对高层建筑结构布置分析及优化

对高层建筑结构布置分析及优化

丁先青

丁先青上海经纬建筑规划设计研究院有限公司200090

摘要：文中通过某高层建筑的结构方案选择进行论述，并提出在结构设计时需关注的主要问题。通过对工程布置的不断优化，最终得出的合理的结构布置方案。

关键词：设计参数，结构概念设计，结构布置

Onthestructureofhigh-risebuildinglayoutanalysisandoptimization

DingXianqing

ShanghaiJingweibuildingplanningandDesignInstituteLimited200090

Abstract:inthispaper,thehigh-risebuildingstructureschemeselectionarediscussed,andputforwardthedesignshouldpayattentiontomainproblems.Throughtheprojectlayoutisoptimizedceaselessly,andultimatelythereasonablelayoutofthestructure.

Keywords:designparameters,designconcept,structurallayout

1工程概述

某建筑物是当地标志性建筑，建筑塔楼标准层平面为弧形，建筑使用功能为商业、餐饮、酒店、办公、会所等。塔楼为地下2层，底板埋深约为11m，地上43层，主要屋面高度为189.5m，地面以上建筑面积9.7万m2。本工程标准层平面尺寸约为101.6m(弧向)×26.1m(径向)，长宽比约3.9，高宽比7.3。

2设计参数

2.1场地地震动信息

根据规范及业主提出的使用功能及人数(商场区人流量小于5000人)确定其抗震设防类别为丙类。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g。场地类别为Ⅱ类，场地土为中软土。

2.2风荷载取值

《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)(简称高规)中仅给出了弧形角为90°的平面体型系数，本工程弧形角为41.8°，根据规范插值体型系数约为1.391，取整数1.4。本工程设计初期进行了建筑刚性模型的同步测压风洞试验。风洞试验测得的体型系数见表1，与按高规推算的体型系数计算的风荷载比较见表2(B类场地，重现期50年的基本风压为0.5kN/m2)。

表1典型风向角下的体型系数

风向角迎风面背风面整体

0°(弧形凹面)0.77－0.581.35

180°(弧形凸面)0.54－0.581.12

表2风荷载计算比较

方向X向基底(平面短向)Y向基底(平面长向)

剪力/kN弯矩/kN•m剪力/kN弯矩/kN•m

按高规计算的风荷载333663701115241280

风洞试验提供的等效风荷载3070034108650966

从表1可看出，当迎风面为凹面(0°风向角)时，风洞试验得出的整体体型系数与高规建议值比较接近，当迎风面为凸面(180°风向角)时，整体体型系数比高规建议值小，这是因为弧形建筑的气流分离现象与矩形截面的气流分离现象之间的差异所造成的。根据表2的结果，按高规计算的风荷载大于风洞试验报告提供的等效风荷载。因此，本工程风荷载可按高规计算的风荷载体型系数1.4及其他参数按高规取用进行计算。

3结构布置

(1)剪力墙布置：由于建筑布置的限制，允许设置剪力墙的位置有限，且平面中部剪力墙无法闭合成核心筒，仅能保证沿弧向均匀设置一般剪力墙。由于本工程平面长宽比较大，宽度方向(即弧形径向)迎风面大，其侧向刚度无疑将起控制作用，因此该向剪力墙需按计算需要布置，而长度方向则根据计算结果使两方向侧向刚度相近以及用于提高平面抗扭刚度即可。为减小平面的扭转，布置剪力墙时需尽量对称，且布置于弧形平面外围角部位置的剪力墙对平面抗扭非常有利。

(2)框架柱布置：为尽量减少对建筑使用的影响，采用方形型钢混凝土框架柱。柱按高规特一级抗震要求设置型钢钢骨(约相当于柱截面面积的6%)，在高楼层处对满足受力要求的柱逐步取消柱内钢骨。

结构方案初步计算了两个型钢混凝土框架-剪力墙结构模型。分别为：模型1约10跨剪力墙，模型2约13跨剪力墙，其中各模型的型钢柱最大尺寸为1400mm。主要计算结果见表3中的模型1，2(表3中的“层间位移角”为风荷载作用下的最大层间位移角)。

表3剪力墙数量及柱、梁尺寸对整体刚度的影响

模型柱最大尺寸/mm剪力墙数量一般楼层梁高/mm避难层梁高/mm层间位移角

1140010跨8008001/555

2140013跨8008001/713

3140010跨80018001/700

4140010跨80018001/743

5140010跨80018001/604

通过初步计算可知:型钢混凝土框架-剪力墙结构体系通过设置足够数量的剪力墙(如模型2)，侧向刚度能够满足规范要求。由于模型2对建筑使用影响大，从结构布置需对建筑使用影响最小的角度出发，初步选择模型1的结构布置方案，并在此基础上进行深入计算分析及结构优化以满足规范要求。

3.3结构布置深入分析

对模型1进行深入分析，比较了避难层框架梁高、框架柱截面变化、一般楼层框架梁高对整体模型侧向刚度的影响，模型参数及计算结果见表4中的模型3～5。通过深入计算分析可知：(1)避难层梁高的影响：对比模型1，模型3的避难层梁高加高至1800mm，可使层间位移角减小到1/700，已接近规范的要求，其效果类似加强层的作用。但采用该方式提高侧向刚度时存在以下不利影响：1)导致结构楼层质量、侧向刚度突变，不利于抗震；2)整体结构徐变产生的竖向构件变形差会显著增加避难层大梁内力，从而导致梁面开裂甚至破坏。因此当需要采用此种方式增加整体结构刚度时，需要采取有效的措施减小其带来的负面影响。

(1)柱尺寸的影响：对比模型3，模型4的柱尺寸增至1800mm，柱内可不设置钢骨即可使层间位移角满足规范，也即结构类型为普通钢筋混凝土框架-剪力墙结构。该模型侧向刚度虽能满足规范要求，但大截面柱占用了更多的建筑面积，经济效益较差。由计算还可发现，低层柱截面尺寸的大小及是否设置钢骨均不影响高层柱的截面尺寸，在顶部楼层600mm×600mm的钢筋混凝土柱即可满足受力要求。

(2)一般楼层梁高的影响:对比模型3，模型5的一般楼层框架梁高减至600mm(约为跨度的1/16)，会使层间位移角增加到1/604，与规范要求相差较多，需增设更多的剪力墙才能使侧向刚度达到规范要求。因此一般楼层框架梁高不宜太小，取800mm较为合适(约为跨度的1/12)。因此，后期结构优化考虑的方向为:以模型3为基础，一般楼面梁高控制在800mm，低层柱边长控制在1400mm，并在避难层设置刚度较大的框架梁并通过优化剪力墙布置、墙长、墙厚等手段使结构刚度满足规范要求。若建筑允许对称增设剪力墙，则全楼刚度有富余，可以减小避难层梁高以减小其带来的负面影响。

3.4结构布置优化

根据前期计算分析，以模型3为基础进行进一步结构优化使层间位移角满足规范要求，并预留一定富裕度。计算了剪力墙不同布置的4个模型，并对各模型的侧向刚度、材料用量、扭性能及抗温度裂缝性能等方面进一步深入分析。这4个模型的共同点为：1)柱最大截面为1400×1400(含钢率6%)，最小截面为600×600；2)最大墙厚为1400，最小墙厚为800；3)避难层梁高1800；4)中部的剪力墙仍有增设少量Y向墙肢、连梁的空间；5)尚未考虑观光梯附近剪力墙开大洞的影响。4个模型概况如下：1)模型A(图1(a))：各跨剪力墙对称布置(与前期模型3布置相同，但荷载有调整)；2)模型B(图1(b))：在模型A基础上主要做如下改动：两端的楼梯、电梯周边改为小核心筒，中部个别剪力墙移动与邻近剪力墙形成U形筒；3)模型C(图1(c))：在模型1基础上主要做如下改动：轴、轴各增设一段剪力墙；4)模型D(图1(d))：在模型C基础上主要做如下改动：中部个别剪力墙移动形成U形筒。

图1模型A～D的布置简图

经过计算，各模型的计算控制参数及优缺点见表4(表中的“楼层最大位移与平均位移比值”为风荷载作用下的比值，由于楼层平面质量分布较均匀，因此可用于参考平面抗扭刚度)，由表可知：(1)模型A：材料消耗比较少，但侧向刚度稍显不足。(2)模型B：最大楼层位移与平均位移比值最小，说明在平面长方向端部布置抗扭刚度较好的剪力墙筒体可以显著提高整体结构的抗扭刚度，但长方向端部剪力墙核心筒的存在对平面抵抗温度裂缝很不利。比模型A多消耗约5800m3混凝土，经济性较差；刚度略微增加，但仍不满足规范要求，需进一步采取措施增加刚度。其优点是对建筑使用的影响略小。力墙筒体可以显著提高整体结构的抗扭刚度，但长方向端部剪力墙核心筒的存在对平面抵抗温度裂缝很不利。比模型A多消耗约5800m3混凝土，经济性较差;刚度略微增加，但仍不满足规范要求，需进一步采取措施增加刚度。其优点是对建筑使用的影响略小。

表4各模型计算结果对比

模型层间位移角楼层最大位移

与平均位移比值混凝土用量/m3抵抗温度裂缝

模型A1/6841.28N一般

模型B1/6961.15N+5800较差

模型C1/7461.24N+1300稍好

模型D1/7331.33N+1800稍好

(3)模型C：与模型B相比，节约4500m3混凝土(折合造价约540～720万元)，刚度增大明显(位移角减小至1/746)；材料消耗较小而侧向刚度更大;结构抗扭刚度也较大，基本能够满足规范要求。缺点：1)新增的2跨剪力墙在商场部分对建筑使用有一定影响；2)平面长向端部各有1道刚度较大的剪力墙，其对抵抗平面温度收缩较不利。

(4)模型D：与模型C相比，可看出“移动中部一跨剪力墙”会使刚度稍有下降、材料消耗也有增加，经济性比模型C稍差，但整体性稍好。

由计算比较可知：1)对于狭长平面，在长方向端部布置剪力墙筒体可以显著提高整体结构的抗扭刚度，但其对平面抵抗温度收缩很不利，应慎重采用；2)在长方向角部设置双向剪力墙也能够提供足够的平面抗扭刚度，且其对平面抵抗温度收缩影响相对较小；3)考虑到本工程外围设置有幕墙体系，主体构件均处于室内，且本工程使用标准较高，室内温度变化较小，后期使用阶段的温度应力可控;而施工阶段可采取措施释放和抵抗混凝土收缩应力(措施有：设置施工后浇带以释放混凝土施工期间产生的收缩应力，长度方向梁、板增设抗温度筋，端部剪力墙、柱按温度组合复核配筋等)，因此，在长方向端部布置双向剪力墙的结构布置方案现实可行。

通过分析，模型C为经济性、侧向刚度、抗扭刚度均较合理且可行的结构布置方案，可作为最终结构布置优选方案。