1、民用高层建筑结构设计摘要：近十余年来我国的高层建筑建设可谓突飞猛进,其建设速度和建造数量在世界建筑史上都是少有的。但是,从设计质量方面来看却不容乐观,多数设计追赶流行时尚。因此在实际中应考虑长远因素。文中探讨了民用高层建筑结构设计，以供参考。 关键词：民用 高层建筑 结构设计 中图分类号：TU208 文献标识码：A 前言 结构工程师应以力学概念和丰富的工程经验为基础，从结构整体和局部两个方面对计算结果的合理性正确判断计算结果，确认其可靠后，方可用于工程设计。高层建筑结构设计、计算是一项复杂的工作，它要结构设计人员既要有扎实的理论功底，又要有丰富的工程经验，这样设计出来的建筑物才能达到既安全、可
2、靠，又经济、合理。 一、高层建筑结构设计要点 1、结构选型 对于高层建筑结构而言, 在工程设计的结构选型阶段,应注意以下几点: （1）结构的规则性问题。新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动, 新规范在这方面增添了相当多的限制条件,例如: 平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等, 而且, 新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。 ” 因此, 结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意, 以避免后期施工图设计阶段工作的被动。 （2）结构的超高问题。在抗震规范与高规中, 对结构的总高度都有严格的限制, 尤其是新规范中针对以前的超高问题, 除了将原来的限制高度设定为
3、 A 级高度的建筑外,增加了 B 级高度的建筑, 因此, 必须对结构的该项控制因素严格注意, 一旦结构为 B 级高度建筑或超过了 B 级高度,其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中, 出现过由于结构类型的变更而忽略该问题, 导致施工图审查时未予通过, 必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况, 对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。 （3）嵌固端的设置问题。由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防, 嵌固端有可能设置在地下室顶板, 也有可能设置在人防顶板等位置, 因此, 在这个问题上, 结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面,
4、如: 嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题, 而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。 （4）短肢剪力墙的设置问题。在新规范中, 对墙肢截面高厚比为 5 8 的墙定义为短肢剪力墙, 且根据实验数据和实际经验, 对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制, 因此, 在高层建筑设计中, 结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙, 以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。 2、地基与基础设计 地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面,不仅仅由于该阶段设计
5、过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行, 同时, 也是因为地基基础也是整个工程造价的决定性因素, 因此, 在这一阶段, 所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。 在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广, 地质条件相当复杂, 因此, 作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的“地基基础设计规范”能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确, 所以, 在进行地基基础设计时, 一定要对地方规范进行深入地学习, 以避免对整个结构设计或后期设计工作造成较大的影响。 3、结构计算与分析 在结构计算与分析阶段, 如何准确, 高效
6、地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理, 是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进, 因此, 对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。 (1)结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有: SATWE、TAT、TBSA 等, 但是, 由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异, 因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以, 在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件, 并从不同软件相差较大的计算结果中,判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的, 哪个又是意义不大的, 这
7、将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则, 如果选择了不合适的计算软件, 不但会浪费大量的时间和精力, 而且有可能使结构有不安全的隐患存在。（2）是否需要地震力放大, 考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。该部分内容实际上在新老规范中都有提及, 只是,在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数。 （3）振型数目是否足够。在新规范中增加一个振型参与系数的概念, 并明确提出了该参数的限值。由于在旧规范设计中, 并未提出振型参与系数的概念, 或即使有该概念,该参数的限值也未必一定符合新规范的要求, 因此, 在计算分析阶段必须对计算结果中该参数的结果进行判断,
8、 并决定是否要调整振型数目的取值。 共振问题。随着大底盘, 多塔楼的高层建筑类型大量涌现, 在计算分析此类高层建筑时, 是将结构作为一个整体并按多塔类型进行计算, 还是将结构人为地分开进行计算, 是结构工程师必须注意的问题。如果多塔间刚度相差较大, 就有可能出现即使振型参与系数满足要求, 但是对某一座塔楼的地震力计算误差仍然有可能较大, 从而使结构出现不安全的隐患。此外，当建筑场地发生地震时, 如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近, 建筑物和场地就会发生共振。因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期, 通过调整结构的层数,选择合适的结构类别和结构体系, 扩大建筑物的自振周期与建筑
9、场地特征周期的差别, 避免共振的发生。 非结构构件的计算与设计。在高层建筑中, 往往存在一些由于建筑美观或功能要求且非主体承重骨架体系以内的非结构构件。对这部分内容, 尤其是高层建筑屋顶处的装饰构件进行设计时, 由于高层建筑的地震作用和风荷载均较大, 因此, 必须严格按照新规范中增加的非结构构件的计算处理措施进行设计。 二、工程概况 1、某高层住宅楼位于市中心的繁华地段，总建筑面积约 20 万 m2。由五幢高层住宅楼组成,地下部分 2 层,底层架空、无裙房;2 层以上为住宅。五幢高层建筑下的 2 层地下室连为一体。五幢高层结构平面体型较不规则,建筑结构长宽比 3.76.9,高宽比 5.410.
10、3。本工程为丙类建筑, 工程的结构安全等级为二级,采用大直径钻孔灌注桩、桩筏基础。 工程位于较高抗震设防烈度区,同时又是高风压地区,抗震设防烈度为六度(0.15g), 类场地,建筑基本风压值为 0.70kN/m2。 2、结构体系的确定 根据建筑功能的使用要求, 本工程为高尚住宅区,底层架空为酒店式大堂,并引入室外景观造景,为此,建筑对底层柱及剪力墙的布置位置有严格的要求,上部住宅部分要求室内方正实用。为了满足上述的要求,本工程采用框支剪力墙结构,在二层楼面设置转换层。因上部墙体多数无法直接落地或落于框支梁上,因而采用了箱高为 230cm 的箱形转换结构。利用箱体增加转换层的整体刚度,同时箱体的
11、上下层板又增加了框支梁的抗扭性能。配合建筑使用功能合理布置抗侧力构件, 以合理控制结构的总体刚度,使之既满足抗震要求又满足抗风的要求。将核心筒剪力墙落地,在建筑物外围及局部突出部位设置 70-90cm 厚的 L 型剪力墙, 避免出现独立框支角柱,同时将中部部分剪力墙落地,以保证落地剪力墙的数量,满足上下刚度比的要求。本工程结构体系复杂并采用箱形转换,存在高宽比及长宽比超限等问题,进行了超限高层建筑工程抗震设防专项审查。 3、计算分析 （1）计算程序的选用 本工程属于结构体系复杂的高层建筑,结构设计采用两种软件分析计算; 一种是 PKPM 系列的 SATWE 程序该程序采用墙元模拟剪力墙,是国内
12、应用比较广泛的软件之一。同时另采用体单元模型的 ANSYS 有限元分析软件进行复核。 （2）程序使用的注意事项 a 在平面输入时应正确指定转换构件,确保程序计算时能按相关规范规定,对转换构件在水平地震作用下的计算内力进行放大,对框支柱的水平地震剪力进行调整等。 b 对于一字型墙肢出现与其平面外方向的楼面梁连接时,为抵抗梁端弯矩对墙的不利影响, 在程序计算中将梁与墙相交处作铰接处理,减少梁对墙产生的平面外弯矩。此时,在墙与梁相交处设置暗柱,并按计算确定其配筋。 c 剪力墙之间的连结梁应根据具体情况 指定为连梁或框架梁。对一端或两端与剪力墙相交的梁会在程序中默认为连梁,计算中程序会对其刚度进行折减
13、后再计算其内力;而对跨高比较大(5)的连梁,其受力模式接近框架梁,此时应将该类梁人工定义为框架梁,以求内力分析的准确。 4、结构分析的主要结果 本工程以最不利的一幢(即北楼三)的计算结果。 （1）ANSYS 程序计算结果见表 1； 表 1ANSYS 计算结果 （2）表 2 为 SATWE 程序计算结果，在计算中,控制以扭转为主的第一自振周期与乎动为主的第一自振周期之比0.85；结构最大层间位移与平均层间位移之比1.2。表 2 SATWE 计算结果： （3）.本工程采用由中国建筑科学研究院工程抗震研究所提供的地震波进行计算分析,地面运动加速度峰值 55gaL。弹性时程分析法的计算结果与振型分解反
14、应谱法的计算结果基本一致;弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的 65%, 多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的 80%。 4、框支层结构设计 （1）框支柱设计 本工程框支柱抗震等级为二级, 轴压比限值为 0.7。框支柱主要截面取 1300X13001300X2300,计算结果表明,所有框支柱的受力较为均匀,轴压比从 0.420.51,因此,箱形转换层下框支柱的变形一致性较好。框支柱的剪力设计值应按柱实配纵筋计算并乘以放大系数 1.1,剪压比控制在0.15 以内。柱内全部纵向钢筋的配筋率不1.2%,
15、箍筋沿柱全高采用不小于 12100 井字复合箍, 体积配箍率均不1.5%,使柱具有-定的延性,实现强剪弱弯。框支柱在上面墙体范围内的纵向钢筋伸人上部墙体内一层,其余柱筋锚入梁或板内。 （2）剪力墙设计 本工程核心筒落地剪力墙厚 40cm,除核心筒外, 在建筑四角布置7090cm 厚的 L 型剪力墙。为了使混凝土的受压性能改善,增大延性,设计中控制墙肢的轴压比不大于 0.5。墙体的水平和竖向分布筋除满足计算要求外, 同时也满足 0.3%的最小配筋率的限值。底部加强区的剪力墙中按规范要求设置约束边缘构件,约束边缘构件的纵筋配筋率控制1.2% , 箍筋不12100,体积配箍率控制1.4%,同时,对长
16、厚比5 的短墙在计算中按柱输入计算进行比较,其结果显示,短墙按墙和按柱计算的结果大致一致。 （3）框支梁的设计 本工程框支梁抗震等级为二级。对于两端搁置于框支主梁上的框支次梁,其受力类似简支梁,跨中底筋较大,支座面筋基本按构造要求配置。 本工程的框支主梁的梁高 230cm (即箱体高度于梁顶和梁底各设置一层 20cm 厚的箱板,梁截面尺寸按剪压比 0.15 控制。梁主筋配筋率除满足计算外,还不小于 0.5%,上部主筋沿梁全长贯通,下部主筋全部直通到柱或墙内,沿梁腹部设置不小于 16150 的腰筋,于梁中部设置-排 20 的抗裂纵筋,抗裂纵筋根数同箍筋肢数,梁箍筋全长加密。 对其他框支梁,因其受
17、力较大,在靠近柱支座处的应力集中尤为突出,部分梁的计算结果表明,梁端抗剪不足,经过核查该梁各截面剪力设计值,发现框支柱截面内有大部分剪力不足的截面,对此情况的梁截面尺寸不做调整,而对于确实抗剪不足的梁采用梁端水平加腋的方式解决该梁的抗剪能力不足的问题。 4、箱形转换层楼板的设计 箱形转换层的箱体高度为 230cm, 箱体的上下层板厚均为 20cm。对箱体的上下层板应采用 ANSYS 有限元软件进行内力分析。分析结果显示,各荷载工况条件下,箱体上层板都为受压,平均最大压应力为 1.2MPa, 箱体下层板均为受拉, 平均最大拉应力为 2.0MPa。在设计中,将楼板裂缝控制在 0.2mm 以内, 实
18、配双层双向 16150 的通长钢筋。 结束语 在高层建筑结构设计中,结构工程师应从结构的安全、使用功能、建筑美观等方面进行全盘考虑,运用掌握的知识和经验处理实际遇到的各种问题,才能设计出安全合理的高层建筑结构。 参考文献 1 赵天赋,李虹.高层建筑结构设计研究J. 今日科苑. 2009(12) 2 赵明华,赵小慧.如何对高层建筑结构进行设计分析之探析J. 民营科技. 2010(05) 3 沈芳.高层建筑结构设计中应注意的几个问题J. 科技资讯. 2007(21) 4 杨恒.试论高层结构设计中的常见问题J. 黑龙江科技信息. 2008(13) 5 陈画.浅谈高层建筑结构设计中的若干问题J. 科技致富向导. 2011(14)
