一超B 級高度無地下室天然基礎(chǔ)住宅設(shè)計關(guān)鍵點分析

劉齊霞

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司）

0 引言

隨著中國城市化發(fā)展，城市中心區(qū)寸土寸金的土地上建造高容積率的建筑變得勢在必行[1]，超B 級高度住宅也得到推廣利用[2]。本文結(jié)合一超B 級高度住宅設(shè)計工程實例，對該類型結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的關(guān)鍵性問題進行分析。

1 工程概況

本工程由2 棟二梯四戶塔樓組成，共用一個有四層裙房的大底盤，裙樓層建筑功能主要為車庫及設(shè)備用房，如圖1 所示，位于7 度區(qū)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)。四層裙房一側(cè)露出地面，另一側(cè)相鄰已有結(jié)構(gòu)，以變形縫的形式分開。塔樓大底盤以上主體結(jié)構(gòu)高度為148.2m，嵌固端以上164.75m＞150m，屬超B 級高度高層建筑。

圖1 工程立面示意圖

2 風(fēng)荷載取值

本工程周邊環(huán)境如圖2 所示，其中四角星表示工程位置。已有結(jié)構(gòu)平面寬度＞300m，東側(cè)山體平面寬度＞1000m，裙房被已有結(jié)構(gòu)及山體遮蔽。

圖2 工程位置現(xiàn)場圖

對于本工程，風(fēng)荷載有三種取值方法，取值方法一：風(fēng)壓高度從裙房頂板算起，裙房不考慮風(fēng)荷載；取值方法二：風(fēng)壓高度從裙房底板算起，裙房不考慮風(fēng)荷載；取值方法三：風(fēng)壓高度從裙房底板算起，完全不考慮山體和周邊上蓋建筑物的遮擋，裙房考慮風(fēng)荷載。如圖3 所示。

圖3 風(fēng)荷載取值方法示意圖

三種風(fēng)荷載取值方法計算結(jié)果如表1 所示。從表1可得，裙房是否考慮風(fēng)荷載（取值方法二、三），對基底剪力和彎矩的影響程度小，本工程風(fēng)荷載的關(guān)鍵是確定風(fēng)壓高度的起算面。裙房周邊被已有結(jié)構(gòu)及山體遮蔽，完全忽略周邊遮擋的取值方法一過于保守，對項目建筑品質(zhì)和經(jīng)濟性影響大。對于類似項目，可以采取風(fēng)洞試驗，以試驗結(jié)果作為設(shè)計依據(jù)輸入。本工程由于時間原因，采用偏安全的風(fēng)荷載取值方法三進行風(fēng)荷載計算。

表1 不同風(fēng)荷載取值方法對應(yīng)基底剪力和傾覆彎矩

3 裙房樓蓋設(shè)計

本工程裙房典型柱網(wǎng)尺寸為8.1m×8.1m，裙房四層均為停車庫。裙房屋面覆土1.2m，其中裙房首層、二層為機械車庫，裙房三層和四層為普通車庫。

根據(jù)下述參數(shù)，對裙房屋面的經(jīng)濟性進行比較：

⑴材料標(biāo)號：混凝土C35，鋼筋HRB400；

⑵材料單價：混凝土600 元/m3，鋼筋5400 元/t，模板60 元/m2；

⑶荷載：單層停車庫恒2.5kN/m2，活4.0kN/m2；雙層停車庫為恒4.0kN/m2、活8.0kN/m2；樓板自重自動計算；

⑷跨度按8.1m×8.1m 跨柱網(wǎng)布置，取居中的網(wǎng)格進行成本核算；

⑸頂板覆土按1.2m 考慮，附加恒載25kN/m2，活荷載5.0kN/m2；

⑹裙房屋面板板厚度不小于160mm，塔樓內(nèi)不小于150mm，樓板通長筋配筋率不小于0.25%；普通車庫板厚度不小于110mm，機械車庫板厚度不小于120mm，按照最小配筋率要求分離式配筋，跨中板面另加不小于0.1%配筋率的抗伸縮鋼筋網(wǎng)；

⑺經(jīng)濟性控制要求：板筋配筋率控制在0.6%以下，梁筋典型配筋率控制在0.8%～2.0%范圍。

裙房頂板作為大底盤頂板，框架柱之間須通過框架梁拉結(jié)，對加腋大板、十字梁、雙次梁方案進行經(jīng)濟性對比。對于單層停車庫和雙層停車庫，由于裙房無可靠側(cè)限，不考慮無梁樓蓋；若設(shè)置次梁，單次梁布置通常使框架梁配筋偏大、梁高偏高，井字梁布置模板太多且無法充分發(fā)揮承載力，雙次梁和十字次梁較優(yōu)。建立5×5 跨柱計算模型，具體尺寸如圖4 所示。

圖4 樓蓋結(jié)構(gòu)布置示意圖

不同樓蓋結(jié)構(gòu)方案造價對比結(jié)果如表2，結(jié)果表明：

表2 不同樓蓋結(jié)構(gòu)方案造價對比

⑴對于裙房頂板，加腋大板材料用量較高，雙次梁方案與十字次梁方案相比，除造價較低之外，機電管線可以充分利用次方向節(jié)省的100mm 梁高，因此選用雙次梁方案。

⑵對于單層和雙層停車庫，雙次梁方案在造價和凈高方面均存在優(yōu)勢，因此采用雙次梁方案。

4 結(jié)構(gòu)超限設(shè)計

本工程屬于剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度164.75m＞150m，超B 級高度，高度超限，同時存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、偏心布置、凹凸不規(guī)則和尺寸突變（多塔），按照建質(zhì)[2015]67 號《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項審查技術(shù)要點》的規(guī)定，本工程屬于超B 級高度一般不規(guī)則超限高層結(jié)構(gòu)。針對本工程超限情況，采取了以下計算手段及加強措施：

⑴采用兩個不同的彈性分析程序YJK 軟件與MIDAS 軟件進行分析對比，互相校核結(jié)果，相差不超過10%，表明結(jié)構(gòu)整體計算指標(biāo)準(zhǔn)確可靠；

⑵采用彈性時程分析法進行多遇地震下補充計算，輸入兩組人工波和五組天然波，結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)取多組時程曲線的平均值與振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的較大值；

⑶對結(jié)構(gòu)進行抗震性能設(shè)計，根據(jù)抗震中不同構(gòu)件的重要性及其作用，將構(gòu)件分為關(guān)鍵構(gòu)件、普通構(gòu)件和耗能構(gòu)件，采用YJK 軟件按C 級性能目標(biāo)進行中震、大震作用下的性能分析，并根據(jù)計算結(jié)果采取相應(yīng)的加強措施；

⑷罕遇地震作用下，采用PKPM-SAUSAG 進行動力彈塑性分析，結(jié)構(gòu)層間位移角最大值為1/195，滿足規(guī)范1/150 限值，結(jié)構(gòu)整體剛度的退化沒有導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，滿足“大震不倒”設(shè)防要求。大部分連梁和部分框架梁屈服，部分達到重度或嚴(yán)重?fù)p壞，對降低豎向構(gòu)件的損傷起到重要作用；部分剪力墻混凝土出現(xiàn)輕微至輕度損傷，滿足性能水準(zhǔn)要求。因此，結(jié)構(gòu)整體抗震性能良好，與預(yù)期性能目標(biāo)吻合。

5 基礎(chǔ)設(shè)計

本工程無地下室，持力層為中微風(fēng)化巖，塔樓下采用筏板天然基礎(chǔ)，純?nèi)狗坎课徊捎弥陋毩⒒A(chǔ)+防水板。室外地坪算至基礎(chǔ)底面基礎(chǔ)埋置深度為2.1m，小于規(guī)范要求的基礎(chǔ)最小埋置深度164.75/18=9.2m，需補充進行結(jié)構(gòu)整體抗傾覆和抗滑移驗算。對于抗傾覆驗算，控制指標(biāo)為高寬比大于4 的高層建筑，基礎(chǔ)底面不宜出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)[3]，并且抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)Kr 不小于1.5[4]，對于樁筏基礎(chǔ)應(yīng)保證樁不應(yīng)出現(xiàn)拉力。對于抗滑移驗算，控制指標(biāo)則為抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks不小于1.3[4]。

水平荷載分別為50 年風(fēng)荷載和中震作用。其中抗傾覆驗算時采用荷載組合：50 年風(fēng)荷載組合為1.00(恒載)±1.50（X 風(fēng)）/1.40（Y 風(fēng)），中震組合為1.0（恒載)±1.00（X 地震）/1.00（Y 地震）；對于抗滑移驗算，荷載分別取50 年風(fēng)荷載和中震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力，計算示意如圖5。

圖5 抗傾覆、抗滑移示意圖

結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算如表3。通過YJK 基礎(chǔ)模塊，分別計算50 年風(fēng)荷載和中震四種工況（+X、-X、+Y、-Y）下零應(yīng)力區(qū)復(fù)核，結(jié)構(gòu)表明筏板下均為壓力，無零應(yīng)力區(qū)。

表3 結(jié)構(gòu)整體抗傾覆驗算結(jié)果

對于結(jié)構(gòu)抗滑移驗算，偏安全簡化計算，假定基底剪力全部由塔樓下筏板底的摩擦力承擔(dān)，不考慮筏板周邊巖石嵌固作用提供的水平力。塔樓下2m 厚的筏板持力層為中/微風(fēng)化巖，上部結(jié)構(gòu)恒載重量106798t，表面粗糙的硬質(zhì)巖摩擦系數(shù)μ 取值范圍為0.65～0.75[5]，偏安全起見，假定滑動摩擦系數(shù)為0.1，則可以提供的抗滑移摩擦力為106798kN?？够颇Σ亮?50 年風(fēng)荷載基底剪力14849kN=7.2＞1.3，抗滑移摩擦力/中震基底剪力30772kN=3.5＞1.3，滿足整體抗滑移要求。

綜上所得，50 年風(fēng)荷載和中震相應(yīng)荷載組合作用下，筏板底均未出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于1.5，抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于1.3，結(jié)構(gòu)整體抗傾覆和抗滑移滿足要求。

6 結(jié)構(gòu)成本統(tǒng)計

通過YJK 施工圖版塊，抽算結(jié)構(gòu)含鋼量和混凝土含量如表4 所示。其中，上部塔樓中鋼筋含量豎向構(gòu)件：梁：板約為2:2:1，裙房部分計算經(jīng)濟指標(biāo)時，統(tǒng)計天然基礎(chǔ)的用料。

表4 軟件抽算經(jīng)濟指標(biāo)

7 結(jié)論

⑴對無地下室且周邊有遮擋物的高層建筑，風(fēng)壓高度起算面對風(fēng)荷載作用大小影響大，如采用完全忽略周邊遮擋的取值方法過于保守，當(dāng)對項目建筑品質(zhì)和經(jīng)濟性有要求時，可以采取風(fēng)洞試驗，以試驗結(jié)果作為設(shè)計依據(jù)輸入；

⑵對裙房頂板和車庫樓蓋，雙次梁方案兼具經(jīng)濟性和適用性優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)時布置應(yīng)優(yōu)先采用；

⑶針對無地下室的結(jié)構(gòu)，應(yīng)分別對風(fēng)荷載和中震作用下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆和抗滑移進行驗算，抗傾覆穩(wěn)定性驗算指標(biāo)包括零應(yīng)力區(qū)面積和抗傾覆安全系數(shù)，抗滑移穩(wěn)定性指標(biāo)為抗滑移安全系數(shù)。