近年来, 随着国家经济不断发展, 技术不断革新, 科技不断进步, 越来越多的超高层建筑雨后春笋般地兴建起来。超高层的建设过程, 不论是从前期的设计, 还是到后期的施工, 整个建设过程都比较漫长, 加之建筑方案的调整、经济环境的变化以及各种不确定因素的影响, 往往导致后期建设过程中诸多问题的出现, 让建设、设计、施工等各方深受困扰。

　　 本文通过深圳市鹿丹大厦的工程实例, 讲述在超高层建设过程中, 因其自身特点的需要, 通过优化设计, 解决了由建筑方案调整导致的柱轴压比超限的问题, 有效地控制了型钢混凝土柱的截面大小, 并节约了成本。

　　 深圳市鹿丹大厦是一座集商业、办公于一体的综合性超高层建筑, 位于广东省深圳市罗湖区, 由地下室停车库、商业裙楼和办公塔楼组成, 其中地下室3层, 裙楼7层, 塔楼36层, 总建筑面积为37 654m², 总建筑高度为170m, 为B级高度建筑。建筑效果图如图1所示。

　　 主体采用带加强层的框架-核心筒结构体系, 结构总高度为162.400m。结构设计使用年限为50年, 建筑结构安全等级为二级, 基础安全等级为二级, 地下室人防等级为常6级、核6级。基本风压为0.75k N/m², 承载力设计时按基本风压的1.1倍采用, 建筑场地类别为Ⅱ类, 抗震设防类别为丙类, 抗震设防烈度为7度 (0.10g) , 设计地震分组为第一组。结构抗震等级为一级, 局部竖向构件抗震等级为特一级, 地基基础设计等级为甲级, 采用筏板基础。塔楼标准层结构布置图如图2所示。

　　 根据建筑立面造型的需要, 本工程东西两侧8根柱为斜柱, 在21层避难层 (4) 轴和 (7) 轴位置设置两道水平伸臂桁架。图3为结构三维及侧立面示意图。

　　 当施工至裙楼4层时, 建筑方案做了如下调整:1) 按方案调整, 上部增加泳池, 并且由于裙楼和屋面层屋顶花园景观调整, 相应的覆土厚度增加, 导致荷载增加;2) 按方案调整, 需考虑后期局部楼层改造, 需预留荷载, 导致荷载增加。

　　 经计算分析, 图2中的KZ1轴压比为0.752, KZ2轴压比为0.743, 超过了《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[1]规定的抗震等级为一级的型钢混凝土柱轴压比限值0.70的要求。

　　 本文均围绕解决KZ1, KZ2的轴压比超限的问题进行论述。KZ1, KZ2的截面图如图4所示, 其中型钢混凝土柱钢骨腹板及翼缘厚度为30mm, 采用Q345-B钢材。

　　 目前工程中, 国内外解决柱轴压比超限问题的方法主要有^[2]:1) 增大截面加固法;2) 外包型钢加固法;3) 优化上部结构法。

　　 当采用增大截面加固法时, 加固范围为地下3层至地上2层, 共计5层, 地下室部分不允许增大柱截面, 而且不能影响地下室的建筑功能, 故没有采用;当采用外包型钢加固法时, 加固范围为地下3层至地上2层, 共计5层, 加固的时间及成本都比较大, 因而也没有采用;当采用优化上部结构法时, 仅需通过概念设计调整结构的传力路径来减小传至柱子的轴力, 以及通过优化梁截面大小及布置来减小结构自重, 最终使柱子不需要加固设计就能满足规范要求。

　　 综合考虑, 最后采用优化上部结构法, 结构的优化范围为5层至33层。

　　 一方面, 本文通过概念设计调整了结构的传力路径, 减小了传至柱子的轴力;另一方面, 通过优化梁截面大小及布置减小了结构自重。最终使柱子不需要加固设计就能满足规范要求^[3,4]。

　　 设计变截面梁, 合理控制相对刚度比, 有效地减小型钢混凝土柱轴力的分配。

　　 在竖向荷载作用下, 杆端分配的弯矩取决于各杆件的相对刚度, 传递的弯矩取决于远端的固接程度, 在规则的框架中, 作用在某根梁上的竖向荷载只对与其直接相连的杆件有较大的影响, 虽然相隔较远的杆件也会受到一定的影响, 但衰减得很快^[4]。

　　 因此, 本文将与型钢混凝土柱 (KZ1, KZ2) 和核心筒直接相连的框架梁设计为变截面梁, 使得变截面梁在剪力墙连接段的刚度与柱连接段的刚度比值控制在2.0~3.5之间, 有效地减小了型钢混凝土柱轴力的分配。

　　 裙房层KZ1处结构布置优化前后对比如图5所示, 其中KZ2与KZ1相同, 并对称布置。图5中, 裙房部分因梁下高度不影响设备管线, 故采用竖向加腋方式, KL1局部由500×800变为500×1 200。

　　 标准层KZ1处结构布置优化前后对比如图6所示, 其中KZ2与KZ1相同, 并对称布置。塔楼部分为了不影响设备管线, 只能采用水平加腋方式, KL1由800×700变为400×700和1 000×700的变截面梁。

　　 设计悬挑梁, 优化传力路径, 更多地将作用在型钢混凝土柱上的竖向荷载向核心筒转移。

　　 标准层KZ1处增加悬挑梁后结构优化前后对比如图7所示, 其中KZ2与KZ1相同, 并对称布置。图7中, L1由200×600变为200×700, 且设计为悬挑梁, 并向核心筒外延伸一跨。

　　 按照等刚度原则, 优化梁截面, 减轻传到柱上的自重荷载。

　　 根据力学概念, 增大梁截面高度比增大梁截面宽度对提高梁截面的抗弯刚度更有效。为此, 在保证梁截面抗弯刚度不变以及在不影响建筑、设备等专业功能的前提下, 适当减小与型钢混凝土柱 (KZ1, KZ2) 相关联的梁截面宽度, 略微增加梁截面高度, 减轻传到该柱上的自重荷载。

　　 KZ1处标准层梁截面优化前后局部布置图对比如图8所示, 其中KZ2处与KZ1处相同, 并对称布置。图8中梁截面优化前后对比如表1所示, 并且L2和L3取消最外跨的悬挑段。

　　 经过上述结构优化策略, 优化后的塔楼标准层结构布置图如图9所示。

　　 图10为优化后盈建科建筑结构计算软件所导出的KZ1, KZ2所在嵌固层的轴压比, KZ1, KZ2优化前后柱轴向力设计值和轴压比的变化结果对比如表2所示。从图10及表2中可以看出, KZ1的轴压比为0.700, KZ2的轴压比为0.689, 均满足相关规范要求。

　　 优化前后结构周期对比情况如表3所示。从表3可以看出, 结构优化前后周期变化不大, 优化后因减小优化部分梁截面宽度, 第2周期扭转因子略微增大, 且均满足规范要求。

　　 图11, 12分别为结构优化前后X向和Y向风荷载和地震作用下的层间位移角对比情况。由图11, 12可以看出, 风荷载作用下结构Y向位移起控制作用, 优化前后层间位移角变化不大, 说明优化前后结构刚度基本保持不变。

　　 通过对结构参数进行对比, 总体指标在优化前后没有太大的差异, 且均能满足规范要求, 结果表明, 通过结构优化概念设计能有效地解决柱轴压比超限的问题, 避免了柱子加固设计。

　　 本文通过具体案例, 讲述了通过结构优化概念设计解决由建筑方案调整导致的柱轴压比超限的问题, 避免了柱子加固设计, 节约了成本。先进的设计可以通过概念设计充分地展现, 只有不懈追求尽善尽美的设计思想, 不断地丰富整体结构概念, 设计才会越来越创新, 越来越完美。因此, 在追求概念设计的道路上, 只要不断地创新, 没有最好, 只有更好。