闡述某工程高層建筑結構設計

孔偉珊

摘要：結合該工程超限高層的建筑結構設計，詳細介紹了工程結構布置、結構計算和結構關鍵部位的確定原則，給出了相應計算分析結果。計算結果表明，工程在多遇地震作用下的多個抗震性能指標均能滿足相關規(guī)范的要求，結構能達到小震不壞，中震可修和大震不倒的抗震設防標準。該工程的設計思路可供工程設計人員參考。.

關鍵詞：高層建筑；工程抗震；結構設計

1、工程概況

該工程總建筑面積為60718m2，屬于大底盤雙塔樓復雜高層結構。主體建筑高99.13m，建筑層數(shù)34層，要求在29.5m×60.3m，空間內(nèi)不設結構柱，并且大宴會廳屋面設置為網(wǎng)球場及游泳池。1號樓為大公寓辦公樓，共20層，總高98.1m；2號樓為酒店主樓，共28層，總高為97.6m。建筑基本風壓取tO。=0.94kN/m2，地面粗糙度為B類，抗震烈度為7度，設計地震分組為一組，場地類別Ⅱ類。

2、結構超限認定及采取的措施

2.1 超限認定

由于建筑功能復雜，為滿足建筑底部大空間的需要。工程采用框支剪力墻結構體系，轉換層設在5層，采用梁式轉換，屬于高位轉換。轉換層以上為雙塔結構，其酒店主樓為錯層結構，主體建筑高度99.1m，因此該工程屬于錯層、超高、超限的復雜高層建筑結構。

2.2 錯層

由于各功能區(qū)的層高要求各不相同，且在同一個功能區(qū)還有躍層、錯層等要求。造成工程的層高非常復雜。為了真實地模擬這種層高的變化，在建立結構分析計算模型的時候，對裙房以上兩主樓采用SATWE多塔進行定義，以解決兩主樓各自層高不同問題。對同一塔樓內(nèi)結構錯層，按實際層高建模，對錯層樓板均設為彈性膜，真實計算樓板平面內(nèi)剛度。

2.3 高位轉換

高位轉換在我國現(xiàn)行的相關結構設計規(guī)范及規(guī)定中規(guī)定屬于超限結構。在結構的彈性工作階段，轉換層以上的框支剪力墻與轉換層以下的落地剪力墻所承擔的水平地震力的大小基本相當，轉換層以下的剪力絕大部分由落地剪力墻承擔，此時的框支柱承擔的水平剪力很小。而結構進入彈塑性工作階段，一般是落地剪力墻首先出現(xiàn)裂縫或塑性鉸進入塑性工作狀態(tài)，其具體表現(xiàn)為落地剪力墻的水平抗側剛度降低，落地剪力墻所承擔的水平地震剪力向框支柱轉移，此時框支柱就成為了整個結構中的薄弱部位。對高位轉換結構而言，更是如此，因此在高位轉換層結構設計時，應該對框支柱的抗震性能及其延性設計更加重視。本工程具體采用以下加強措施：①增大核心筒及落地剪力墻的墻厚度，以加大核心筒和落地剪力墻的水平抗剪能力；②采用型鋼混凝土框支柱，以改善框支柱的延性及其他抗震性能；③調(diào)整計算模型，使得在水平地震荷載作用下，結構的轉換層上下及相鄰層的相對位移角盡量無突變，水平變形曲線盡量平滑。

2.4 預應力型鋼混凝土梁

本工程對跨度在20m的梁，采用預應力混凝土結構，對屋面跨度30ta梁采用預應力型鋼混凝土，具體做法如下：

（1）采用1860級有粘結低松弛鋼絞線與無粘結鋼絞線束混合配置，混凝土強度達到C30時，開始張拉，張拉控制應力為1302MPa，采用雙控，超張拉3%，端錨具采用夾片錨，固定端錨具采用擠壓錨。

（2）20m跨度預應力混凝土梁，梁截面為500×1500，采用預應力束29束，其中有粘結21束，無粘結8束僅用于提高抗裂，不參與強度驗算。

（3）30m跨度預應力型鋼混凝土梁，梁截面為600111111 x 1600mm，型鋼采用工字鋼，鋼梁腹板高度1400ram，鋼板厚度16mm；翼板寬度400ram，鋼板厚度30mm；因強度要求已滿足，采用預應力束20束，均為無粘結束，僅用于提高抗裂，不參與強度驗算。

3、結構計算及抗震技術措施

3.1 利用程序軟件進行結構整體及局部分析

本項目采用SATWE、PMSAP進行整體計算，并采用ETABS進行復核。對轉換粱及框支柱采用FEQ進行復核配筋，預應力采用PREC進行計算配筋，采用PMSAP進行彈性動力時程分析。

3.2 本工程實際采用的主要抗震技術措施

（1）本項目屬于平面及豎向均不規(guī)則的結構，因此在結構平面布置時，力求豎向構件盡可能地均勻布置，以減少結構的整體扭轉效應。

（2）框支層及以下各層均為結構的薄弱層，在進行結構設計時必須進行概念性加強，提高框支柱的抗震性能及其延性，如對框支柱與落地剪力墻的彎矩與剪力調(diào)整，框支柱的軸壓比按0.55進行控制，框支柱縱向鋼筋的配筋率提高到1.20%一1.40%，框支柱箍筋的體積含箍率提高到1.50%等。在設計落地剪力墻的分布鋼筋時，考慮到本項目為高位轉換結構分布鋼筋配筋率取為0.3%～0.4%，以提高落地剪力墻自身的抗震性能和延性，減輕端部暗柱負擔。

（3）剪力墻從正負零至轉換層以上兩層墻體都定義為加強區(qū)，分布筋的配筋率也取為0.3%一0.4%，框支柱部分縱筋上升到上一層剪力墻。

（4）連梁以低連梁為主。以彎曲變形為主的長梁視為普通框架梁。為了確保作為耗能元件的連梁的延性，在輔助計算和構造上實現(xiàn)強剪弱彎，強壓弱拉等設計原則，部分連梁增設暗撐進行加強。

（5）框支梁能較好地和上郝墻體共同工作，按有關規(guī)范設計即可。為安全起見，按照轉換大梁的設計方法，對其剪壓比作適當控制，取0.10～0.15。

3.3 結構計算的主要結果

3.3.1 SATWE和PMSAP分析結果：SATWE和PMSAP的主要計算結果如表l所示。

從表1可以看出：

（1）第一及第二周期均為平動周期，第三周期為扭轉周期，第三周期與第一周期的比值均小于0.90，滿足《高規(guī)》要求，表明結構布置合理。

（2）結構在計算地震作用下，雙向地震作用下樓層的最大位移與該樓層平均位移的比值均小于1.5倍限值，滿足規(guī)范要求。最大位移滿足規(guī)范1/800之規(guī)定，且接近規(guī)范限值。x向及l(fā)，向位移接近，顯示整體結構剛度合理，布置均勻。

（3）根據(jù)《高規(guī)》中計算轉換層上、下結構側向剛度比的計算公式，本工程均滿足規(guī)范要求。

（4）從SATWE與PMSAP兩種程序計算的比較來看，周期、層問位移、地震力等指標均比較接近，未發(fā)現(xiàn)異常情況，說明計算結果可靠，可作為設計依據(jù)。

3.3.2 彈性動力時程分析結果

根據(jù)結構特點，選擇了兩條人工波和兩條自然波，對該結構進行彈性動力時程分析。計算結果表明，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值均不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%，滿足規(guī)范要求。根據(jù)樓層位移角包絡曲線，結構在5層和22層出現(xiàn)位移突變。5層為結構轉換層，22層及以上為建筑樓層高度變化處，表明計算結果與建筑功能變化相一致，能反映工程實際受力狀況。針對這種位移突變，設計時對4—6層及20一23層通過調(diào)整剪力墻體數(shù)量、剪力墻體厚度、連梁高度等方法控制層間剛度，并提高了該部位剪力墻配筋率等方法進行加強處理。

4、設計體會

（1）通過對空間結構分析和平面有限元分析計算結果的對比分析，空間結構分析方法對結構內(nèi)力分布的計算更接近實際，而平面有限元的分析方法對框支梁的計算結果偏于保守的，過大地估計了轉換梁的內(nèi)力，勢必會加大構件截面和配筋。

（2）通常在高層建筑結構分析中，樓板面內(nèi)剛度無限大是一個重要假定，直接影響著層間剪力在各個墻、柱之間的分配方式。而對于樓板開大洞以及錯層的情況，采用這一假定計算結果誤差較大，應采用實際情況采用彈性樓板假定。

（3）建筑功能和造型的要求，使得本工程成為復雜高層結構，但在設計中已注意到其薄弱部位和重要環(huán)節(jié)，采取了相應的計算分析和加強措施，使結構具有較好的抗震性，相關指標均能夠滿足規(guī)范要求。

參考文獻：

[1]王亞勇，戴國瑩.建筑抗震設計規(guī)范疑問解答[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2]張維斌.鋼筋混凝土帶轉換層結構設計釋疑及工程實例[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社。2008.

[3]陳岱林，李云貴，魏文郎.多層及高層結構CAD軟件高級應用【M].北京：中國建筑工業(yè)出版社。2008.

孔偉珊

摘要：結合該工程超限高層的建筑結構設計，詳細介紹了工程結構布置、結構計算和結構關鍵部位的確定原則，給出了相應計算分析結果。計算結果表明，工程在多遇地震作用下的多個抗震性能指標均能滿足相關規(guī)范的要求，結構能達到小震不壞，中震可修和大震不倒的抗震設防標準。該工程的設計思路可供工程設計人員參考。.

關鍵詞：高層建筑；工程抗震；結構設計

1、工程概況

該工程總建筑面積為60718m2，屬于大底盤雙塔樓復雜高層結構。主體建筑高99.13m，建筑層數(shù)34層，要求在29.5m×60.3m，空間內(nèi)不設結構柱，并且大宴會廳屋面設置為網(wǎng)球場及游泳池。1號樓為大公寓辦公樓，共20層，總高98.1m；2號樓為酒店主樓，共28層，總高為97.6m。建筑基本風壓取tO。=0.94kN/m2，地面粗糙度為B類，抗震烈度為7度，設計地震分組為一組，場地類別Ⅱ類。

2、結構超限認定及采取的措施

2.1 超限認定

由于建筑功能復雜，為滿足建筑底部大空間的需要。工程采用框支剪力墻結構體系，轉換層設在5層，采用梁式轉換，屬于高位轉換。轉換層以上為雙塔結構，其酒店主樓為錯層結構，主體建筑高度99.1m，因此該工程屬于錯層、超高、超限的復雜高層建筑結構。

2.2 錯層

由于各功能區(qū)的層高要求各不相同，且在同一個功能區(qū)還有躍層、錯層等要求。造成工程的層高非常復雜。為了真實地模擬這種層高的變化，在建立結構分析計算模型的時候，對裙房以上兩主樓采用SATWE多塔進行定義，以解決兩主樓各自層高不同問題。對同一塔樓內(nèi)結構錯層，按實際層高建模，對錯層樓板均設為彈性膜，真實計算樓板平面內(nèi)剛度。

2.3 高位轉換

高位轉換在我國現(xiàn)行的相關結構設計規(guī)范及規(guī)定中規(guī)定屬于超限結構。在結構的彈性工作階段，轉換層以上的框支剪力墻與轉換層以下的落地剪力墻所承擔的水平地震力的大小基本相當，轉換層以下的剪力絕大部分由落地剪力墻承擔，此時的框支柱承擔的水平剪力很小。而結構進入彈塑性工作階段，一般是落地剪力墻首先出現(xiàn)裂縫或塑性鉸進入塑性工作狀態(tài)，其具體表現(xiàn)為落地剪力墻的水平抗側剛度降低，落地剪力墻所承擔的水平地震剪力向框支柱轉移，此時框支柱就成為了整個結構中的薄弱部位。對高位轉換結構而言，更是如此，因此在高位轉換層結構設計時，應該對框支柱的抗震性能及其延性設計更加重視。本工程具體采用以下加強措施：①增大核心筒及落地剪力墻的墻厚度，以加大核心筒和落地剪力墻的水平抗剪能力；②采用型鋼混凝土框支柱，以改善框支柱的延性及其他抗震性能；③調(diào)整計算模型，使得在水平地震荷載作用下，結構的轉換層上下及相鄰層的相對位移角盡量無突變，水平變形曲線盡量平滑。

2.4 預應力型鋼混凝土梁

本工程對跨度在20m的梁，采用預應力混凝土結構，對屋面跨度30ta梁采用預應力型鋼混凝土，具體做法如下：

（1）采用1860級有粘結低松弛鋼絞線與無粘結鋼絞線束混合配置，混凝土強度達到C30時，開始張拉，張拉控制應力為1302MPa，采用雙控，超張拉3%，端錨具采用夾片錨，固定端錨具采用擠壓錨。

（2）20m跨度預應力混凝土梁，梁截面為500×1500，采用預應力束29束，其中有粘結21束，無粘結8束僅用于提高抗裂，不參與強度驗算。

（3）30m跨度預應力型鋼混凝土梁，梁截面為600111111 x 1600mm，型鋼采用工字鋼，鋼梁腹板高度1400ram，鋼板厚度16mm；翼板寬度400ram，鋼板厚度30mm；因強度要求已滿足，采用預應力束20束，均為無粘結束，僅用于提高抗裂，不參與強度驗算。

3、結構計算及抗震技術措施

3.1 利用程序軟件進行結構整體及局部分析

本項目采用SATWE、PMSAP進行整體計算，并采用ETABS進行復核。對轉換粱及框支柱采用FEQ進行復核配筋，預應力采用PREC進行計算配筋，采用PMSAP進行彈性動力時程分析。

3.2 本工程實際采用的主要抗震技術措施

（1）本項目屬于平面及豎向均不規(guī)則的結構，因此在結構平面布置時，力求豎向構件盡可能地均勻布置，以減少結構的整體扭轉效應。

（2）框支層及以下各層均為結構的薄弱層，在進行結構設計時必須進行概念性加強，提高框支柱的抗震性能及其延性，如對框支柱與落地剪力墻的彎矩與剪力調(diào)整，框支柱的軸壓比按0.55進行控制，框支柱縱向鋼筋的配筋率提高到1.20%一1.40%，框支柱箍筋的體積含箍率提高到1.50%等。在設計落地剪力墻的分布鋼筋時，考慮到本項目為高位轉換結構分布鋼筋配筋率取為0.3%～0.4%，以提高落地剪力墻自身的抗震性能和延性，減輕端部暗柱負擔。

（3）剪力墻從正負零至轉換層以上兩層墻體都定義為加強區(qū)，分布筋的配筋率也取為0.3%一0.4%，框支柱部分縱筋上升到上一層剪力墻。

（4）連梁以低連梁為主。以彎曲變形為主的長梁視為普通框架梁。為了確保作為耗能元件的連梁的延性，在輔助計算和構造上實現(xiàn)強剪弱彎，強壓弱拉等設計原則，部分連梁增設暗撐進行加強。

（5）框支梁能較好地和上郝墻體共同工作，按有關規(guī)范設計即可。為安全起見，按照轉換大梁的設計方法，對其剪壓比作適當控制，取0.10～0.15。

3.3 結構計算的主要結果

3.3.1 SATWE和PMSAP分析結果

（1）第一及第二周期均為平動周期，第三周期為扭轉周期，第三周期與第一周期的比值均小于0.90，滿足《高規(guī)》要求，表明結構布置合理。

（2）結構在計算地震作用下，雙向地震作用下樓層的最大位移與該樓層平均位移的比值均小于1.5倍限值，滿足規(guī)范要求。最大位移滿足規(guī)范1/800之規(guī)定，且接近規(guī)范限值。x向及l(fā)，向位移接近，顯示整體結構剛度合理，布置均勻。

（3）根據(jù)《高規(guī)》中計算轉換層上、下結構側向剛度比的計算公式，本工程均滿足規(guī)范要求。

（4）從SATWE與PMSAP兩種程序計算的比較來看，周期、層問位移、地震力等指標均比較接近，未發(fā)現(xiàn)異常情況，說明計算結果可靠，可作為設計依據(jù)。