浅谈高层结构设计

浅谈高层结构设计

李剑斌

李剑斌鹤山市友信建筑设计有限公司529700

摘要:城市的快速发展，使原本的商业竞争更为激烈。而建筑结构合理与否则直接影响到人们的生命财产安全。本文根据笔者多年的结构设计经验，对高层建筑结构布置及计算进行分析。

关键词:高层建筑；结构设计

前言

随着社会经济的快速发展，鉴于商业竞争，很多建筑物倾向于综合用途，比如集商贸、办公、宾馆于一体。从建筑功能上看,上部需要小开间的轴线布置,中部则需要小的或中等大小的室内空间，可以在柱网中布置一定数量的墙体以满足办公用房的要求；下部共用部分则希望有尽可能大的自由灵活空间,柱网要求大,墙体要尽量少,以满足商场、餐饮等公共设施的功能要求。从结构上说，要想实现使用功能的多样性，结构应上班布置小空间、下部布置大空间；上部布置刚度大的剪力墙，下部布置刚度小的框架柱。为了实现这种结构布置，必须在结构转换的楼层设置水平转换结构（即转换层）。一般而言，当高层建筑下部楼层属相结构体系或形式与上部楼层差异较大，或者下部楼层竖向结构轴线距离扩大或上、下部结构轴线错位时，就必须在结构改变的楼层布置转换层结构。

1、工程概况

某工程是集商场办公住宅为一体的综合性高层建筑,地下2层为停车库及设备房,地上29层,分A,B两栋塔楼,塔楼均为住宅,主楼主体90.500m。由于建筑功能的要求,本工程结构采用底部大空间转换剪力墙结构,转换层在第5层顶面,属高位转换结构,该地区地震设防烈度为6度第一组,设计基本地震加速度值为0.05g,拟建场地为Ⅲ类场地土。结构抗震等级:转换层下剪力墙二级,框支柱二级,基础采用桩筏。为了满足建筑功能,结构必须处理好以下几个问题:(1)转换层转换结构方式的选择；(2)转换层楼层结构计算层高的确定；(3)二级转换梁的处理。

2、概念设计与结构布置

2．1结构计算单元的确定。

由于本工程主体分为A,B两栋塔楼,两栋塔楼之间为商业用房,但与主楼之间设置了伸缩缝,考虑地下室墙体较多,地下室顶板(200mm)厚度较厚,整体刚度较大，计划分成两个单塔模型。

2．2转换结构的选型及布置。

由于带转换层的高层建筑结构有其自身的结构弱点,因此《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002J186-2002）都对其做了严格的规定,特别是对高位转换的结构做了更为严格的规定,由于总体结构竖向传力构件的不连续,造成结构上荷载不能传递给下部对应的结构构件,而是通过转换结构的内力重分配,再向下传递给下部结构的竖向构件,因此转换构件相当重要而且受力非常复杂,保证转换结构正常地、可靠地、有效地工作是结构设计的重点。结合本工程建筑方案的要求,经多方案的比较,本工程采用梁式转换(因梁式转换的设计较其他转换而言受力明确,传力简洁,计算模型简单容易符合实际情况),同时增加转换层板厚(250mm)并双层双向配筋,以符合刚性楼板的假定。由于转换层上下存在不同的结构形式,使结构刚度在转换层上下出现刚度突变,对结构的抗震性能极为不利,为此本工程采取了以下措施进行处理:(1)尽量保证落地剪力墙的数量,落地剪力墙在转换层以下加厚,并在适当的位置(不影响建筑使用功能的情况下)增加底部剪力墙肢的数量,以增强底部刚度。(2)尽量拉大上部剪力墙的间距,减少墙肢的数量和长度,减少墙体的厚度等措施,来调整转换层上下刚度使其变化较为均匀,过渡平稳,尽量接近。(3)控制框支柱的轴压比为0.5左右(小于0.55)和体积配筋率及全部纵向钢筋配筋率不小于1.6%,因为框支柱是转换梁的支撑构件,其上作用的荷载较大,为了保证结构破坏时不出现柱铰机构的不利破坏形态,必须保证框支柱具有足够的延性和变形性能。本工程转换结构各构件截面尺寸如下:框支柱1000×2500～1000×1500,转换梁600×1600～900×1700,剪力墙厚400～300混凝土强度等级:框支柱均为C40,其余构件为C40～C30。

3、结构计算与数据分析

3．1整体结构计算数据分析。

由于本工程A,B两塔对称,仅A塔进行计算(计算未考虑中间地下室相连),计算时取27个振型,均考虑平动和耦连两种情况,由于A,B两塔涉及的内容基本一致,仅分析A塔的计算数据由SATWE软件计算结果可以看出,结构基本周期T1在(0.065～0.075)N(N为层数)之间,属于合理范围,说明结构总刚度合适;剪重比在2%左右符合抗震规范5.2.5条要求,转换层上下刚度比小于1.3,符合高规要求,转换层过渡平稳,结构竖向布置及刚度变化相对合理,框支柱轴压比控制在0.55以内,角柱轴压比控制在0.50以内。第一扭转周期与第一平动周期比小于0.9,振型参与质量达到总质量的98%。

3．2动力时程分析。

根据场地地质情况,地震所提供了6条可能出现的地震波,选用了其中比较符合实际情况的两条和一组人工模拟地震波进行动力时程分析,弹性时程分析的计算结果与振型分解反应谱法的结果基本一致,每条时程曲线计算所得的结构底部剪力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不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。

4、转换层的构造与设计

4．1加强转换结构的整体性和刚度加强转换层及上下层楼板的厚度及配筋,转换层楼板厚度h=250mm,上下两层均取h=200mm。框支梁是转换层结构中最重要的受力构件之一,通过它将上部墙体的荷载传递给下部框之柱,其受力相当复杂。在本工程中存在“Z”型墙,需要考虑上部墙体竖向力对框支梁产生的扭矩。(1)将两片错开的墙体假定为在同一平面内进行平面有限元分析其内力,图形类似于大开口框支剪力墙；(2)根据整体计算结果中上部墙体的竖向力手算框支梁的抗扭钢筋；(3)将有限元计算结果与手算抗扭配筋叠加,由于梁宽比较大(这是由上部墙体的位置决定的),计算抗扭钢筋为构造要求。其他转换梁上墙体进行有限元分析,其正截面配筋结果小于整体结构分析结果,在实际工程中偏安全地采用了整体结构,计算的结构进行转换大梁的截面和配筋设计。

转换层中柱的延性极为重要,为了提高柱的延性,采取了控制轴压比、配箍率、纵向配筋率以及混凝土强度等级等措施。转换梁柱配筋较多,特别是节点处配筋相交情况更为复杂,实际钢筋很难准确到位,在设计中尽量选用了大直径、高强度钢筋,以减少钢筋根数,配筋应有足够的余量。同时转换梁板在施工中需考虑支撑方案。支撑层所受的梁板荷载,施工荷载等应在设计中考虑,所以转换层以下梁板截面,配筋均应适当加强。另外转换梁混凝土的施工过程中应采取措施,以防止在浇筑过程中及混凝土浇筑初期产生裂缝：(1)严格控制混凝土的配合比,控制混凝土的水灰比、水泥用量、砂率及坍落度不要太大,尽量采用高标号及低水化热水泥,降低水泥用量;掺加一定量缓期凝型减水剂和微膨胀剂,降低水灰比,在满足泵送混凝土的前提下,尽量选用粒径大且级配良好的粗集料,严禁采用粉砂,严格控制砂石的含泥量。(2)梁板混凝土中应掺加聚丙烯抗裂纤维(直径小于24μm，长度不小于1mm),混凝土中掺量不少于0.8Kg/m3,同时现浇板混凝土中应掺10%(水泥重量)的UEA2IV膨胀剂(替代水泥用量)。

4．2SATWE结构软件的应用。因转换层在第5层顶,属高位转换《高规》附录E.0.2对其侧向刚度有明确规定,SATWE软件整体计算侧向刚度时给出了三种计算层侧向刚度的方法:(1)剪切刚度;(2)剪弯刚度；(3)地震剪力与地震层间位移的比。用“剪弯刚度计算”《高规》附录E.0.2转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe,调整墙体刚度使γe≤1.3且接近1。用“地震剪力与地震层间位移的比”再计算一次,从而进行转换层本层侧向刚度不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%的下限控制,使其满足规范要求。

4．3框支梁以上剪力墙采取的构造措施：(1)尽量减少墙肢的长度,使转换层上下刚度尽量接近,以满足规范要求。(2)由于与转换梁相近的墙体参与了与转换梁共同工作,同时分担了转换梁的部分内力,本工程特别加强了转换层以上3层的墙体截面及构造配筋。

5、结束语

对于复杂高层建筑结构体系,必须认真做好概念设计并分析结构的薄弱环节,建立较为简洁可靠且符合实际的结构计算模型,注意框支梁框支柱配筋的特殊性,另外数据的输出量比较大,需要对计算结构进行分析、评判,适时地对结构布置进行修改、优化,才能得到正确的设计结果。