处理，即充分考虑了剪力墙相对于转换梁的偏心，剪力墙和转换梁耦合为一个大的实体模型。

图3 转换梁模型

　　4、经济效益

　　优化后的结构节约混凝土成本1592万元，节约钢筋成本914万元，带来了巨大的经济效益。(见表1)

　　三 结论 

　　1、结构设计优化不是用降低安全度来换取经济效益，也不仅仅是因为原设计保守而作修改。优化后的设计不仅没有降低原设计的可靠度水平，而是结构趋于合理，使之更为可靠。

　　2、超高层建筑结构设计，应努力减轻上部结构重量，使竖向刚度趋于更加合理，并需充分考虑增加竖向构件的结构延性。

　　3、合理的制图习惯也是结构优化设计的关注点，如配筋应按实际计算配置，不能随意加大等。