高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及某工程結(jié)構(gòu)選型探討

武兆魁

（廣西中正工程質(zhì)量檢測有限公司，廣西 來賓 546100）

1 工程概況

廣西壯族自治區(qū)來賓市某高層小區(qū)位于市區(qū)SQZX 北側(cè)，DB 路東側(cè)。該項目總用地面積為46862.17m2（合計70.29 畝），總建筑面積為131337.00m2（其中地上建筑面積104737.00m2，建筑層高為3.0m，地下建筑面積26600.00m2，建筑層高為4.3m）。建筑工程平面為規(guī)則的長方形，設(shè)計基準(zhǔn)期為50 年，柱間距約為2.1m~3.3m，其余建筑結(jié)構(gòu)詳細(xì)資料見表1。其中5#樓~14#樓的1 層~6 層混凝土柱采用C40 強(qiáng)度等級的混凝土，6 層~12 層采用C35 強(qiáng)度等級的混凝土，12 層以上采用C30 強(qiáng)度等級的混凝土，混凝土重度均為26kN/m3，鋼筋材料均為HRB400，鋼材重度為78kN/m3。擬建場地地處北緯24°，屬于工程抗震設(shè)防烈度6 度區(qū)和中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降雨量充沛，夏季盛行溫暖濕潤的海洋氣團(tuán)，冬季多寒冷干燥的大陸氣團(tuán)，全年基本風(fēng)壓0.4kN/m2。年平均氣溫15.6°，太陽年總輻射為376.9kJ/cm2~503.9kJ/cm2，多年平均降水量為1500mm，降水量主要集中在4 月至9 月，可占全年降雨量的70%，日照大于2000 h。。場區(qū)建筑場地類別為I 類場地，場地特征周期Tg=0.25s，水平地震放大系數(shù)β為2.25[1-2]。

表1 工程建設(shè)設(shè)計基本條件

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比較

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中最主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算指標(biāo)包括周期比、位移比、水平位移限值、層間剛度比、層間受剪承載力比、剪重比和剛重比。其中，對剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，高層建筑的剛重比按公式（1）計算；對框架結(jié)構(gòu)，高層建筑的剛重比按公式（2）計算[3-5]。

式中：i為第i層樓；n為樓層總數(shù)，層；H為建筑物的總高度，m；EJd為樓層的等效剛度，kN/m；Gi為建筑物第i層的重力，kN；Di為建筑物第i層的彈性等效側(cè)向剛度，kN/m；hi為建筑物第i層的高度。

為了對比高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，該文在設(shè)計時對5#樓~14#樓進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案對比，方案A 為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，方案B 為框架結(jié)構(gòu)。計算采用建筑結(jié)構(gòu)有限元通用程序SATWE 軟件進(jìn)行，剪力墻的受力狀態(tài)采用軟件中的殼單元來模擬，框架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)通過空間桿件進(jìn)行模擬。計算時，重力荷載代表值的火災(zāi)組合系數(shù)為0.50，周期折減系數(shù)為0.75，結(jié)構(gòu)阻尼比為5%，地震影響系數(shù)的最大值為0.12，用于12 層以下規(guī)則混凝土框架結(jié)構(gòu)薄弱層的地震影響系數(shù)最大值為0.72，梁端的負(fù)彎矩調(diào)整系數(shù)為0.85，地下室土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)為3.0MN/m4，回填土的側(cè)壓力系統(tǒng)為0.5，回填土的容重為18kN/m3，1 層柱體、墻體的活載折減系數(shù)為1.0，2 層~3 層的增減系數(shù)為0.85，4 層~5 層的折減系數(shù)為0.70，6 層~8 層的折減系數(shù)為0.65，9 層~20層的折減系數(shù)為0.60，大于20 層的折減系數(shù)為0.55[6-7]。地震作用下框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)的周期、平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果分別如圖1、表2 和表3 所示。

圖1 地震作用下框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的周期、平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果對比

表2 地震作用下框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的周期、平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果

表3 地震作用下框架結(jié)構(gòu)的周期、平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果

從圖1 可以看出，在地震作用下，高層建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的周期曲線表現(xiàn)為一致的變化規(guī)律，均隨層高的增加而呈近線性下降，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的周期計算結(jié)果比框架結(jié)構(gòu)略大，而從表2 和表3 可以看出，轉(zhuǎn)角則呈現(xiàn)不同程度的無規(guī)律劇烈波動。從圖1 可以看出，在地震作用下高層建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)均表現(xiàn)為一致的變化規(guī)律，均隨層高的增加而呈現(xiàn)不同程度的波動，而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果均比框架結(jié)構(gòu)小。

高層建筑-框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)在x方向和y方向上的剪重比計算結(jié)果對例如圖2 所示。從圖2 可以看出，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)的剪重比曲線呈現(xiàn)較為類似的變化規(guī)律，均隨樓層高度的增加而不斷上升。在同一樓層高度，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在x方向上的剪重比在整體上均比y方向上的剪重比??；在同一方向上，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案剪重比比框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案剪重比小，下降了約1.05%~1.2%。

圖2 地震作用下框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的剪重比計算結(jié)果對比

高層建筑-框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)在x方向和y方向上的剛重比計算結(jié)果對例如圖3 所示。從圖3 可以看出，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)的剛重比曲線呈現(xiàn)較為類似的變化規(guī)律，均隨樓層高度的增加而不斷上升且呈現(xiàn)輕微的波動。在同一樓層高度，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在x方向上的剛重比在整體上均比y方向上的剛重比大；在同一方向上，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案剛重比比框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案剛重比大，增加了約1.10%~1.35%。高層建筑各樓層的剛重比均大于1.4，滿足高層建筑整體穩(wěn)定性要求[8]。

圖3 地震作用下框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的剛重比計算結(jié)果對比

3 高層建筑工程結(jié)構(gòu)選型經(jīng)濟(jì)性分析

為了更好地分析高層建筑工程設(shè)計方案的優(yōu)劣，該文以混凝土折算厚度和鋼筋用量2 個經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的選型合理性比較，計算結(jié)果見表4。從表4可以看出，采用框架結(jié)構(gòu)時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為40.61cm/m2~65.52cm/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為1.4924，鋼筋用量變化為38.01kg/m2~67.34kg/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為3.5195；采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為55.10cm/m2~54.92cm/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為3.9465，鋼筋用量變化為17.00kg/m2~48.80kg/m2，標(biāo)準(zhǔn)差為3.3899。由此表明，采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案， 其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)更合理。

表4 框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)各層的混凝土折算厚度和鋼筋用量計算結(jié)果對比

4 結(jié)論

該文以廣西壯族自治區(qū)來賓市某高層小區(qū)為研究對象，采用數(shù)值計算的方法，對高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行研究，并運(yùn)用混凝土折算厚度和鋼筋用量2 個經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對工程結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行比較，得出以下結(jié)論：地震作用下，高層建筑框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的周期曲線均隨層高的增加而呈近線性下降，轉(zhuǎn)角則呈現(xiàn)不同程度的無規(guī)律劇烈波動，平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系統(tǒng)均隨層高的增加而呈現(xiàn)不同程度的波動。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)的剪重比均隨樓層高度的增加而不斷增加，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案剪重比比框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案剪重比小，下降了約1.05%~1.2%。剛重比則相反，增加了約1.10%~1.35%。

采用框架結(jié)構(gòu)時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為40.61cm/m2~65.52cm/m2，鋼筋用量變化為38.01kg/m2~67.34kg/m2；采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為55.10cm/m2~54.92cm/m2，鋼筋用量變化為17.00kg/m2~48.80kg/m2，因此采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)更合理。