【摘要】本文结合新规范，对高层建筑混凝土结构优化设计的几个问题进行探析，供工程技术人员应用时参考。

【关键词】高层建筑；混凝土结构；优化设计

1、高层剪力墙结构的设计与优化

1.1墙体布置数量的优化

剪力墙布置数量尽量减少。实际工程中，有应避免剪力墙结构的刚度过大，设计时控制其基本自震周期0.05n～0.08n（n为结构总层数）较为适宜。

剪力墙的布置数量还可以用层间位移角指标来控制，纯剪力墙结构的层间位移角限值为1/1000，工程设计中要尽量靠近这一数值，如果计算结果相差太多（如接近1/2000），说明剪力墙结构刚度大，剪力墙布置数量太多，应适当减少墙体数量。

1.2减少约束边缘构件数量

根据规范规定，约束边缘构件的配筋范围和配筋率要求都比构造边缘构件高出不少，一般构造边缘构件配筋比约束边缘构件配筋减少40%以上。如果控制剪力墙底层墙肢底截面的轴压比小于《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010表7.2.14的规定值，则在底部加强区的墙体可不设约束边缘构件，而代之以配筋更少的构造边缘构件。可采用提高剪力墙的混凝土强度等级等方法，使墙体轴压比降至规定范围之内，这样以来，约束边缘构件则可由构造边缘构件取代，纵筋也可由计算值控制降为构造控制，此方式经济效益明显。

1.3剪力墙的厚度和配筋的优化

由于剪力墙结构的刚度较大，一般均能满足规范的要求，通常在低烈度区，反应整体刚度的楼层位移角可远小于规范限值要求。同时剪力墙结构刚度大，所承担的地震作用也越大，因此，在满足稳定性和强度要求的前提下，适当减薄剪力墙的厚度，有利于改善剪力墙的抗震性能。如在抗震设防烈度7度区，底部加强部位墙厚200mm，底部加强部位以上160mm，一般均可满足要求。

历次震害中，并未发现现浇剪力墙结构由于墙体少筋而产生破坏。剪力墙如能合理的布置、截面合理取值，其配筋多半不是计算内力控制而是构造配筋，这样其节点区主筋、箍筋以及墙段的水平分布筋的配筋率都可以按规范规定的最小配筋率配置。需要指出的是，抗震墙约束边缘构件中的箍筋配置量也与钢筋的抗拉强度有关，为使其配筋直径不过大、箍筋肢距不过密，配筋量不太高，宜采用高强钢筋。剪力墙钢筋建议采用强度等级HRB400及以上高强度钢筋以降低用钢量。

1.4尽量避免短肢剪力墙

短肢剪力墙是指截面厚度不大于300，并且各肢墙截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙。

由于短肢剪力墙抗震性能较差，且缺乏实际地震考验，在高层住宅结构中不宜布置过多。规范规定，高层建筑不应采用全部为短肢剪力墙的结构，短肢剪力墙必须与一般剪力墙或剪力墙筒体共同使用，以增加抗震防线。新高规JGJ3-2010对短肢剪力墙不再要求提高抗震等级，但降低了轴压比限值（比原规范降0.05）。

采用短肢剪力墙较多的结构，必须采取抗震加强措施，致使用钢量明显加大。JGJ3-2010第7.2.2条规定的短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率远大于7.2.17条规定的普通剪力墙的配筋率。综合考虑，短肢剪力墙配筋率比普通剪力墙配筋率大30%以上。因此，在布置剪力墙时应尽量避免形成短肢剪力墙，墙肢长度应设计的比8倍墙厚稍大50～100mm，没有条件加长时可考虑不设此段墙肢，采用梁连接。

2、框架-剪力墙结构的设计与优化

2.1宜采用带边框的剪力墙

框架剪力墙结构中剪力墙宜采用周边有框架梁和端柱（边框柱）的剪力墙形式。研究表明取消端柱（边框柱）可使剪力墙承载力下降20%～30%。剪力墙取消框架梁以后，其承载力下降约10%。确实无法设置框架梁时，也应设置暗梁代替。暗梁的高度可取墙厚2倍或与框架梁等高，并不宜小于400mm，暗梁的配筋应满足同层框架梁相应抗震等级的最小配筋要求，对于比较重要的高层建筑，其底部加强区及以上一～二层暗梁配筋尚宜同时满足承受本层竖向荷载要求。剪力墙边柱（边框柱）截面宜与同层框架柱相同，并应满足框架柱的构造要求。紧靠剪力墙洞口的端柱（边框柱）和剪力墙底部加强区的端柱（边框柱）宜按柱箍筋加密区的要求沿柱全高加密箍筋。

2.2高烈度区的高层建筑不宜采用纯框架结构，宜优先考虑框架-剪力墙结构

唐山地震震害调查证明，框架-剪力墙结构的抗震能力明显高于框架结构。汶川地震的震害也表明，框架结构的震害较重，即使主体结构未倒塌，其外围护墙及隔断墙等非结构构件破坏严重，容易造成人员伤亡。高烈度区的高层建筑采用纯框架结构，即使结构计算通过（如周期、位移限值等满足），在结构受力上也是不合理、不经济的。这样的结构，梁柱断面大，用钢量大，侧向位移偏大，地震中非结构构件易于破坏。为此，全国民用建筑工程设计技术措施（2009版）-结构（混凝土结构）将《建筑抗震设计规范》GB50011-2010框架结构的适用高度予以降低（50%左右），建议6度区不高于30m，7度区不高于24m，8度区不高于20m（5层）。其适宜高度严于国家规范，可供设计人员参考使用。

2.3抗震设计时，框架-剪力墙结构中的楼梯间，周边宜布置剪力墙，并宜采用现浇钢筋混凝土楼梯

楼梯构件应支撑在剪力墙上。当楼梯周边不能布置剪力墙时，樓梯及周边构件的抗震措施应满足框架结构中楼梯的设计要求。

汶川地震的震害表明，框架结构中的楼梯及周边构件破坏严重，但框架-剪力墙结构的楼梯构件基本保持完好，主要原因是楼梯间周边设置的剪力墙组成了筒体，对楼梯构件起到了很好的保护作用。因此，建议抗震设计时尽可能的在楼梯间周边设置剪力墙。

3、地基基础的设计与优化

下面以我市部分高层建筑基础设计案例进行分析。

我市高层建筑地下室大多为一层，埋深约5.5m，基础持力层一般选择第（2）或（3）层粉质粘土，承载力特征值fak=220～240kPa，压缩模量Es1-2 = 8～10 MPa 。一般20层以下可采用天然地基（不包括与裙房地下室连通的情况），20层以上一般采用CFG复合地基或桩筏基础。

天然地基沉降量计算中，沉降计算经验系数影响较大。下表是我市部分高层建筑计算沉降量（未进行经验系数修正）和实际平均沉降量的数据比较。

根据《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011表5.3.4规定，体形简单的高层建筑基础的平均沉降量限值为200mm。我市高层建筑基础沉降量计算经验系数一般取0.30～0.35左右，20层以下高层建筑实际沉降量一般不超过50mm。

我市部分20层以下的高层建筑，本地设计单位在基础设计时，天然地基承载力经修正后能满足强度要求，计算沉降量时，一般均会考虑沉降量计算经验系数，地下室采用筏板基础。经过10多年实践证明，均未发现高层房屋平均沉降过大、整体倾斜超限等问题。当主楼与裙房地下室连为一体式时，主楼边柱下的地基承载力修正用的基础计算埋深可按裙房等效埋深确定。外地设计单位计算地基沉降量时，由于未考虑沉降量计算经验系数，计算沉降量接近200mm时，往往采用桩筏基础或CFG复合地基处理，增加造价，显得过于保守，有必要进行优化设计。甚至有些外地设计院在本市设计的12层商住楼也采用桩筏基础，明显过于保守，有很大的优化空间。

结语：

高层建筑混凝土结构量大面广，结构设计的选型合理，参数取值准确，可以在满足规范、规程和标准等前提条件下降低结构造价，提高抗震性能，增大使用空间，缩短施工工期，符合节能，环保、绿色的可持续发展观。高层建筑混凝土结构设计要做到技术性和经济性的统一，力求在技术先进的前提下达到经济合理，安全可靠。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范：GB50011-2010 （2016年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]混凝土结构设计规范：GB50010-2010（2015年版）[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

作者简介：

马恩品（1965-8），男，安徽临泉人，毕业于合肥工业大学工业与民用建筑专业，本科，工学学士，高级工程师，主要从事建筑工程结构设计工作。