某高層綜合樓結構設計中的問題及解決方法

成 高 峰

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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某高層綜合樓結構設計中的問題及解決方法

成 高 峰

(山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013)

以山西行政學院綜合樓工程為例，介紹了該工程的結構布置方案，通過整體計算，探討了主樓與裙樓的優(yōu)化設計措施，并針對剪力墻、框架柱和連梁設計中遇到的問題，提出了具體的解決對策。

教學樓，裙樓，剪力墻，框架柱，概念設計

1 工程概況

本工程為山西行政學院(中共山西省委黨校)綜合樓,建設地點位于太原市學府街山西行政學院校園東北角。本工程地下2層，地上主樓19層(裙樓文體綜合樓地上3層),主樓1層層高5.4 m,2層，3層層高4.8 m,標準層層高3.9 m(13層層高6.1 m)，建筑總高度79.6 m；裙樓1層層高10 m,2層層高4.8 m,3層層高8.8 m。主樓與裙樓之間設抗震縫。主要設計參數(shù)：基本風壓修正后為0.44 kN/m2,地面粗糙度類別：C類。抗震設防烈度：8度，設計基本地震加速度值為0.20g，設計地震分組為第一組。建筑結構安全等級：二級，建筑抗震設防類別：丙類，剪力墻抗震等級：一級，框架抗震等級：主樓一級(裙樓二級)。建筑場地類別：Ⅲ類,地基基礎設計等級：乙級。

2 結構布置

2.1 基本原則

本工程主樓為綜合教學樓，各樓層使用功能復雜。裙樓為文體綜合樓，1層設有綜合運動館，2層為學員餐廳廚房，3層設有300人教室。考慮到本工程結構空間及結構高度的需要，主體結構采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結構。根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》的要求，框架梁與框架柱或框架柱與剪力墻的中線應盡量重合；剪力墻宜均勻布置在建筑物的四周、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位，剪力墻間距不宜過大?？拐鹪O計時，剪力墻的布置宜使結構各主軸方向的側向剛度相近，所以剪力墻平面布置宜沿兩個主軸方向雙向布置。

2.2 結構設計中的難點

1)主樓難點。

本工程主樓因使用功能復雜致使剪力墻布置除樓電梯間及建筑周邊外均未能通高設置，又因建筑外立面的要求剪力墻在建筑周邊布置也受到限制。同時本工程底部樓層層高較高，剪力墻截面設計還需滿足穩(wěn)定性要求。再者本工程主樓13層層高為6.1 m，其他相鄰樓層層高3.9 m,可能產生剛度突變形成薄弱層。

2)裙樓難點。

首先因裙樓1層為學員運動場所，活動區(qū)域框架柱全部拔除，豎向抗力構件布置受限且形成一個22.5 m×36.0 m的大空間。其次因裙樓1層層高大于2層層高的1.5倍，裙樓2層也可能產生剛度突變。

2.3 整體計算及優(yōu)化設計

本工程整體計算的主要控制指標有：

首先，根據《建筑抗震設計規(guī)范》表 5.5.1 要求，鋼筋混凝土框架—抗震墻結構彈性層間位移角不大于1/800。

其次，根據《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》3.4.5要求豎向構件最大層間位移與平均層間位移比不應大于1.5，不宜大于1.2。以結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比不應大于0.9。

再次，根據《高規(guī)》3.5.2條規(guī)定，對框架—剪力墻結構，樓層與其相鄰上層的側向剛度比值不宜小于0.9；當本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1。

最后，根據《高規(guī)》8.13條規(guī)定，典型框剪結構中底層框架部分承受的地震傾覆力矩應大于結構總地震傾覆力矩的10%但不大于50%。

1)主樓初步計算后，從結構平面布置來看剪力墻整體布置較為均勻，結構質心與剛心基本重合，整體計算指標基本滿足，但主樓13層產生剛度突變，13層與14層剛度比值遠小于1.1，同時最大層間位移與平均層間位移比為1.35，扭轉位移比較大。

第一次優(yōu)化設計。

調整措施：a.增加結構兩端剪力墻布置從而加強結構兩端剛度。b.根據提高13層剛度減小14層剛度的原則，加大13層以下框架柱及剪力墻截面，減小14層以上框架柱及剪力墻截面。經計算后結構13層與14層剛度比值為0.98,最大層間位移與平均層間位移比降為1.31。

第二次優(yōu)化設計。

因結構樓電梯間剪力墻布置較多，剛度較大，減小剪力墻截面后剛度變化有限，又因結構彈性層間位移角較為充裕，可刪減部分樓電梯間剪力墻。經計算后結構13層與14層剛度比值為1.18,最大層間位移與平均層間位移比降為1.27。

第三次優(yōu)化設計。

綜合考慮前兩次優(yōu)化設計，細化結構模型，通過調整連梁高度等措施，經計算后結構主要計算指標如下：地震作用下X方向最大層間位移角1/935,Y方向最大層間位移角1/896?？紤]偶然偏心在地震作用規(guī)定水平力下，最大位移與層間平均位移的比值均在1.2～1.3之間，進而本工程需考慮雙向地震作用。X向和Y向底層框架承擔抗傾覆力矩均在10%～50%之間，按典型的框剪結構進行設計，無需調整結構抗震等級。計算振型數(shù)為24個，計算結果顯示抗震計算時的振型參與質量與總質量之比為：X向為97.50%，Y向為95.50%。13層與14層剛度比值為1.25，滿足規(guī)范要求。

經計算本工程結構布置如圖1所示。

2)裙樓設計，裙樓大空間的樓蓋形式初步考慮方案有以下四種形式：井字梁樓蓋、單向密肋梁、鋼桁架、鋼網架。因裙樓2層為廚房，恒活荷載都較大，初步計算后井字梁和單向密肋梁兩種樓蓋形式截面高度都較大，并且樓蓋撓度也較大從而影響建筑層高，但樓蓋剛度較大有利于整體位移計算；鋼桁架和鋼網架兩種樓蓋形式截面高度相對較小，但樓蓋剛度也較小不利于整體位移計算,同時鋼結構樓蓋使用的耐久性和舒適性較差。綜合分析上述樓蓋的優(yōu)缺點最終選用單向密肋梁樓蓋，但為了解決單向密肋梁截面較高撓度較大而影響建筑層高的缺點，對單向密肋梁施加預應力。裙樓單向密肋梁樓蓋采用后張無粘結預應力技術處理后，梁截面高度和梁撓度顯著減小從而能滿足建筑層高的要求。其次因裙樓1層層高遠大于2層層高的1.5倍，裙樓2層也產生剛度突變，為了滿足側向剛度比，1層剛度不小于2層剛度的1.1倍，裙樓部分剪力墻布置不貫通3層只到1層頂標高。經反復計算，裙樓結構布置如圖2所示。

2.4 剪力墻、框架柱和連梁設計中的問題及解決方法

本工程剪力墻為了滿足剪力墻穩(wěn)定性及薄弱層剛度比的要求，厚度為300或350的剪力墻較多，剪力墻墻肢較大，剛度也較大，相應的所分配的地震力也越大，盡管考慮剪力墻上開洞來減輕墻肢的剛度集中問題，但剪力墻仍有超筋現(xiàn)象。分析超配筋信息，對剪壓比及軸壓比超限問題通過提高混凝土標號和調整剪力墻布置來進行調整，對施工縫驗算超限問題應通過在施工縫處附加豎向配筋來解決。

因主樓第13層層高較高，盡管計算模型中13層與其相鄰上層的側向剛度比值已大于1.1，但本層梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力仍較大，框架梁柱節(jié)點域抗剪超限。解決方法為:1)在梁柱節(jié)點處框架柱內增設型鋼提高框架柱抗剪能力。2)在梁柱交接處增設梁水平加腋加大梁柱節(jié)點截面。

剪力墻連梁在設計中考慮使其首先出現(xiàn)塑性鉸，并進行內力重分布，實際結構模型計算中，對連梁剛度予以折減，使其內力轉移到墻肢上，連梁出現(xiàn)抗剪不夠超筋的情況較多。為了減少連梁超筋問題，本工程連梁設計時采用盡量減小連梁截面及設置雙層連梁來減少超筋現(xiàn)象。

3 地基基礎設計

根據地質資料場地中第2，3層土具有中等液化特性，結合其他土層的物理力學指標和特性，綜合考慮基礎形式采用鋼筋混凝土灌注樁+承臺+防水板基礎。本工程基礎設計需要注意以下兩點：

1)因地下水位較高，防水板需進行抗浮力計算，進而驗算得出裙樓部分柱下鋼筋混凝土灌注樁為抗拔樁。

2)灌注樁承載力計算須注意液化折減。

3)灌注樁進行正截面受壓承載力計算時，應考慮在樁身穿越液化土層時的壓曲影響。

4 本工程的設計心得

框剪結構作為一種融合框架與剪力墻兩種結構優(yōu)點的結構形式，有效規(guī)避了兩者的缺點，為大空間的高層建筑提供了一種可行的結構設計體系，從而在實際工程中得到了廣泛的應用。在高層框剪結構中，剪力墻是主要的抗側力構件，剪力墻的多少將直接關系到建筑的經濟性與可靠性。在設計過程中，框剪結構中剪力墻的布置，除了必須滿足承載力要求外，還必須使結構具有相當?shù)膫认騽偠?，避免在地震作用下產生過大的位移變形。剪力墻布置過少，會因結構產生過大的變形而無法滿足使用要求；剪力墻布置過多，既增加材料的用量和結構自重，又減少了結構自振周期，地震作用效應增大。所以剪力墻的布置是建筑物是否安全和經濟的最為關鍵因素。結合本工程框剪結構設計須注意以下幾點：

1)注重概念設計，結構設計須按“強柱弱梁，強剪弱彎，強壓弱拉”的設計原則設計。結構設計前重點分析工程的難點和容易忽略的地方。

2)結構具體設計時設置多道安全防線，增加結構整體和內部的冗余度，避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失承載能力。

3)應避免結構局部出現(xiàn)薄弱層而使結構體系出現(xiàn)破壞，對結構剛度突變產生的薄弱位置采取合理的加強措施。

4)正確掌握計算機力學模型分析方法和截面設計。

5)充分利用構造措施，增大結構構件的安全保障。

5 結語

筆者通過某高層建筑結構設計實例，對實際設計中遇到的問題及解決方法進行概述。本著提升設計質量的愿望，提出以上粗淺的看法，供業(yè)內研究交流。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

Design problems and solving methods of the comprehensive high-rise building structure

Cheng Gaofeng

(ShanxiAcademyofBuildingDesign，Taiyuan030013,China)

Taking the comprehensive building engineering of Shanxi School of Administration as an example, the paper introduces the engineering structure distribution scheme, and explores major building and podium building optimizing design measures through integral computation, and finally puts forward specific solving countermeasures in light of design problems occurring in shear wall, frame column and continuous beam.

teaching building, podium building, shear wall, frame column, conceptual design

1009-6825(2016)18-0044-02

2016-04-16

成高峰(1981- )，男，工程師

TU973

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