马莲道面粉五厂住宅小区住宅楼结构设计及一些相关问题的思考

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　　马莲道面粉五厂住宅楼，建筑面积64032.62M2，总高度80m,地下室大底盘，地面以上设缝分开，包括三座高层塔楼和一座裙楼，主体结构体系为现浇剪力墙结构，裙楼为现浇框架结构。主楼和裙楼均采用阀板基础，连接在一起，施工期间设沉降后浇带，基础以下天然地基。主楼和裙楼基础进行协同工作计算。由于一些因素的存在，目前情况下，高层筏基设计存在较高的安全储备。上部主体结构设计，分成完全独立的四个单体分别进行计算， SATWE 计算结果表明，剪力墙边缘构件纵向钢筋、墙体水平分布筋，计算配筋是少数，大多数为构造配筋。边缘构件的箍筋和拉筋、墙体竖向分布筋按规范构造要求进行配置。相对于计算配筋值，过分加大底部加强区约束边缘构件纵筋数量及墙体竖向分布筋数量，认为是对结构的加强，这种观念并不准确。在剪力墙连梁设计过程中，采取一些措施，避免出现大量连梁承载能力超限。对于仍有的少数超限连梁，采用连梁剪压比限值反算法，求出连梁的纵筋和箍筋数量。如果简单将超限连梁上下纵筋配足，可能会导致连梁的脆性破坏。现浇楼板结构，按弹性理论进行设计，地下一层顶板及屋面板刚度和强度均作适当加强。由于一些因素的影响，楼板承载力存在较大潜力
　　关键词：大底盘 剪力墙结构 构造配筋 延性要求 安全储备目录
　　绪论
　　本文简单介绍了马莲道面粉五厂住宅小区住宅楼结构设计情况，并提出了一些相关问题进行了分析，按现行《高规》要求，力争做到结构设计安全、经济、合理。设计过程和一些结论可供同类钢筋混凝土高层建筑借鉴和参考
　　一、工程概况
　　马莲道面粉五厂住宅小区，位于北京市宣武区羊房店路与南马莲道路的交叉口上，占地15475.43M2 ，总建筑面积93776.82 M2 ，包括住宅楼、办公楼和地下车库等建筑。其中的住宅楼部分，建筑面积64032.62 M2 ，地下室大底盘，共有三层，地面以上设缝分开，由1号~3号塔楼均27层和一座1层4号裙房组成，详参见建筑平面图附图1~附图3。按使用功能划分，地下三层为仓库、设备用房，层高3.6m，地下二层为人防层，层高3.6m，地下一层为自行车库，层高3.9m，首层为商场，层高4.8m，2~27层为住宅，层高2.8m。建筑总高度80m，详参见建筑剖面图附图4。
　　本工程抗震设防烈度8度，丙类建筑，场地类别Ⅱ类，中硬场地土，1~3号楼结构体系为现浇混凝土剪力墙结构，剪力墙抗震等级一级，4号楼为现浇混凝土框架结构，框架抗震等级二级。
　　二、基础设计
　　1、基础选型
　　根据北京中非勘察设计院提供的《岩土工程勘察报告》，场地内自上而下土层依次为⑴杂填土，层厚1.6m~3.2m，⑵粘土层，层厚0.3~1.4m，⑶卵石层，未揭穿，最大揭穿厚度41.8m，建筑场地内无不良地质现象，勘察期间地下水位埋深20~21m。本工程地下室三层，基础埋置深度达12m以上，很显然，在此标高处地基持力层为⑶层卵石层，地质报告提供修正后的地质承载力特征值fak为400Kpa，完全能够满足上部结构设计的要求，因此考虑采用天然地基方案。由于地质情况良好，主楼和裙楼虽然存在较大的荷载差异，但差异沉降不大，因此主楼和裙楼采用一个底板，设沉降后浇带，用以消除施工期间主楼和裙楼间的差异沉降，后浇带位置在主楼底板四周裙楼基础第一跨内。主楼基础采用平板式筏基，筏板厚1200mm，裙楼基础采用梁板式筏基，基础梁截面400x1100,筏板厚400mm。
　　2、基础计算
　　采用PKPM系列中《基础工程计算机辅助设计软件》JCCAD对基础进行分析并进行设计。根据有关资料，分沉降后浇带在浇筑前与浇筑后二个阶段进行计算[1]，后浇带浇筑前，主楼基础单独承受主楼荷载，此时主楼的全部结构自重与部分活荷载已加载完成，对于卵石层，主楼的最终沉降量可以认为完成大约80%以上，因此取主楼荷载的80%进行计算；后浇带浇筑后，基础连接在一起，荷载取主楼荷载的20%和全部裙楼荷载进行计算。对于裙楼基础，取第二阶段计算的结果进行设计，如果采用裙楼基础单独承受全部裙楼荷载进行计算，裙楼基础内力计算偏小；对于主楼基础，可取两次计算内力叠加进行设计，本工程为了简化设计过程及提高主楼基础的安全储备，在第一阶段计算时，取主楼基础承受全部主楼荷载进行计算，并只取这次计算的结果进行设计。
　　3、基础配筋
　　主楼筏基配筋，上排双向Φ22@150, 下排通筋双向Φ25@300,支座附加筋Φ25@300, 配筋率分别为0.21%、0.27%(支座处)。裙楼基础配筋，基础梁主筋型号Φ25，配筋率0.45%~0.68%之间，基础筏板配筋，上排双向Φ16@150, 下排通筋双向Φ18@300, 支座附加筋Φ18@300, 配筋率分别为0.33%、0.42%(支座处)。
　　4、一点看法
　　现在的一些资料表明，目前国内工程实际中，许多高层基础底板钢筋实际受力，都远远小于实配钢筋的强度设计值[2]，某些工程中实测到的钢筋应力，仅为其屈服强度值的1/4 ~1/10[3]，基础内钢筋承载能力远远没有发挥出来。事实上，对于本工程主楼基础来说，基础底板厚度很大，受力复杂，有向下的重力，向上的反力，还有四周土或水形成的水平挤压力，从底板的应力状态看，基础底板不是简单的受弯构件，而是剪应力影响很大的弯剪构件，特别是墙下基础底板还有单向或多向的反拱效应[3]，极大的降低了底板跨中和支座的内力，而现阶段的地基基础计算模型、地基与上部结构相互作用的模拟等与实际存在的情况有很大的差距，造成了实际受力远小于理论计算的结果。对于裙楼基础来说，筏板如前所述，同样存在反拱效应和水平挤压力。地基梁由于宽度小于柱子边长，在柱周围加腋，如附图5，加腋综合效果显著，一方面增加了基础梁刚域，使基础梁计算跨度减少，从而使基础梁内力减少，另一方面由于刚域的存在，使基础梁成为深受弯构件，形成反拱效应，拱脚就是刚域，弯剪应力被拱的压力抵消了一部分，减小了地基梁内力。由此可见，实际上裙楼地基梁和上述阀形底板一样，同样也具有较大的安全储备。
　　三、主体结构设计
　　1、结构整体计算
　　采用中国建筑科学院编制的《多高层结构空间有限元分析与设计软件》SATWE对结构进行整体分析计算。本工程三层地下室，通过楼板连接成为一个大底盘，上部几个塔楼的水平地震力，通过地下室的楼板进行传递，直至周围土中，对于上部各塔楼在地面以下各个方向的嵌固比较有利，故在结构整体计算时，将整个结构分成完全独立的四个单体分别进行计算，不仅能大大提高结构整体计算的速度，而且计算结果与按实际模型计算差别不大。四个单体主要计算结果表1~表3所示：
　　表1
　　
　　
　　计算结果表明：
　　⑴ 1 ~3号塔楼第一振型的自振周期与场地特征周期相差较大，可以确认该结构与场地土无共振危险，说明结构整体布置合理。
　　 ⑵ 各个塔楼X、Y方向刚度基本接近。
　　 ⑶ 1 ~3号塔楼以扭转为主的自振周期T3与以平动为主的第一自振周期T1 之比，均小于0.9的限值，说明结构抗侧力构件平面布局合理。
　　 ⑷ 1、3号塔楼结构构件最大水平位移与楼层平均位移之比在1.17~1.46之间，小于1.5，说明结构扭转效应明显，但在合理范围之内。
　　⑸ 各个塔楼剪重比适中，受力状态比较理想。

　　2、高层塔楼剪力墙设计
　　⑴剪力墙布置
　　①根据建筑平面的布置，将一些不重要的墙肢设置成非承重的隔墙，使剪力墙间距保持在4~6m之间，②剪力墙沿两个正交的主轴方向布置，且使两个方向的剪力墙的数量尽可能的接近，③墙肢较长的剪力墙开设结构洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，保证各剪力墙设计成为弯曲破坏的延性剪力墙，防止墙体刚度过大，地震反应过大，发生脆性的剪切破坏。
　　⑵边缘构件
　　剪力墙结构设边缘构件，有横向钢筋的约束，可改善混凝土受压性能，增大延性，增大剪力墙耗能能力，提高极限承载力，且增加墙体稳定性。边缘构件的箍筋或拉筋配置由《高规》 [4]第7.2.16条和第7.2.17条规定的构造要求决定,本工程的约束边缘构件和构造边缘构件的配箍基本情况表4~表5所示：
　　表4地下一层~5层约束边缘构件配箍(砼C40)
　　
　　
　　边缘构件的纵向钢筋由剪力墙偏心受压、偏心受拉承载力计算决定，且不小于高规第7.2.16条和第7.2.17条规定的最小构造要求，根据本工程SATWE计算的结果，边缘构件纵筋大多数为构造配筋，计算配筋是少数，基本的配筋情况如下表：
　　
　　表6
　　
　　
　　按照抗震设防的要求，剪力墙底部加强部位的抗剪承载能力应该大于抗弯承载能力，在罕遇地震作用下，底部加强部位产生较大的塑性变形，吸收大量的地震能量，而此时抗剪承载力仍能满足要求，从而使剪力墙结构具有良好的延性。相对于计算配筋值，大幅度提高墙肢约束边缘构件纵向钢筋以及墙体竖向分布筋数量，将大幅度提高剪力墙正截面抗弯承载力，可能导致剪力墙在产生较大的塑性变形以前，出现抗剪承载力不足，而发生脆性的剪切破坏，达不到剪力墙底部加强区强剪弱弯的理论设计要求，对于剪力墙抗震设防在理论上是不利的。由此可见，认为加大约束边缘构件的纵向配筋，是对结构的加强，增加了结构的安全储备的观念，是不准确的。
　　⑶墙分布筋
　　竖向分布筋按《高规》构造要求配筋率取0.25%；水平分布筋由抗剪计算确定，且满足最小构造要求，根据SATWE计算结果，1~5层剪力墙水平分布筋有部分为计算配筋，多数为构造配筋，6层以上基本上全部为构造配筋。按照斜截面理论，墙体内主拉应力方向应该在水平和竖向之间，其大小由剪力墙纵、横向钢筋共同抵抗。由此可见，实际上剪力墙的竖向分布筋也是有抗剪作用的，由于水平分布筋配筋量大于竖向分布筋，取竖向分布筋与水平分布筋相同。本工程分布筋配置基本情况如下表：
　　表7
　　
　　
　　⑷连梁
　　为防止在结构整体计算中，出现大量连梁抗剪承载力不足的现
　　象，采用以下几种方法进行设计：
　　①对连梁刚度进行折减，折减系数取0.55 ，②增加洞口宽度，③减小连梁高度。经过调整后仍有少数连梁承载力超限，截面尺寸不符合《高规》规定的要求。
　　连梁是剪力墙结构体系中重要的耗能构件，当连梁具有足够的延性时，它能通过塑性铰的变形吸收大量地震能量，同时塑性铰仍能继续传递弯矩和剪力，对墙肢起一定约束作用，使墙体仍保持足够的刚度和强度。当连梁延性不足时，一种情况是当剪力墙发生破坏时，连梁不屈服，墙肢首先屈服，此时墙体极限变形较小，吸收地震能量较低；另一种情况是连梁发生脆性的剪切破坏，失去了对墙体的约束作用。
　　由此可见，设计高层建筑剪力墙时，应优先确保连梁的延性要求，如果根据SATWE计算结果，将超限连梁的上下纵筋配足，很有可能会导致连梁剪切破坏的发生，纵筋也不能充分发挥作用。
　　当只有少数连梁承载超限，如果连梁出现屈服并形成塑性铰，会有部分弯矩转移到墙肢，一般情况下，可以认为墙肢的强度应当能够承受这些增加的弯矩，因此，要确保连梁的延性，满足规范规定的强剪弱弯要求，采取以下方法对超限连梁进行钢筋配置：
　　① 由已知连梁截面计算出连梁最大受剪承载力
　　Vb=0.2(0.15)fcbh0/rRE（3-1）
　　② 假定连梁受弯点位于跨中，由连梁最大受剪承载力求出梁端弯矩
　　 M=VbLn/2 (3-2)
　　
　　根据强剪弱弯的要求和剪力墙的抗震等级，将其除以1.3,考虑到竖向荷载同样产生连梁剪力，将其乘0.9
　　③ 根据混凝土结构设计规范，求出连梁纵筋数量，上下对称配置，由公式
　　Vb=[0.42(0.38)Ftbh0+1.0(0.9)fyv.Asv/s.h0]/Rre(3-3)
　　求连梁箍筋。
　　3、楼板设计
　　在钢筋混凝土高层建筑中，混凝土楼盖自重约占结构总自重的50%~60%。楼盖不仅承受楼面荷载，而且能够协调抗侧力构件的水平位移，增强建筑物的整体性，甚至参与水平方向的变形。因此楼板设计对整个建筑的造价和结构都十分重要，应该引起足够的重视。
　　⑴地下一层顶板
　　《抗震规范》第6.1.14条和《高规》第4.5.5条都规定，作为上部结构嵌固部位的地下室楼层，应采用现浇楼盖结构，楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度不宜低于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。地下一层顶板连接地面以上各塔楼，传递水平地震力，起着非常重要的作用，因此采用上述措施，进行设计。
　　⑵屋面板
　　①屋面板不仅受到季节及早晚温差的影响，同时也受到室内外温差的影响，当屋面板的热胀冷缩运动受到阻力和限制时，楼板就受力产生温度裂缝。②在水平力作用下，特别是在地震作用下，突出屋面塔楼的鞭梢效应所产生的地震作用，要通过屋面板传递到各抗侧力构件。③建筑物顶部约束加强，可提高抗风、抗震能力。
　　由于以上几个原因，屋面现浇楼板厚度取150mm，混凝土强度C25，采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不小于0.20%，突出屋面塔楼顶板也采取上述措施。
　　⑶标准层楼板
　　标准层现浇楼板，板厚取跨度的1/35~1/40，且不小于100mm，对不规则楼板适当加厚，根据设备专业要求，楼、电梯周围区域的板，预埋电、暖、空调等管线较多，适当加厚，至160mm，同时也补偿了楼、电梯间对楼层板的较大削弱。采用弹性理论对楼板进行计算并设计，主要钢筋的配筋率在0.35%~0.68%之间，比较接近我国现阶段板的经济配筋率0.3%~0.8%。
　　⑷一点看法
　　本工程现浇楼板采用弹性理论进行计算，《混凝土规范》[6]第5.3.2条规定，承受均布荷载的周边支承双向矩形板，可采用塑性极限方法进行承载能力极限状态设计。经有人分析比较，按塑性理论计算与按弹性理论计算相比，钢筋量能节约20%~30%[7]。
　　现浇混凝土板在达到极限状态时，板的支座处在负弯矩作用下上部开裂，而跨中则由于正弯矩的作用下部开裂，使其跨中和支座之间受压混凝土形成一个拱，如板的四周有限制水平位移的边梁或剪力墙，板的支座不能自由移动时，则板在竖向荷载作用下产生横向推力，其推力由与板周边整体相连的梁或剪力墙承受，这些推力反过来作用于楼板，减少了板中各计算截面的弯矩。通常情况下，按弹性理论计算，这种效应可使各截面计算弯矩减少20%左右[8]。
　　由上述几条可知，按弹性理论对楼板进行设计，楼板的承载能力潜力较大。只需严格按计算结果进行配筋，则楼板的安全程度也是足够的。
　　四、结束语
　　本文按设计过程简要谈了本工程的基本设计情况和对相关一些问题的想法，由于水平有限，缺点和不足在所难免，有考虑不周及不成熟的地方，欢迎各位专家批评指正。
　　注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看

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