高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)探析

文/李航 保利置業(yè)（上海）投資有限公司 上海 200438

對(duì)于高層建筑而言結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)，也是難點(diǎn)所在。高層建筑想要確保整個(gè)建筑的安全性與經(jīng)濟(jì)性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須安全而合理，并且讓許多技術(shù)難點(diǎn)都得以很好的解決。

1、項(xiàng)目概況

平?jīng)鼋值?2街坊商辦項(xiàng)目位于上海市楊浦區(qū)，總建筑面積約21萬(wàn)㎡，其中地上約13.5萬(wàn)㎡，地下約7.5萬(wàn)㎡。含A樓、B樓、C樓和J樓4幢高層建筑以及D樓、E樓、F樓、G樓、H樓和P樓共6幢多層建筑。其中A樓和B樓地上23層，高度約99米，主要功能為辦公樓。C樓地上10層，高度約45米，主要功能為辦公樓。J樓地上16層，高度約71米，主要功能為辦公樓。A樓、B樓、C樓和J樓為4幢超限高層，按規(guī)定需進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防專項(xiàng)論證。

本項(xiàng)目針對(duì)抗震超限的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程高層存在的超限和不規(guī)則的情況體現(xiàn)在以下方面：

1.1 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則和偏心布置。本工程由于建筑功能和造型的要求，因剪力墻布置并非對(duì)稱布置等原因，計(jì)算結(jié)果表明部分樓層在考慮偶然偏心地震作用下的扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2（但均小于1.4），屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。由于平面不規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件不均勻，部分樓層剛心與質(zhì)心的偏心率大于0.15，屬于偏心布置。這兩項(xiàng)不規(guī)則不重復(fù)計(jì)算，僅計(jì)一條。

1.2 樓板不連續(xù)。建筑二層樓板大開(kāi)洞，樓板有效寬度小于50%，開(kāi)洞面積接近30%，并且存在局部樓板有效寬度小于該層樓板典型寬度的40%的情況，屬于樓板不連續(xù)。

針對(duì)本工程的幾點(diǎn)超限項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采取了有針對(duì)性的措施。

（1）本工程由于建筑功能和造型的等原因，部分樓層在考慮偶然偏心地震作用下的計(jì)算扭轉(zhuǎn)位移比大于1.2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)柱墻的合理布置，尤其是加強(qiáng)邊框柱和邊框梁，使各樓層的最大位移比大部分小于1.2，僅在少數(shù)樓層大于1.2，且均小于1.4。

（2）本工程2層大堂樓板開(kāi)洞較大，導(dǎo)致局部樓板有效寬度小于40%。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)開(kāi)洞處的樓板進(jìn)行加強(qiáng)，板厚增加為150mm，同時(shí)對(duì)其上一層（3層）的樓板也進(jìn)行了加強(qiáng)，板厚為150mm，且配筋均采用雙層雙向并適當(dāng)加大配筋。設(shè)防目標(biāo)為小震下樓板不開(kāi)裂，中震下大部分樓板不開(kāi)裂，洞邊應(yīng)力較大的樓板雖開(kāi)裂但板筋不屈服。個(gè)別穿層柱箍筋全長(zhǎng)加密，抗震等級(jí)提高一級(jí)。

此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還采取了以下有利于提高結(jié)構(gòu)抗震性能的措施：

1）采用輕質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)材料，改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。主樓底部柱、墻中的混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C50～C60，有利于降低軸壓比。此外，還在A樓和B樓底部部分樓層的框架柱內(nèi)設(shè)置了型鋼，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。鋼筋采用HRB400鋼（fy=360N/mm2）高強(qiáng)度鋼筋，降低結(jié)構(gòu)配筋量。墻體材料采用砂加氣混凝土砌塊及輕鋼龍骨石膏板等輕質(zhì)墻體。

2）提高抗震等級(jí)。本工程2層大堂開(kāi)洞處的穿層柱抗震等級(jí)提高為一級(jí)框架。

3）在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，混凝土剪力墻將在各樓層標(biāo)高處設(shè)置暗梁，以增加剪力墻的整體性和抗側(cè)剛度。

4）在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)將按規(guī)范采取較為嚴(yán)格的構(gòu)造措施，包括嚴(yán)格控制柱墻軸壓比、保證構(gòu)件配箍率、保證樓板厚度和配筋率等。

2、C塔樓結(jié)構(gòu)選型

C塔樓采用樁+筏板式基礎(chǔ)?？紤]到成樁可行性、單樁承載力、沉降變形、工程造價(jià)以及方便布樁等因素，經(jīng)分析比較，采用直徑700mm的泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)42m，以⑦2層灰黃～灰色粉砂為持力層，同時(shí)進(jìn)行樁端后注漿，以提高單樁承載力并減小絕對(duì)沉降量，單樁豎向承壓承載力的特征值為4100kN，計(jì)算結(jié)果顯示最大沉降量6.5cm，滿足了規(guī)范要求。塔樓C基礎(chǔ)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 塔樓 C 基礎(chǔ)示意圖

3、結(jié)構(gòu)體系

塔樓C的結(jié)構(gòu)高度96.5m，共22層（不含屋面機(jī)房層），結(jié)構(gòu)高度96.5m，采用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。核心筒位于塔樓平面的中部，墻體布置基本對(duì)稱；在17層樓面以上，核心筒南側(cè)因電梯井道取消而內(nèi)收約3m，除兩處小片剪力墻不能伸至屋面，其余核心筒墻體和框架柱均上下連續(xù)。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的側(cè)向設(shè)計(jì)主要受控于地震效應(yīng)的作用，核心筒作為結(jié)構(gòu)的第1道防線承擔(dān)了大部分的水平地震作用和風(fēng)荷載，外圍框架組成結(jié)構(gòu)的第2道防線，并按相應(yīng)比例承擔(dān)其余的水平地震作用和風(fēng)荷載。

4、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)在于安全目的、適用目的、耐久能力、經(jīng)濟(jì)水平和施工可行性等方面適合高層建筑規(guī)劃的要求和人們對(duì)高層建筑的需要。因此，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中要根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的布局、經(jīng)濟(jì)性、構(gòu)造特點(diǎn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，探尋出進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)，當(dāng)前應(yīng)該做好的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：

4.1 合理選擇結(jié)構(gòu)體系

一般而言，純框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能稍差，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系抗震較好。而剪力墻結(jié)構(gòu)體系與筒體結(jié)構(gòu)具有良好整體性。抗震規(guī)范對(duì)于各種結(jié)構(gòu)體系的適用高度均有詳細(xì)規(guī)定。

4.2 多道抗震防線的設(shè)置

在設(shè)計(jì)與構(gòu)造上設(shè)置多道抗震防線。如框架結(jié)構(gòu)首先是框架梁屈服，最后底層框架柱的下端屈服破壞。而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中第一道防線是連梁，在地震作用下產(chǎn)生塑性鉸，而后是剪力墻與框架，充分利用連梁的屈服耗能防止剪力墻底部發(fā)生屈服破壞。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，控制結(jié)構(gòu)的屈服部位出現(xiàn)在最為理想的耗能部位，做到強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件。充分發(fā)揮出結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4.3 結(jié)構(gòu)的承載力及剛度應(yīng)均勻連續(xù)分布

結(jié)構(gòu)的承載力及剛度應(yīng)均勻連續(xù)分布，避免形成薄弱層及軟弱層。通常而言底層出現(xiàn)相對(duì)薄弱會(huì)比上部更加不利。目前大部分高層建筑底層通常是大堂空間，因?yàn)榻ㄖ笆褂霉δ芤螅簩痈吒撸筇艨諏?dǎo)致的部分結(jié)構(gòu)樓板缺失等因素都會(huì)導(dǎo)致底層結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)特別注意。

在高層建筑的頂部通常會(huì)設(shè)置突出的塔樓。由于高振型的作用及鞭梢效應(yīng)，對(duì)塔樓的承載能力與延性有更高要求?？梢钥紤]采用型鋼-混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)。

4.4 合理的設(shè)縫

對(duì)于平面及外形較為復(fù)雜的建筑，各結(jié)構(gòu)單元之間可設(shè)縫徹底分開(kāi)，也可以不設(shè)縫而加強(qiáng)連接。但對(duì)于高層建筑，應(yīng)盡可能的不設(shè)置抗震縫。不設(shè)縫要考慮剛度突變、不均勻沉降帶來(lái)的影響。必須設(shè)縫時(shí)，縫的寬度除考慮結(jié)構(gòu)在地震，風(fēng)荷載作用下的側(cè)向位移外，還應(yīng)考慮由于基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的位移增大的影響。

4.5 必要的結(jié)構(gòu)剛度

地震作用下的結(jié)構(gòu)變形包括層間位移及頂點(diǎn)位移兩部分。層間位移主要影響結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，塑性鉸的發(fā)展以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。頂點(diǎn)位移主要影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，抗震縫的寬度等。因?yàn)閷?duì)于高層建筑而言，基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)對(duì)頂點(diǎn)位移有較大影響，因此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)必須有較大的整體剛度和抗轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

4.6 結(jié)構(gòu)構(gòu)件防止過(guò)早出現(xiàn)脆性破壞

在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)采取切實(shí)有效的措施防止構(gòu)件過(guò)早出現(xiàn)剪切、錨固和受壓等脆性破壞。通常而言，應(yīng)做到“強(qiáng)剪弱彎”。

構(gòu)件的壓應(yīng)力或剪應(yīng)力過(guò)高都會(huì)降低延性，導(dǎo)致發(fā)生脆性破壞，因此要限制構(gòu)件的壓應(yīng)力及剪應(yīng)力在較低的水平范圍內(nèi)。約束混凝土可以使其開(kāi)裂之后仍能保持一定的受壓受剪能力，因此在構(gòu)件可能出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域內(nèi)設(shè)置足夠的約束箍筋可以起到很好的作用。同時(shí)，對(duì)該區(qū)域的鋼筋錨固也應(yīng)提高要求。

結(jié)語(yǔ)：

本文結(jié)合某高層商辦建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，從該高層的主體結(jié)構(gòu)抗震超限設(shè)計(jì)、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行論述，對(duì)重要構(gòu)件的細(xì)部構(gòu)造采取加強(qiáng)措施，同時(shí)通過(guò)提高底部加強(qiáng)區(qū)墻體的分布筋配率和約束邊緣構(gòu)件的體積配箍率來(lái)滿足延性要求。同時(shí)結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)例，總結(jié)了部分高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，為今后同類高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考借鑒。