關于高層建筑結構設計的重要分析

1、<p>　　關于高層建筑結構設計的重要分析</p><p>　　摘要：本文分析了高層建筑結構設計的問題，以高層建筑結構設計理論為基礎，規(guī)范國家相關標準為根據(jù)，對高層建筑結構進行了深入的分析研究，總結出了一些具有實用價值的結論，對高層建筑結構設計具有很大的實用意義。 </p><p>　　關鍵詞：高層建筑；結構設計；分析 </p><p>　　中圖分類號：

2、TU3文獻標識碼：A </p><p><b>　　一．工程概況 </b></p><p>　　某住宅小區(qū)位于某國道東側(cè)，由2～12號樓(住宅)及12號樓總建筑面積291239 m2。重點介紹12號樓為一幢臨街商住樓建筑，建筑總高度48．9m，建筑面積24815．48m2，地下局部1層，地上1～3層商業(yè)裙房，在層3進行轉(zhuǎn)換，層高依次為5.0m．4.5m．5.5m地上l

3、2層為住宅，層高3.0m，層16層為樓、電梯間，層高為4．8m。l層至3層近似為矩形平面，外輪廓尺寸約為33.5mx34.5m，3層轉(zhuǎn)換層以上平面為“工”字型平面，結構平面見圖1(a,b)。 </p><p>　　工程采用框支剪力墻結構，方案設計時存在平面不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、豎向轉(zhuǎn)換等抗震不利因素，初設時通過調(diào)整平面，減少平面不規(guī)則性。通過合理的布置剪力墻以減弱結構的不規(guī)則程度，緩解由設置轉(zhuǎn)換層造成的豎向剛度突變

4、部位和平面薄弱環(huán)節(jié)在地震作用下應力和變形的集中程度，對薄弱部位采取適當?shù)目拐饦嬙齑胧岣呓Y構在地震作用下的抗震性能。 </p><p>　　(a)底層平面布置圖 (b)4層以上平面布置圖 </p><p>　　圖1結構平面布置圖 </p><p>　　二．結構和構件設計 </p><p><b>　　2.1結構形式 </b&

5、gt;</p><p>　　本工程設計利用樓、電梯間設置簡體剪力墻，外圍布置落地剪力墻，在底部3層采用樵支柱進行轉(zhuǎn)換，形成底部大空間的框支剪力墻結構。該結構形式在較好的滿足下部商業(yè)和上部住宅建筑功能的同時，通過調(diào)整落地剪力墻、框支柱和上部剪力墻的布置，使不連續(xù)結構豎向抗側(cè)力構件，剛度均勻變化，達到結構具有良好的抗側(cè)剛度和抗扭剛度。 </p><p>　　2.2結構平、立面布置 </p

6、><p>　　框支剪力墻布置時，縱、橫向剪力墻力求均勻布置，盡量使2個主軸方向剛度一致，并盡量保證簡體剪力墻墻肢的完整性，提高筒體的抗震性能。通過優(yōu)化調(diào)整化布置上部剪力墻周邊的剪力墻墻長度和厚度，以及下部落地剪力墑的位置，基本實現(xiàn)結構的質(zhì)量中心和剛度中心接近或者接近重合，適當減少結構的扭轉(zhuǎn)效用。結構兩個主軸方向的剪力墻均勻布置，使兩個主軸方向的地震作用效應基本接近。 </p><p>　　2.

7、3薄弱層的定義和邊緣構件的設置 </p><p>　　《高層建筑混凝土結構技術規(guī)》(JGJ3—2010)(簡稱高規(guī))第7.1.4條規(guī)定，剪力墻底部加強部位的高度從地下室頂板算起，取底部兩層和墻體總高度的1／10的較大值?！陡咭?guī)》10.2.2帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結構，其剪力墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起，宜取至轉(zhuǎn)換層以上兩層且不宜小于房屋高度的1／10。本T程地上1～5層設置約束邊緣構件，6層以上設置構造邊緣

8、構件。剪力墻豎向構件不能直接連續(xù)貫通落地的第3層定義為結構薄弱層。 </p><p>　　2.4上部結構主要構件設計 </p><p>　　2.4.1剪力墻、框支柱的設計 </p><p>　　落地剪力墻的厚度從下(轉(zhuǎn)換層以下)至上(轉(zhuǎn)換層以上至屋面)分別為300，200mm；其余部分剪力墻在轉(zhuǎn)換層及以下為400，300mm，混凝土等級為C40，C30。轉(zhuǎn)換層以下框

9、支柱截面為800x800mm一1000xl100mm。 </p><p>　　2.4.2轉(zhuǎn)換粱框架梁、暗梁和次梁的設計 </p><p>　　轉(zhuǎn)換梁截面高度不小于計算跨度的1／8(均不小于1．2m)，截面的寬度均不小于其上墻體截面厚度的2倍且不小于500mm，嵌入框架柱之間的剪力墻在樓面位置設置框支梁，框支梁寬度設置區(qū)不小于墻寬2倍，高度不小于計算跨度的1／8，該梁參與整體計算并按框支梁配

10、筋。筒體周邊設置500x1200邊框暗梁與其其余框支梁形成連續(xù)布置。上部剪力墻結構部分，梁截面尺寸200x400～200x600，框架梁與剪力墻在同一平面內(nèi)或者在框架梁軸線上有端柱時框架梁與剪力墻剛接；在平面外時，框架梁與剪力墻鉸接。次梁截面尺寸為150x350，200x400～200x550。 </p><p>　　2.4.3樓板設計 </p><p>　　3層轉(zhuǎn)換層豎向突變部位板厚取為

11、180mm，雙層雙向配筋口12@200，配筋率為0．313％，取計算值且不小于0．25％。屋面板厚度為120mm．雙層雙向通長配筋8@200。其余各層樓板取100mm，按計算配置樓板鋼筋，并不小于規(guī)范最小配筋率要求。 </p><p>　　三.結構整體計算分析 </p><p>　　3.1結構計算參數(shù) </p><p>　　該工程設計使用年限50年，抗震設防烈度為6

12、度、第一組，設計基本加速度值0.1g，抗震設防類別為丙類，建筑場地類別為I 1類，特征周期為0．25s，多遇地震影響系數(shù)最大值0.04，罕遇地震影響系數(shù)最大值0.28，抗震等級框支柱一級，框架梁二級，底部加強區(qū)剪力墻三級，其余部分剪力墻為四級。50年重現(xiàn)期的基本風壓為0.40s，承載力設計時按基本風壓的1.1倍采用，地面粗糙度B類。 </p><p>　　樓面荷載按照實際計算，住宅部分面層荷載1.8KN／rd，衛(wèi)

13、生問部分面層荷載6.1KN／m2；活荷載臥室、起居室樓面2.0KN／m2，衛(wèi)生間、廚房2.0KN/m2，樓梯間前室3.5 KN/m2，陽臺2.5KN／m2，不上人屋面0.5KN／m2，上人屋面2.0KN／m2，電梯機房7.0KN／m2 。 </p><p>　　3.2計算結果分析 </p><p>　　結構整體計算采用STWE(201 1版)軟件。 </p><p>

14、;　　3.2.1周期比及陣型數(shù) </p><p>　　結構計算陣型數(shù)取18個，x方向有效陣型數(shù)99.45％ ；Y方向有效陣型數(shù)96．21％，均滿足高規(guī)5．1．13規(guī)定。結構第1陣型為x向平動，第2陣型Y向平動，第3陣型為扭轉(zhuǎn)陣型，T3/T1=1．0898／1．4106=0.772，滿足高規(guī)第3.4.5條規(guī)定。前3個陣型周期結果詳見表1。 </p><p>　　3.2.2風荷載和地震作用下的

15、結構層間位移 </p><p>　　風荷載和地震作用下的結構層間位移計算結果見表2，可見結果滿足高規(guī)3．7．3條要求的規(guī)定。 </p><p>　　風荷載和地震作用下的結構層問位移角 表2 </p><p>　　3.2.3總質(zhì)量和最小剪力系數(shù) </p><p>　　結構總質(zhì)量為23339.168t，活載產(chǎn)生的總質(zhì)量1616.601，恒載產(chǎn)生的

16、總質(zhì)量21722.568 t。x方向最小剪力系數(shù)0．84％，Y方向最小剪力系數(shù)1．12％，滿足抗規(guī)5.2.5條最小剪力系數(shù)≥0.8％的規(guī)定。 </p><p>　　3.2.4平面規(guī)則性分析 </p><p>　　在雙向地震作用和考慮偶然偏心的地震作用下最大彈性層間位移和樓層平均層間位移之比的最大值為1．15(x向)，1．40(Y向)，滿足高規(guī)3．4．5條對復雜建筑不宜大于該樓層平均的1．2

17、倍，不應大于該樓層平均值的1．4倍之要求。由于本工程計算的樓層最大層間位移角不大于本樓層層間位移角限制的40％時，該樓層的扭轉(zhuǎn)位移比的上限可適當放松，但不大應大于1．6(考慮復雜結構不超過1．5)之要求(綜合考慮平面規(guī)則性滿足要求)。 </p><p>　　3.2.5豎向規(guī)則性分析 </p><p>　　結構各層側(cè)向剛度與相鄰上一層的側(cè)向剛度比的范圍為0.9129～1.6585(x向)1.

18、0502～1．6891(Y向)，滿足高規(guī)3．5．2條該值不宜小于0．9的要求?？蛑Ъ袅υ谵D(zhuǎn)換層處(3F)為薄弱層，薄弱層地震剪力放大系數(shù)=1．25；轉(zhuǎn)換層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比為0．72(大于0．6)，滿足高規(guī)附錄E．0．2；轉(zhuǎn)換層下部結構與上部結構的等效側(cè)向剛度比Ye2為1．3727(x向)，1．0281(Y向)滿足高規(guī)附錄E.0.3接近于1之要求。 </p><p>　　3.2.6上下層抗剪承栽力之比的驗

19、算 </p><p>　　本工程結構各樓層其上一樓層抗剪承載力與本層抗剪承載力的比值范圍為0．84～2．39(X向)，0．86～1．99(Y向)，滿足高規(guī)第3．5．3條關于A級高度高層建筑的樓層抗側(cè)力結構的層間受剪承載力不宜小于其相鄰上一層層間受剪承載力的80％的規(guī)定。 </p><p>　　3.2.7抗傾覆驗算 </p><p>　　Mr／Mov計算值見表3，結果

20、滿足高規(guī)12．1．7條在重力荷載代表值作用下，高層建筑基礎底面不宜出現(xiàn)零應力區(qū)的要求。 </p><p>　　Mr/Mov計算值 表3 </p><p>　　框支框架承擔的地震傾覆力矩見表4，框支框架部分所承擔的地震傾覆力矩占結構總地震傾覆力矩之比例，按抗規(guī)框架部分按照剛度分配的地震傾覆力矩的計算方法確定，結果滿足高規(guī)10．2．16．7條框支框架承擔的地震傾覆力矩應小于結構總地震傾覆力矩的

21、50％之要求，抗規(guī)6.1.9.4之要求?？蛑Э蚣艹袚牡卣饍A覆力矩 表4 </p><p>　　3.2.8結構整體穩(wěn)定性分析 </p><p>　　該工程結構x向最小剛重比9.O1，Y向最小剛重比14.42，均大于1.4，且大于2.7，可以不考慮重力二階效應，建筑的整體穩(wěn)定性滿足高規(guī)5.4.4的要求。 </p><p>　　四.結構的不規(guī)則情況和設計措施 </

22、p><p>　　4．1樓板的局部不連續(xù) </p><p>　　轉(zhuǎn)換層以上各標準層，在～軸范圍存在較大的凹進，有效板寬僅為9.2m，為樓板典型寬度的(23.0m)的40.0% ，小于典型寬度的50％的規(guī)范要求。 </p><p>　　結構設計時經(jīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，在～軸范圍增加了部分連板，使樓板凈寬度增加為12．8m，有效板寬度與該樓層板典型寬度的比值提高至55．6％，滿足

23、抗規(guī)3．4．3條對于樓板局部不連續(xù)的要求。 </p><p>　　中間簡體樓梯間、電梯間開洞削弱后的樓板在地震作用下易造成應力和變形的集中，容易引起樓板的開裂甚至破壞。本工程在設計中，在薄弱部位、筒體周圍增大樓板厚度、增加板內(nèi)配筋，設置邊梁等方式加強樓板削弱區(qū)域。樓板平面剛度突變時，在強烈地震作用下會產(chǎn)生顯著的面內(nèi)變形。結構計算中才用彈性樓板的假定，并控制板面內(nèi)拉應力在多遇地震作用下不大于混凝土的抗拉強度，板內(nèi)配

24、置的鋼筋在基本烈度的地震作用下不屈服。 </p><p>　　為提高樓板消弱區(qū)域的抗震性能，在凹進及簡體、樓梯開洞部位的板取l20mm，該處樓板配筋雙層雙向配筋口8@180，配筋率為0．28％，配筋率不小于0.25％，樓板上部鋼筋連續(xù)貫通錨人板內(nèi)。 </p><p>　　4.2 凹凸不規(guī)則 </p><p>　　本工程層4—15層平面2側(cè)面突出長度10.2m，該突出

25、面寬9．4m(長度方向為35．7m)占該長度方向的26.3％，突出部位長寬比為9.4／10.2=0.92滿足高規(guī)3.4.3.2條之規(guī)定，按照高規(guī)該側(cè)平面不為凹凸不規(guī)則。 </p><p><b>　　4.3扭轉(zhuǎn)不規(guī)則 </b></p><p>　　4.3.1扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的判定在雙向地震作用和考慮偶然偏心的地震作用下，本工程最大彈性層間位移和樓層的平均層間位移之比的最大值

26、為1.14(X向)，1.40(Y向)；最大位移與層平均位移的比值為1．14(X向)，1．37(Y向)。按照抗規(guī)3.4.3條判定為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。 </p><p>　　4.3.2扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的控制 </p><p>　　為了減少扭轉(zhuǎn)不規(guī)則對結構的不利影響，減少扭轉(zhuǎn)效應，剪力墻的布置力求均勻布置，結合2個方向剛度情況，調(diào)整上、下部剪力墻的布置方向等方式，盡量保證結構的質(zhì)量中心剛度中心的接近和重合。

27、并結合周邊剪力墻的抗側(cè)剛度，增大角部剪力墻的抗側(cè)剛度，適當減小簡體部分抗側(cè)剛度，提高結構的整體抗扭性能。 </p><p>　　本工程結構整體計算模型經(jīng)過反復調(diào)整，優(yōu)化結構布置，使結構的質(zhì)量中心和剛度中心的距離轉(zhuǎn)換層以下為0.13～0.89(X向)，1.06～2．05(Y向)，對應建筑物總長分別為2．6％和5.8％；轉(zhuǎn)換層以上標準層為0.35～O．47(x向)，1.07～1.24(Y向)，對應建筑物總長分別為0.

28、81％和3.5％。 </p><p>　　本工程的扭轉(zhuǎn)周期比Tt／TI=0。772，遠小于規(guī)范對復雜結構0．85的限制；設計中嚴格控制樓層豎向構件的最大水平位移與該樓層水平位移的比值，避免出現(xiàn)該比值大于1．4的情況。 </p><p>　　4.4結構豎向布置 </p><p>　　4.1豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)判定 </p><p>　　因建筑使

29、用功能要求的變化，本工程3層以下結構采用大空間，上部部分豎向構件不能連續(xù)落地，設置轉(zhuǎn)換層，形成帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結構。根據(jù)高規(guī)10.2條，抗規(guī)3.4.2條，為豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)，本工程為結構豎向不規(guī)則。 </p><p>　　4.2豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)建筑的抗震措施 </p><p>　　結構薄弱層在多遇地震作用下的剪力設計值乘以1．25的增大系數(shù)。底部加強部位的高度取至轉(zhuǎn)換層以上兩層；

30、轉(zhuǎn)換層上下部側(cè)向剛度比滿足高規(guī)附錄E.02的規(guī)定；轉(zhuǎn)換構件的水平地震作用計算內(nèi)力乘以1.3；框支柱、剪力墻底部加強部位的抗震等級提高一級為一級；對豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)的樓層的剪力墻水平鋼筋的配置配筋率不小于0．3等措施。滿足高規(guī)對復雜高層建筑結構設計10.2條等內(nèi)容的要求。 </p><p>　　4.5轉(zhuǎn)角窗的布置與取舍 </p><p>　　本工程在4—15層以上，建筑原設計在上下四角設

31、置4個轉(zhuǎn)角飄窗，在經(jīng)過結構試算后，此方案布置為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，第二陣型即為扭轉(zhuǎn)陣型，對抗震不利；后經(jīng)與建筑協(xié)商，將角部4處轉(zhuǎn)角飄窗設置成一般飄窗，角部設置剪力墻后增加了結構的整體剛度，增加了結構的整體抗扭剛度，提高了結構的抗震性能，經(jīng)最后的計算結果來看，扭轉(zhuǎn)周期得到控制，最大位移與層平均位移的比值得到控制，均滿足規(guī)范要求。 </p><p><b>　　五.結語 </b></p>