1、关于高层建筑结构设计的重要分析摘要：本文分析了高层建筑结构设计的问题，以高层建筑结构设计理论为基础，规范国家相关标准为根据，对高层建筑结构进行了深入的分析研究，总结出了一些具有实用价值的结论，对高层建筑结构设计具有很大的实用意义。 关键词：高层建筑；结构设计；分析 中图分类号： TU3 文献标识码：A 一工程概况 某住宅小区位于某国道东侧，由 212 号楼(住宅)及 12 号楼总建筑面积 291239 m2。重点介绍 12 号楼为一幢临街商住楼建筑，建筑总高度489m，建筑面积 2481548m2，地下局部 1 层，地上 13 层商业裙房，在层 3 进行转换，层高依次为 5.0m4.5m5.5
2、m 地上 l2 层为住宅，层高 3.0m，层 16 层为楼、电梯间，层高为 48m。l 层至 3 层近似为矩形平面，外轮廓尺寸约为 33.5mx34.5m，3 层转换层以上平面为“工”字型平面，结构平面见图 1(a,b)。 工程采用框支剪力墙结构，方案设计时存在平面不规则、扭转不规则、竖向转换等抗震不利因素，初设时通过调整平面，减少平面不规则性。通过合理的布置剪力墙以减弱结构的不规则程度，缓解由设置转换层造成的竖向刚度突变部位和平面薄弱环节在地震作用下应力和变形的集中程度，对薄弱部位采取适当的抗震构造措施，提高结构在地震作用下的抗震性能。 (a)底层平面布置图 (b)4 层以上平面布置图 图
3、1 结构平面布置图 二结构和构件设计 2.1 结构形式 本工程设计利用楼、电梯间设置简体剪力墙，外围布置落地剪力墙，在底部 3 层采用樵支柱进行转换，形成底部大空间的框支剪力墙结构。该结构形式在较好的满足下部商业和上部住宅建筑功能的同时，通过调整落地剪力墙、框支柱和上部剪力墙的布置，使不连续结构竖向抗侧力构件，刚度均匀变化，达到结构具有良好的抗侧刚度和抗扭刚度。 2.2 结构平、立面布置 框支剪力墙布置时，纵、横向剪力墙力求均匀布置，尽量使 2 个主轴方向刚度一致，并尽量保证简体剪力墙墙肢的完整性，提高筒体的抗震性能。通过优化调整化布置上部剪力墙周边的剪力墙墙长度和厚度，以及下部落地剪力墒的位
4、置，基本实现结构的质量中心和刚度中心接近或者接近重合，适当减少结构的扭转效用。结构两个主轴方向的剪力墙均匀布置，使两个主轴方向的地震作用效应基本接近。 2.3 薄弱层的定义和边缘构件的设置 高层建筑混凝土结构技术规(JGJ32010)(简称高规)第 7.1.4条规定，剪力墙底部加强部位的高度从地下室顶板算起，取底部两层和墙体总高度的 110 的较大值。 高规10.2.2 带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起，宜取至转换层以上两层且不宜小于房屋高度的 110。本 T 程地上 15 层设置约束边缘构件，6 层以上设置构造边缘构件。剪力墙竖向构件不能直接连续贯通落地的
5、第 3 层定义为结构薄弱层。 2.4 上部结构主要构件设计 2.4.1 剪力墙、框支柱的设计 落地剪力墙的厚度从下(转换层以下)至上(转换层以上至屋面)分别为 300，200mm；其余部分剪力墙在转换层及以下为 400，300mm，混凝土等级为 C40，C30。转换层以下框支柱截面为 800x800mm 一1000xl100mm。 2.4.2 转换粱框架梁、暗梁和次梁的设计 转换梁截面高度不小于计算跨度的 18(均不小于 12m)，截面的宽度均不小于其上墙体截面厚度的 2 倍且不小于 500mm，嵌入框架柱之间的剪力墙在楼面位置设置框支梁，框支梁宽度设置区不小于墙宽 2 倍，高度不小于计算跨度
6、的 18，该梁参与整体计算并按框支梁配筋。筒体周边设置 500x1200 边框暗梁与其其余框支梁形成连续布置。上部剪力墙结构部分，梁截面尺寸 200x400200x600，框架梁与剪力墙在同一平面内或者在框架梁轴线上有端柱时框架梁与剪力墙刚接；在平面外时，框架梁与剪力墙铰接。次梁截面尺寸为 150x350，200x400200x550。 2.4.3 楼板设计 3 层转换层竖向突变部位板厚取为 180mm，双层双向配筋口 12200，配筋率为 0313，取计算值且不小于 025。屋面板厚度为120mm双层双向通长配筋 8200。其余各层楼板取 100mm，按计算配置楼板钢筋，并不小于规范最小配筋
7、率要求。 三.结构整体计算分析 3.1 结构计算参数 该工程设计使用年限 50 年，抗震设防烈度为 6 度、第一组，设计基本加速度值 0.1g，抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为 I 1 类，特征周期为 025s，多遇地震影响系数最大值 0.04，罕遇地震影响系数最大值 0.28，抗震等级框支柱一级，框架梁二级，底部加强区剪力墙三级，其余部分剪力墙为四级。50 年重现期的基本风压为 0.40s，承载力设计时按基本风压的 1.1 倍采用，地面粗糙度 B 类。 楼面荷载按照实际计算，住宅部分面层荷载 1.8KNrd，卫生问部分面层荷载 6.1KNm2；活荷载卧室、起居室楼面 2.0KNm2，卫生间
8、、厨房 2.0KN/m2，楼梯间前室 3.5 KN/m2，阳台 2.5KNm2，不上人屋面0.5KNm2，上人屋面 2.0KNm2，电梯机房 7.0KNm2 。 3.2 计算结果分析 结构整体计算采用 STWE(201 1 版)软件。 3.2.1 周期比及阵型数 结构计算阵型数取 18 个，x 方向有效阵型数 99.45 ；Y 方向有效阵型数 9621，均满足高规 5113 规定。结构第 1 阵型为 x 向平动，第 2 阵型 Y 向平动，第 3 阵型为扭转阵型，T3/T1=1089814106=0.772，满足高规第 3.4.5 条规定。前 3 个阵型周期结果详见表 1。 3.2.2 风荷载和
9、地震作用下的结构层间位移 风荷载和地震作用下的结构层间位移计算结果见表 2，可见结果满足高规 373 条要求的规定。 风荷载和地震作用下的结构层问位移角 表 2 3.2.3 总质量和最小剪力系数 结构总质量为 23339.168t，活载产生的总质量 1616.601，恒载产生的总质量 21722.568 t。x 方向最小剪力系数 084，Y 方向最小剪力系数 112，满足抗规 5.2.5 条最小剪力系数0.8的规定。 3.2.4 平面规则性分析 在双向地震作用和考虑偶然偏心的地震作用下最大弹性层间位移和楼层平均层间位移之比的最大值为 115(x 向)，140(Y 向)，满足高规345 条对复杂
10、建筑不宜大于该楼层平均的 12 倍，不应大于该楼层平均值的 14 倍之要求。由于本工程计算的楼层最大层间位移角不大于本楼层层间位移角限制的 40时，该楼层的扭转位移比的上限可适当放松，但不大应大于 16(考虑复杂结构不超过 15)之要求(综合考虑平面规则性满足要求)。 3.2.5 竖向规则性分析 结构各层侧向刚度与相邻上一层的侧向刚度比的范围为0.91291.6585(x 向)1.050216891(Y 向)，满足高规 352 条该值不宜小于 09 的要求。框支剪力墙在转换层处(3F)为薄弱层，薄弱层地震剪力放大系数=125；转换层与其相邻上层的侧向刚度比为072(大于 06)，满足高规附录
11、E02；转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比 Ye2 为 13727(x 向)，10281(Y 向)满足高规附录E.0.3 接近于 1 之要求。 3.2.6 上下层抗剪承栽力之比的验算 本工程结构各楼层其上一楼层抗剪承载力与本层抗剪承载力的比值范围为 084239(X 向)，086199(Y 向)，满足高规第 353条关于 A 级高度高层建筑的楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层层间受剪承载力的 80的规定。 3.2.7 抗倾覆验算 MrMov 计算值见表 3，结果满足高规 1217 条在重力荷载代表值作用下，高层建筑基础底面不宜出现零应力区的要求。 Mr/Mov 计算值 表
12、 3 框支框架承担的地震倾覆力矩见表 4，框支框架部分所承担的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩之比例，按抗规框架部分按照刚度分配的地震倾覆力矩的计算方法确定，结果满足高规 102167 条框支框架承担的地震倾覆力矩应小于结构总地震倾覆力矩的 50之要求，抗规6.1.9.4 之要求。框支框架承担的地震倾覆力矩 表 4 3.2.8 结构整体稳定性分析 该工程结构 x 向最小刚重比 9.O1，Y 向最小刚重比 14.42，均大于1.4，且大于 2.7，可以不考虑重力二阶效应，建筑的整体稳定性满足高规 5.4.4 的要求。 四.结构的不规则情况和设计措施 41 楼板的局部不连续 转换层以上各标准层，在
13、轴范围存在较大的凹进，有效板宽仅为9.2m，为楼板典型宽度的(23.0m)的 40.0% ，小于典型宽度的 50的规范要求。 结构设计时经与建筑专业协商，在轴范围增加了部分连板，使楼板净宽度增加为 128m，有效板宽度与该楼层板典型宽度的比值提高至556，满足抗规 343 条对于楼板局部不连续的要求。 中间简体楼梯间、电梯间开洞削弱后的楼板在地震作用下易造成应力和变形的集中，容易引起楼板的开裂甚至破坏。本工程在设计中，在薄弱部位、筒体周围增大楼板厚度、增加板内配筋，设置边梁等方式加强楼板削弱区域。楼板平面刚度突变时，在强烈地震作用下会产生显著的面内变形。结构计算中才用弹性楼板的假定，并控制板面
14、内拉应力在多遇地震作用下不大于混凝土的抗拉强度，板内配置的钢筋在基本烈度的地震作用下不屈服。 为提高楼板消弱区域的抗震性能，在凹进及简体、楼梯开洞部位的板取 l20mm，该处楼板配筋双层双向配筋口 8180，配筋率为 028，配筋率不小于 0.25，楼板上部钢筋连续贯通锚人板内。 4.2 凹凸不规则 本工程层 415 层平面 2 侧面突出长度 10.2m，该突出面宽94m(长度方向为 357m)占该长度方向的 26.3，突出部位长宽比为9.410.2=0.92 满足高规 3.4.3.2 条之规定，按照高规该侧平面不为凹凸不规则。 4.3 扭转不规则 4.3.1 扭转不规则的判定在双向地震作用和
15、考虑偶然偏心的地震作用下，本工程最大弹性层间位移和楼层的平均层间位移之比的最大值为1.14(X 向)，1.40(Y 向)；最大位移与层平均位移的比值为 114(X 向)，137(Y 向)。按照抗规 3.4.3 条判定为扭转不规则。 4.3.2 扭转不规则的控制 为了减少扭转不规则对结构的不利影响，减少扭转效应，剪力墙的布置力求均匀布置，结合 2 个方向刚度情况，调整上、下部剪力墙的布置方向等方式，尽量保证结构的质量中心刚度中心的接近和重合。并结合周边剪力墙的抗侧刚度，增大角部剪力墙的抗侧刚度，适当减小简体部分抗侧刚度，提高结构的整体抗扭性能。 本工程结构整体计算模型经过反复调整，优化结构布置，
16、使结构的质量中心和刚度中心的距离转换层以下为 0.130.89(X 向)，1.06205(Y 向)，对应建筑物总长分别为 26和 5.8；转换层以上标准层为 0.35O47(x 向)，1.071.24(Y 向)，对应建筑物总长分别为 0.81和 3.5。 本工程的扭转周期比 TtTI=0。772，远小于规范对复杂结构 085的限制；设计中严格控制楼层竖向构件的最大水平位移与该楼层水平位移的比值，避免出现该比值大于 14 的情况。 4.4 结构竖向布置 4.1 竖向抗侧力构件不连续判定 因建筑使用功能要求的变化，本工程 3 层以下结构采用大空间，上部部分竖向构件不能连续落地，设置转换层，形成带转
17、换层的高层建筑结构。根据高规 10.2 条，抗规 3.4.2 条，为竖向抗侧力构件不连续，本工程为结构竖向不规则。 4.2 竖向抗侧力构件不连续建筑的抗震措施 结构薄弱层在多遇地震作用下的剪力设计值乘以 125 的增大系数。底部加强部位的高度取至转换层以上两层；转换层上下部侧向刚度比满足高规附录 E.02 的规定；转换构件的水平地震作用计算内力乘以 1.3；框支柱、剪力墙底部加强部位的抗震等级提高一级为一级；对竖向抗侧力构件不连续的楼层的剪力墙水平钢筋的配置配筋率不小于 03 等措施。满足高规对复杂高层建筑结构设计 10.2 条等内容的要求。 4.5 转角窗的布置与取舍 本工程在 415 层以上，建筑原设计在上下四角设置 4 个转角飘窗，在经过结构试算后，此方案布置为扭转不规则，第二阵型即为扭转阵型，对抗震不利；后经与建筑协商，将角部 4 处转角飘窗设置成一般飘窗，角部设置剪力墙后增加了结构的整体刚度，增加了结构的整体抗扭刚度，提高了结构的抗震性能，经最后的计算结果来看，扭转周期得到控制，最大位移与层平均位移的比值得到控制，均满足规范要求。 五.结语 总之，通过上文这些设计分析，在建设成本投入较小，建筑功能损失较小的情前提下，有效的避免了薄弱部位地震效应的应力集中，有效的避免了主要受力构件脆性破坏的可能，较大改善了整个结构的抗震性能，从而有效的保证结构的安全。
