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高层住宅抗震墙结构优化设计要点分析

发布时间:2020-08-13 09:25:13 点击量:

       高层住宅抗震墙结构优化设计要点分析

  高层住宅抗震墙优点是占地面积较小,基底压力较大,单幢建筑面积可观,因此在保证建筑物安全的前提下,合理的地基处理及抗震墙布置方案能够节约工程造价,避免建设资金浪费,相对于纯地下车库则占地面积较大,基地压力较小,基坑开挖深度较深,土方量及钢筋混凝土用量较大。本文结合实例小区的初步设计进行结构优化设计分析,提出合理的优化方案,节约了大量的建设资金,充分说明结构优化设计的重要性。

  关键词:高层住宅;抗震墙;结构优化;节约资金
 

剪力墙结构


  1、结构优化项目概况

  某住宅小区规划建设用地位于杭州市东南部,基地内大部分用地地势平坦,规划用地范围周边环境优美,交通便利,地理位置十分优越。规划总用地面积约6万多m2,总建筑面积为3万m2,其中地上1.7万m2, 地下2.3万m2,机动车位(地下车位)600多辆。

  本次结构优化设计范围为 ①、②、③ 号高层住宅楼,其中 ①、② 号楼地上18层,地下一层,③ 号楼地上26层,地下一层,住宅楼均为钢筋混凝土抗震墙结构,抗震等级为二级。

  2、自然因素分析

  基本风压:0.40 kN/m2,(高层)

  基本雪压:0.20 kN/m2

  抗震设防类别:丙类建筑

  地震参数地震设防烈度:8度建筑场地类别:II 类抗震分组:第一组

  地下水:地下稳定水位埋深 5.8~7.4m,属潜水类型,对钢筋及混凝土均不具腐蚀性。

  黄土湿陷性:拟建场地属非自重湿陷性黄土场地,仅填土①层和黄土状土②层局部具弱湿陷性。

  地裂缝:由于地裂缝距拟建场地较远,可以不考虑地裂缝对拟建建筑的影响。

  3、结构优化设计要点分析

  本工程已由其他设计院完成初步设计,应业主的邀请,对 ①、②、③ 三幢楼进行结构优化,优化内容为地基基础及上部结构,通过优化设计,使该项目的结构设计适应本地的具体情况,并在保证结构安全、满足相关设计规范的前提下达到节约建设资金的目的。结构优化成果提交给业主,供业主委托的设计公司在施工图设计时参考使用。

  3.1上部结构优化设计分析

  (1)初步设计中上部结构存在问题:

  按照《〈高规〉》规定,抗震墙结构层间最大位移角的限值为 1/1000, 结构各楼层最小 剪重比为3.2%。这意味着层间最大位移角越接近 1/1000,结构各楼层最小剪重比越接近 3.2%,则上部结构在满足规范的基础上越节省钢筋混凝土用量,初步设计文件中 ①、② 号楼上部结构计算结果显示上部结构刚度偏大,钢筋混凝土用量偏大,应适当减小结构刚度,使层间最大位移角在1/1200 左右比较合适。

  (2)上部结

  构优化方法:抗震墙的优化:①、② 号楼初步设计中剪力墙布置存在墙数量偏多、长度过长、墙厚偏厚(地下室为300mm, 一、二层 250mm,三层以上外墙250mm, 内墙200mm)、连梁截面高度较高(750mm)的问题,使得上部结构刚度较大,结构优化后地下室剪力墙为250mm(防护密闭门处为300mm), 地上结构剪力墙数量及长度适当减少,墙厚除楼电梯间因建筑功能原因局部为250mm外,其余均为200mm,部分连梁截面高度(750mm)恢复为正常高度(400mm);③ 号楼初步设计剪力墙厚为地下室300mm,一~十层250mm,十层以上200mm,优化后地下室剪力墙为250mm(防护密闭门处为 300mm),地上剪力墙厚除楼电梯间因建筑功能原因局部为250mm 外,其余均为 200mm。最多底部加强区1~3层墙厚取250mm。楼板厚度优化:初步设计文件中六级人民防空地下室顶板厚度取180mm,不满足《人民防空地下室设计规范》规定,人防地下室顶板最小厚度为200mm;二~十六层3.9m 跨板板厚130mm偏厚, 连续板板厚取 l/40,即110mm 即可 ;按 《高规 》规定,屋面板厚度取130mm 即可,无需150mm 厚。

  上部结构优化后的效果:①、②、③ 号楼墙厚的减少及减薄,板厚的适当减薄,不但使住户获得了较大的使用面积和较高的房间净高,节约了上部结构造价,而且减轻了结构自重,进而节约了地基基础的造价。

  3.2地基基础优化分析

  (1)①、②号楼初步设计中地基处理存在的问题:

  ①、②号楼地上18层,地下一层,±0.000 相当于绝对标高403.08m,基底标高-6.85m,原设计地基处理采用CFG 桩复合地基,满堂布桩方案,并在基础外也布置了2~3 排,桩桩径400mm,桩距1350mm,桩长12m,复合地基承载力特征值要求360kpa。 错误要求桩端进入筏板50mm,桩顶未设碎石褥垫层。③ 号楼原设计为泥浆护壁泵吸反循环钻孔灌注桩,桩径700mm,桩长30m,单桩承载力特征值为2200kN。 单桩造价偏高而承载力则较低,造成地基方案性价比不高。

  (3)①、② 号楼地基处理优化

  根据<<建筑地基处理技术规范>>CFG 桩只需布置在基础范围内,基础范围之外无需布置, 因此基础外布桩可以取消。CFG 桩长建议由12m 改为15m,桩端穿过承载能力较低的3-2层黄土,落至承载能力较高的3-3层中砂层,桩距则取1.6m×1.6m 正方形布置,因基地压力较小,复合地基承载力特征值取300kpa 即可,无需 360kpa。另外,由于高层主楼之间设有较大的地下车库,复合地基作深度修正时,应考虑《建筑地基基础设计规范》文说明内容。①、②号楼CFG 桩复合地基褥垫层:CFG 桩顶应设150~300mm厚碎石褥垫层,CFG 桩桩顶无需进入承台 50mm(见<<建筑地基处理技术规范>>)。

  (3)③ 号楼地基基础优化方案比较:

  CFG 复合地基优化方案:

  高层建筑采用CFG 桩复合地基已有成功经验,住宅层数已达28 层,实测总沉降量不超过50mm,使用效果良好。CFG 桩复合地基与基础造价与优化后的灌注桩基相比,节约造价约30%,且施工速度快,施工现场文明、干净。 经过我们计算,③ 号楼采用CFG 桩复合地基是可行的,CFG 桩桩径 400mm,桩长15m,桩端置于④层土, 桩距 1.4mx1.2m 梅花形布置,只在基础范围内布置 CFG 桩。复合地基承载力特征值取400kpa。

  灌注桩基优化方案:

  针对本工程地质特点和杭州地区工程经验,建议采用单价较低的泥浆护壁正循环钻孔灌注桩,并配以桩侧、桩端复式压浆以提高桩身质量,提高承载力。 按照杭州地区工程经验和已积累的试桩资料,采用桩径 600mm、桩长22m 即可达到单桩承载力特征值 2200KN的要求。 泥浆护壁泵吸反循环钻孔灌注桩单价为 1300 元/m3; 泥浆护壁正循环钻孔灌注桩单价为 850元/m3; 桩侧、桩端复式压浆1500~2000 元/每根桩,分析时按2000元/每根桩,桩的充盈系数为1.10。

  桩基优化分析结果:

  ③号楼总建筑面积 26780.47m2,包括基础底板、人防覆土,每平方米建筑面积的重量约为20KN。采用原设计方案,③号楼地基总造价为:

  74.99×2.0×26780.47=4013565 元

  采用后压浆桩方案,③ 号楼地基总造价为:

  35.52×2.0×26780.47=1902485 元

  采用 CFG 桩复合地基方案,CFG 桩500 元/m3,总桩数803 根 ,③ 号楼地基总造价为86万元。三者相比,CFG 桩复合地基方案是原方案造价的21.4%;后压浆钻孔灌注桩方案是原方案造价的47.4%,由此可见,在保证地基基础安全的前提下,能够节约可观的建设资金。

  4、结语

  ①、②、③ 三幢楼进行结构优化设计后,经业主与原初步设计文件比较,按单位建筑面积计算,可节约资金 40 元/m2,按总建筑面积25万 m2计算,则可节约资金约1000万元,由此可见,在保证建筑结构安全的前提下,合理的结构优化设计能够有效节约建设资金,避免不必要的浪费。

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