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【摘 要】随着经济的快速发展，房产开发商对于成本收益较为关注，在满足“小震不坏、大震不倒”的基本要求前提下，结构设计的合理与否直接关系到投资成本。本文根据工程案例，对高层住宅结构设计中的选型及设计进行探讨。
【关键词】高层建筑；结构设计
一、工程概况
某建筑项目面积为20.6万平方米，为高层排式住宅，每栋中间设抗震缝断开，底层局部架空，地下室结构主楼范围采用现浇钢筋砼梁板式结构，地下室人防按核６级和核５级设防，按平战转换功能设计平时作为车库；室外顶板采用预应力钢筋砼无梁楼盖。
二、地基基础设计
本工程地基基础设计等级为甲级，建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45ｓ，场地卓越周期为0.42～0.46ｓ，场地地质岩土自上而下分10个岩土层：（1）冲填砂或杂填土－１：层厚约0.8～7.5米；（2）中砂（局部夹有－１淤泥）：层厚约6.4～33.8米；（3）淤泥：层厚1.00～16.9米；（4）粉土或粉砂：层厚0.8～14.3米；（5）中砂部分下卧淤泥质土：层厚0～4.4米；（6）中砂：层厚0.3～22.4米；（7）淤泥质土：层厚0.7～5.7米；（8）卵石：揭露层厚0.8～9.7米，分布于整个场地；（9）中砂：层厚4.3～12.9米；（10）残积粘性土：层厚1.1～4.4米；（11）强风化花岗岩：揭露层厚0.70～11.00米；（12）中风化花岗岩：揭露层厚0.50～2.30米。
根据地质资料，基础采用施工进度快、造价较低的PHC管桩，桩长约28～31米，桩端持力层均选用 （8）卵石层，按常规方法主楼下布置PHC500－125AB管桩，单桩竖向承载力特征值为2450KN；单层地下室大部分采用PHC400－95AB管桩及部分PHC500－100AB管桩，单桩竖向承载力特征值为1600KN及2200KN。参照该小区已建好的别墅区的桩基沉降结果，通过沉降计算调整主楼与单层地下室沉降差。设计中采用设置多条后浇带、加强带及控制封带时间作为控制沉降差异的措施。由于联体地下室只有一层地下室，上层没有建筑物，结构自重不满足抗浮要求，故单层地下室部分PHC管桩兼作为抗拔桩；工程中单桩抗拔承载力以桩身所受的拉力抵消PHC管桩预压应力为原则来设计，同时为了保证PHC管桩的抗拔承载力，加强PHC抗拔桩的节点及构造。
三、超长地下室结构设计
（1）裂缝控制措施
本工程地下室结构长约372米，宽约94米，室外部分为道路及花园，顶板覆土厚度0.8米，整个地下室不设永久缝。超长结构尤其是地下室顶板，需考虑温度、收缩产生的应力。混凝土收缩是一种随时间而增长的变形，初期发展较快，三个月完成80％，一般两年后趋于稳定。环境的温度变化也在结构中产生温度应力，结构在后浇带、加强带闭合前可认为各分块自由变形，因此不考虑闭合前各单元的温度应力。目前采用的主要措施：①采用低收缩高防裂混凝土，控制混凝土入模塌落度及入模温度，注重混凝土养护措施及拆模时间；②采用后浇带分段施工，以减小施工阶段温度差和混凝土收缩产生的拉应力，但剩余的混凝土收缩的温差仍会在结构构件中产生一定的拉应力，会使结构构件产生裂缝；③添加外加膨胀剂，是控制温度收缩裂缝的常规作法，但效果受膨胀剂质量及施工和管理水平等因素的影响难以保证；④掺加抗拉纤维，虽然有效但造价较高；⑤采用预应力技术，是抵抗混凝土温度应力和收缩应力的较成熟且有效措施，在众多超长工程实践证明是抵抗混凝土温度变形及裂缝有效措施之一。本工程设计中采用设置多条后浇带、加强带，室外顶板采用施加无粘结预应力和掺加膨胀剂相结合方法来综合解决这个问题。
（2）无梁楼盖板的设计
①设计参数
单层地下室采用无粘结预应力板柱体系，顶板厚度300mm，混凝土强度等级为C30。有效地降低梁板高度从而减低层高，有明显的综合经济效益。无粘结预应力钢筋砼无梁楼盖预应力筋采用1860级高强低松弛无粘结预应力钢绞线，规格为 15.2， com=0.70，fptk=1302N/mm2，k=0.004， =0.09，fpy=1320N/mm2。普通钢筋采用HRB400，fy=360N/ mm2。预应力筋按正反四段抛物线布置，其反弯点设在0.11处。
②设计原则
综合考虑在无粘结预应力板柱结构施工受力全过程的各种荷载作用情况，取各阶段最不利的工况进行组合：（1）正常使用工况：均布5.0KN／ｍ2，主要考虑人流和普通汽车以及绿化荷载，此组合用于验算正常使用极限状态的裂缝、挠度；（2）特殊情况工况：均布16.0KN／ｍ2，主要考虑消防车作用，此组合用于计算承载能力极限状态的抗弯、抗剪、冲切验算；（3）施工阶段工况：覆土及面层荷载作用前，结构自重荷载较小，预应力张拉施工后会产生不利的反拱，设计中应考虑该阶段工况的承载能力和挠度裂缝验算；（4）由温度变化及收缩产生的次拉应力，会增加结构的最大拉应力，应予以充分考虑。
③设计方法
板柱结构总体计算采用ＰＫＰＭ系列软件中的ＳＡＴＷＥ软件进行整体分析，本项目中考虑将柱之间的暗梁体系按虚梁考虑，平板选用弹性板单元，参与整体刚度计算，按总刚分析方法，使模型更真实地反应实际情况，柱子的配筋可直接计算得出，但主楼范围内的地下室框架柱配筋，仍需按考虑地震及风力的模型计算；并且在荷载输入时，不存在双向框架梁叠加区域的折减，可直接输入板的实际荷载，简化了输入过程。
顶板结构裂缝控制要求，按《无粘结预应力混凝土结构技术规程》（JGJ92—2004）表4．1．2：（1）标准组合下混凝土拉应力限值 ctk，lim≤1.0ftk；（2）准永久组合下混凝土拉应力限值 ctq，lim≤0.4ftk（板底）和≤0.2ftk（板面）。
④预应力筋配置估算
根据结构根据结构类型和正截面裂缝控制验算要求，无粘结预应力筋有效预加力值Ｎｐｅ，可按下列两个公式进行估算，并取其计算结果的较大值：
经计算柱上板带配筋为 15.2＠200，跨中板带预应力筋选为柱上板带的一半为 15.2＠400。预应力配筋经核算各阶段的抗裂均满足 ≤ ≤ 要求；各阶段的抗弯承载力满足要求；挠度、抗冲切验算均符合要求。
四、结构体系与结构分析
本工程主楼为高层住宅，均采用现浇钢筋砼剪力墙结构体系，利用分户墙、楼电梯间墙及卫生间隔墙设置剪力墙，有利于户内空间灵活使用。剪力墙全部落地，剪力墙抗震等级均为二级。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制，根据建筑户型及总平的要求，本工程主体结构的进深18.4m，高宽比为5.5，在规范的推荐值6范围内。
本工程主体结构高度99.9ｍ＜100ｍ，采用多高层建筑结构三维分析与设计软件ＳＡＴＷＥ进行结构整体分析，计算中考虑水平地震作用和风荷载最不利情况，考虑偶然偏心及双向地震扭转效应，整体计算结果（以13＃楼为例）见表1～2。
从计算结果可以看出，结构平振第一自振周期Ｔ１在2.06～2.6之间，Ｔ1＝0.074～0.085ｎ（ｎ为计算层数），结构抗侧力刚度较为适宜。结构的主振型以平动为主。
结构第三周期Ｔ3为扭转阵型，且Ｔ3／Ｔ1分别为0.70／0.75，小于《高规》0.9的限值，说明本工程结构抗侧力构件平面布置较为合理。
五、结束语
目前类似住宅工程较多，随着人民生活水平的提供，对建筑要求也不尽相同。通过本工程高层结构及无粘结无梁楼盖的应用，满足了业主的对使用空间、建筑外观等要求，是当前高层建筑较为适用的形式，其应用前景甚为广阔。本工程已施工完成，顺利交给个业主使用，结构状况良好，希望通过本文的阐述分析对类似工程有一定的借鉴。
参考文献：
[1]JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程
[2]GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范
[3]徐培福主編. 复杂高层建筑结构设计 中国建筑工业出版社，2005
[4]王亚勇等. 建筑抗震设计规范算例 中国建筑工业出版社，2006
【关键词】高层建筑；结构设计
一、工程概况
某建筑项目面积为20.6万平方米，为高层排式住宅，每栋中间设抗震缝断开，底层局部架空，地下室结构主楼范围采用现浇钢筋砼梁板式结构，地下室人防按核６级和核５级设防，按平战转换功能设计平时作为车库；室外顶板采用预应力钢筋砼无梁楼盖。
二、地基基础设计
本工程地基基础设计等级为甲级，建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45ｓ，场地卓越周期为0.42～0.46ｓ，场地地质岩土自上而下分10个岩土层：（1）冲填砂或杂填土－１：层厚约0.8～7.5米；（2）中砂（局部夹有－１淤泥）：层厚约6.4～33.8米；（3）淤泥：层厚1.00～16.9米；（4）粉土或粉砂：层厚0.8～14.3米；（5）中砂部分下卧淤泥质土：层厚0～4.4米；（6）中砂：层厚0.3～22.4米；（7）淤泥质土：层厚0.7～5.7米；（8）卵石：揭露层厚0.8～9.7米，分布于整个场地；（9）中砂：层厚4.3～12.9米；（10）残积粘性土：层厚1.1～4.4米；（11）强风化花岗岩：揭露层厚0.70～11.00米；（12）中风化花岗岩：揭露层厚0.50～2.30米。
根据地质资料，基础采用施工进度快、造价较低的PHC管桩，桩长约28～31米，桩端持力层均选用 （8）卵石层，按常规方法主楼下布置PHC500－125AB管桩，单桩竖向承载力特征值为2450KN；单层地下室大部分采用PHC400－95AB管桩及部分PHC500－100AB管桩，单桩竖向承载力特征值为1600KN及2200KN。参照该小区已建好的别墅区的桩基沉降结果，通过沉降计算调整主楼与单层地下室沉降差。设计中采用设置多条后浇带、加强带及控制封带时间作为控制沉降差异的措施。由于联体地下室只有一层地下室，上层没有建筑物，结构自重不满足抗浮要求，故单层地下室部分PHC管桩兼作为抗拔桩；工程中单桩抗拔承载力以桩身所受的拉力抵消PHC管桩预压应力为原则来设计，同时为了保证PHC管桩的抗拔承载力，加强PHC抗拔桩的节点及构造。
三、超长地下室结构设计
（1）裂缝控制措施
本工程地下室结构长约372米，宽约94米，室外部分为道路及花园，顶板覆土厚度0.8米，整个地下室不设永久缝。超长结构尤其是地下室顶板，需考虑温度、收缩产生的应力。混凝土收缩是一种随时间而增长的变形，初期发展较快，三个月完成80％，一般两年后趋于稳定。环境的温度变化也在结构中产生温度应力，结构在后浇带、加强带闭合前可认为各分块自由变形，因此不考虑闭合前各单元的温度应力。目前采用的主要措施：①采用低收缩高防裂混凝土，控制混凝土入模塌落度及入模温度，注重混凝土养护措施及拆模时间；②采用后浇带分段施工，以减小施工阶段温度差和混凝土收缩产生的拉应力，但剩余的混凝土收缩的温差仍会在结构构件中产生一定的拉应力，会使结构构件产生裂缝；③添加外加膨胀剂，是控制温度收缩裂缝的常规作法，但效果受膨胀剂质量及施工和管理水平等因素的影响难以保证；④掺加抗拉纤维，虽然有效但造价较高；⑤采用预应力技术，是抵抗混凝土温度应力和收缩应力的较成熟且有效措施，在众多超长工程实践证明是抵抗混凝土温度变形及裂缝有效措施之一。本工程设计中采用设置多条后浇带、加强带，室外顶板采用施加无粘结预应力和掺加膨胀剂相结合方法来综合解决这个问题。
（2）无梁楼盖板的设计
①设计参数
单层地下室采用无粘结预应力板柱体系，顶板厚度300mm，混凝土强度等级为C30。有效地降低梁板高度从而减低层高，有明显的综合经济效益。无粘结预应力钢筋砼无梁楼盖预应力筋采用1860级高强低松弛无粘结预应力钢绞线，规格为 15.2， com=0.70，fptk=1302N/mm2，k=0.004， =0.09，fpy=1320N/mm2。普通钢筋采用HRB400，fy=360N/ mm2。预应力筋按正反四段抛物线布置，其反弯点设在0.11处。
②设计原则
综合考虑在无粘结预应力板柱结构施工受力全过程的各种荷载作用情况，取各阶段最不利的工况进行组合：（1）正常使用工况：均布5.0KN／ｍ2，主要考虑人流和普通汽车以及绿化荷载，此组合用于验算正常使用极限状态的裂缝、挠度；（2）特殊情况工况：均布16.0KN／ｍ2，主要考虑消防车作用，此组合用于计算承载能力极限状态的抗弯、抗剪、冲切验算；（3）施工阶段工况：覆土及面层荷载作用前，结构自重荷载较小，预应力张拉施工后会产生不利的反拱，设计中应考虑该阶段工况的承载能力和挠度裂缝验算；（4）由温度变化及收缩产生的次拉应力，会增加结构的最大拉应力，应予以充分考虑。
③设计方法
板柱结构总体计算采用ＰＫＰＭ系列软件中的ＳＡＴＷＥ软件进行整体分析，本项目中考虑将柱之间的暗梁体系按虚梁考虑，平板选用弹性板单元，参与整体刚度计算，按总刚分析方法，使模型更真实地反应实际情况，柱子的配筋可直接计算得出，但主楼范围内的地下室框架柱配筋，仍需按考虑地震及风力的模型计算；并且在荷载输入时，不存在双向框架梁叠加区域的折减，可直接输入板的实际荷载，简化了输入过程。
顶板结构裂缝控制要求，按《无粘结预应力混凝土结构技术规程》（JGJ92—2004）表4．1．2：（1）标准组合下混凝土拉应力限值 ctk，lim≤1.0ftk；（2）准永久组合下混凝土拉应力限值 ctq，lim≤0.4ftk（板底）和≤0.2ftk（板面）。
④预应力筋配置估算
根据结构根据结构类型和正截面裂缝控制验算要求，无粘结预应力筋有效预加力值Ｎｐｅ，可按下列两个公式进行估算，并取其计算结果的较大值：
经计算柱上板带配筋为 15.2＠200，跨中板带预应力筋选为柱上板带的一半为 15.2＠400。预应力配筋经核算各阶段的抗裂均满足 ≤ ≤ 要求；各阶段的抗弯承载力满足要求；挠度、抗冲切验算均符合要求。
四、结构体系与结构分析
本工程主楼为高层住宅，均采用现浇钢筋砼剪力墙结构体系，利用分户墙、楼电梯间墙及卫生间隔墙设置剪力墙，有利于户内空间灵活使用。剪力墙全部落地，剪力墙抗震等级均为二级。高层建筑的高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制，根据建筑户型及总平的要求，本工程主体结构的进深18.4m，高宽比为5.5，在规范的推荐值6范围内。
本工程主体结构高度99.9ｍ＜100ｍ，采用多高层建筑结构三维分析与设计软件ＳＡＴＷＥ进行结构整体分析，计算中考虑水平地震作用和风荷载最不利情况，考虑偶然偏心及双向地震扭转效应，整体计算结果（以13＃楼为例）见表1～2。
从计算结果可以看出，结构平振第一自振周期Ｔ１在2.06～2.6之间，Ｔ1＝0.074～0.085ｎ（ｎ为计算层数），结构抗侧力刚度较为适宜。结构的主振型以平动为主。
结构第三周期Ｔ3为扭转阵型，且Ｔ3／Ｔ1分别为0.70／0.75，小于《高规》0.9的限值，说明本工程结构抗侧力构件平面布置较为合理。
五、结束语
目前类似住宅工程较多，随着人民生活水平的提供，对建筑要求也不尽相同。通过本工程高层结构及无粘结无梁楼盖的应用，满足了业主的对使用空间、建筑外观等要求，是当前高层建筑较为适用的形式，其应用前景甚为广阔。本工程已施工完成，顺利交给个业主使用，结构状况良好，希望通过本文的阐述分析对类似工程有一定的借鉴。
参考文献：
[1]JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程
[2]GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范
[3]徐培福主編. 复杂高层建筑结构设计 中国建筑工业出版社，2005
[4]王亚勇等. 建筑抗震设计规范算例 中国建筑工业出版社，2006