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摘 要：本文根据某一栋高层建筑工程案例，阐述了在高层建筑结构设计中应注意的相关要点，计算分析结果表明, 本高层结构其受力性能均满足设计的预期性能目标和满足规范要求, 所采取的设计措施是可行和可靠的, 可为同类高层结构设计提供参考借鉴。
关键词：高层住宅 高层结构 剪力墙结构 结构设计
中图分类号：TU241.8 文献标识码：A 文章编号：
1、工程概况
本工程为一栋高层商住楼,地下2层,地上层数为25层,结构类型属于框支剪力墙结构。该建筑的高度为85.2米,建筑一至二层用于商业用房, 三至二十五层用于住宅, 转换层设于四层楼面, 采用梁式转换, 转换层以上结构类型为剪力墙结构。基本风压取W。=0.40kN/㎡,场地抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组第一组;建筑场地类别为II类。
2、主体结构设计
2 . 1 剪力墙结构体系
一般是在剪力墙结构中, 用实心的钢筋混凝土墙片作为抗侧力单元,同时由墙片承担竖向荷载。其优点是整体性好、刚度大,抵抗侧向变形能力强; 抗震性能较好, 设计合理时结构具有较好的塑性变形能力。因而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高。鉴于此, 本高层结构的结构类型正是采取剪力墙结构体系。
2 . 2 结构总体布置
一个建筑结构方案的确定, 要涉及到安全可靠、使用要求、经济投入、施工技术和建筑美观等诸多方方面面的问题。要求设计者综合运用力学概念、结构破坏机理的概念、地震对建筑物造成破坏的经验教训、结构试验结论和计算结果的分析判断等进行设计, 这在工程设计中被称为“概念设计”。高层建筑由于体形庞大, 一些复杂部位难以进行精确计算,特别是对需要进行抗震设防的建筑,因为地震作用影响因素很多,要进行精确计算更是困难。因此,在高层建筑设计中,除了要根据建筑高度选择合理的结构体系外, 必须运用概念设计进行分析。
（1）随着高宽比的增大, 结构的侧向变形能力也相对越强, 倾覆力矩也越大。因此,建造宽度很小的高层建筑是不合适的,应对建筑物的高宽比加以限制,对于本结构为剪力墙结构,因此其高宽比限值（H/B）限制为6。
（2）结构布置时遵循平面规则、对称、简单的原则,尽量减少因平面形状不规则而产生扭转的可能性。
2 . 3 抗侧力体系布置
通过大量地震震害调查表明, 建筑物平面布置不合理、刚度不均匀,高低错层连接、屋顶局部突出、高度方向刚度突变等,都较易造成震害。尤其对于超高层结构来说,其所承受的风荷载以及水平地震作用都比较大, 因此对其抗侧力体系的布置更应该采取严格技术措施。笔者根据高层设计实践经验, 总结了有效提高高层结构抗侧力体系措施如下:
（1）对于平面形状复杂、不规则、不对称的结构, 不仅结构设计难度大,而且在地震作用的影响下,结构要出现明显的扭转和应力集中,这对抗震是非常不利的。另外,各抗侧力结构的刚度在平面内的布置也必须做到均匀,尽可能对称,同时应该避免刚度中心和水平力作用点出现过大偏心距。故对于高层结构平面布置时,则应遵循简单、规则以及对称原则。
（2）结构竖向布置的原则是刚度均匀连续,避免刚度突变。在结构竖向刚度有变化时要做到由上到下刚度逐渐变化,尽量避免在结构的某个部位出现薄弱层。对结构顶部的局部突起的“鞭梢效应”,应给予足够的重视。震害分析表明, 这些部位往往是震害最严重的地方。
本超高层结构为了满足底层大空间的需要, 其底部采用框支剪力墙结构体系,四层为转换层,采用梁式结构进行转换。在进行本工程抗侧力构件布置时,为了有效地保证转换层上下部抗侧力刚度相近,在本建筑的角部以及中部设置落地剪力墙和落地筒体,落地筒体外墙以及落地剪力墙的墙厚均取500mm。
3、地基基础与地下室设计
3 . 1 地基基础设计
根据地质勘察结果表明, 该建筑场地内中风化泥质粉砂岩是良好的桩端持力层, 而本高层结构的地基基础设计等级为甲级。通过研讨分析表明,本高层结构的基础采用人工挖孔灌注桩,桩端持力层设置于中风化泥质粉砂岩。
鉴于本工程高层部分和地下室的荷载存在较大差别, 但基础持力层位于中風化泥质粉砂岩, 两者的沉降变形差很小。另外在本主体结构施工时,采取后浇带施工措施以调节变形差,可以有效地使其沉降变形满足规范要求, 而不需设置沉降缝。
3 . 2 地下室设计
（1）本高层住宅的地下室为2层,鉴于本工程的地下室结构超长,而且地下室层数较多,因此最终采用预应力无梁楼盖,对于地下室负一层顶板采用有粘结预应力砼无梁楼盖, 其余部分采用无粘结预应力砼无梁楼盖。经比较这种方案不但节省地下室层高,而且可减少地下室开挖深度, 同时还可以有效地解决地下室超长结构的混凝土收缩引起的抗裂问题。另外,地下室的结构则采取板柱剪力墙结构,柱顶设柱帽和平托板。
（2）另外, 考虑到由于本工程地下室为人防地下室, 底板考虑采用桩基且底板下为非饱和土, 因此可不计人防荷载。本工程地下室顶板板厚取300mm,底板厚取500 mm,外墙厚取400 mm,门框墙厚取400mm、临空墙厚取300 mm,其他隔墙厚取250 mm。
（3）经计算,本地下室的底板水浮力荷载标准值为114kN/㎡,纯地下室部分结构自重约为60kN/㎡,自重小于水浮力,因此地下室底板须采取抗浮设计措施。经综合比较,该地下室底板最终采用抗浮锚杆进行抗浮设计, 以满足抗浮要求。
4、结构计算分析
鉴于本工程为高层结构,采用SATWE（结构空间有限元分析设计软件）及PMSAP（复杂结构空间分析设计软件）两个程序分别进行分析计算和比较,并采用弹性时程分析结果与前两者进行分析比较;另外还采用ETABS软件进行弹塑性分析。该结构的抗倾覆验算、结构整体稳定验算以及风荷载和地震作用下的弹性位移角均满足规范要求, 其中弹性位移角验算结果见表2 所示。
表2 风荷载和地震作用下的弹性位移角
通过以上计算分析结果表明: 在小震作用下, 结构各项控制指标均在合理范围内,而且该高层结构全部构件的抗震承载力和层间位移均满足现行规范要求,结构构件处于弹性工作状态, 满足规范要求。在中震作用下, 结构的竖向构件、转换构件及框支框架处于弹性工作状态。
5、结语
本文结合某高层住宅建筑结构设计实例, 从该高层结构的主体结构、地基基础、以及地下室等进行设计, 对重要构件的细部构造采取加强措施, 同时通过提高底部加强区墙体的分布筋配率和约束边缘构件的体积配箍率来满足延性要求。
关键词：高层住宅 高层结构 剪力墙结构 结构设计
中图分类号：TU241.8 文献标识码：A 文章编号：
1、工程概况
本工程为一栋高层商住楼,地下2层,地上层数为25层,结构类型属于框支剪力墙结构。该建筑的高度为85.2米,建筑一至二层用于商业用房, 三至二十五层用于住宅, 转换层设于四层楼面, 采用梁式转换, 转换层以上结构类型为剪力墙结构。基本风压取W。=0.40kN/㎡,场地抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组第一组;建筑场地类别为II类。
2、主体结构设计
2 . 1 剪力墙结构体系
一般是在剪力墙结构中, 用实心的钢筋混凝土墙片作为抗侧力单元,同时由墙片承担竖向荷载。其优点是整体性好、刚度大,抵抗侧向变形能力强; 抗震性能较好, 设计合理时结构具有较好的塑性变形能力。因而剪力墙结构适宜的建造高度比框架结构要高。鉴于此, 本高层结构的结构类型正是采取剪力墙结构体系。
2 . 2 结构总体布置
一个建筑结构方案的确定, 要涉及到安全可靠、使用要求、经济投入、施工技术和建筑美观等诸多方方面面的问题。要求设计者综合运用力学概念、结构破坏机理的概念、地震对建筑物造成破坏的经验教训、结构试验结论和计算结果的分析判断等进行设计, 这在工程设计中被称为“概念设计”。高层建筑由于体形庞大, 一些复杂部位难以进行精确计算,特别是对需要进行抗震设防的建筑,因为地震作用影响因素很多,要进行精确计算更是困难。因此,在高层建筑设计中,除了要根据建筑高度选择合理的结构体系外, 必须运用概念设计进行分析。
（1）随着高宽比的增大, 结构的侧向变形能力也相对越强, 倾覆力矩也越大。因此,建造宽度很小的高层建筑是不合适的,应对建筑物的高宽比加以限制,对于本结构为剪力墙结构,因此其高宽比限值（H/B）限制为6。
（2）结构布置时遵循平面规则、对称、简单的原则,尽量减少因平面形状不规则而产生扭转的可能性。
2 . 3 抗侧力体系布置
通过大量地震震害调查表明, 建筑物平面布置不合理、刚度不均匀,高低错层连接、屋顶局部突出、高度方向刚度突变等,都较易造成震害。尤其对于超高层结构来说,其所承受的风荷载以及水平地震作用都比较大, 因此对其抗侧力体系的布置更应该采取严格技术措施。笔者根据高层设计实践经验, 总结了有效提高高层结构抗侧力体系措施如下:
（1）对于平面形状复杂、不规则、不对称的结构, 不仅结构设计难度大,而且在地震作用的影响下,结构要出现明显的扭转和应力集中,这对抗震是非常不利的。另外,各抗侧力结构的刚度在平面内的布置也必须做到均匀,尽可能对称,同时应该避免刚度中心和水平力作用点出现过大偏心距。故对于高层结构平面布置时,则应遵循简单、规则以及对称原则。
（2）结构竖向布置的原则是刚度均匀连续,避免刚度突变。在结构竖向刚度有变化时要做到由上到下刚度逐渐变化,尽量避免在结构的某个部位出现薄弱层。对结构顶部的局部突起的“鞭梢效应”,应给予足够的重视。震害分析表明, 这些部位往往是震害最严重的地方。
本超高层结构为了满足底层大空间的需要, 其底部采用框支剪力墙结构体系,四层为转换层,采用梁式结构进行转换。在进行本工程抗侧力构件布置时,为了有效地保证转换层上下部抗侧力刚度相近,在本建筑的角部以及中部设置落地剪力墙和落地筒体,落地筒体外墙以及落地剪力墙的墙厚均取500mm。
3、地基基础与地下室设计
3 . 1 地基基础设计
根据地质勘察结果表明, 该建筑场地内中风化泥质粉砂岩是良好的桩端持力层, 而本高层结构的地基基础设计等级为甲级。通过研讨分析表明,本高层结构的基础采用人工挖孔灌注桩,桩端持力层设置于中风化泥质粉砂岩。
鉴于本工程高层部分和地下室的荷载存在较大差别, 但基础持力层位于中風化泥质粉砂岩, 两者的沉降变形差很小。另外在本主体结构施工时,采取后浇带施工措施以调节变形差,可以有效地使其沉降变形满足规范要求, 而不需设置沉降缝。
3 . 2 地下室设计
（1）本高层住宅的地下室为2层,鉴于本工程的地下室结构超长,而且地下室层数较多,因此最终采用预应力无梁楼盖,对于地下室负一层顶板采用有粘结预应力砼无梁楼盖, 其余部分采用无粘结预应力砼无梁楼盖。经比较这种方案不但节省地下室层高,而且可减少地下室开挖深度, 同时还可以有效地解决地下室超长结构的混凝土收缩引起的抗裂问题。另外,地下室的结构则采取板柱剪力墙结构,柱顶设柱帽和平托板。
（2）另外, 考虑到由于本工程地下室为人防地下室, 底板考虑采用桩基且底板下为非饱和土, 因此可不计人防荷载。本工程地下室顶板板厚取300mm,底板厚取500 mm,外墙厚取400 mm,门框墙厚取400mm、临空墙厚取300 mm,其他隔墙厚取250 mm。
（3）经计算,本地下室的底板水浮力荷载标准值为114kN/㎡,纯地下室部分结构自重约为60kN/㎡,自重小于水浮力,因此地下室底板须采取抗浮设计措施。经综合比较,该地下室底板最终采用抗浮锚杆进行抗浮设计, 以满足抗浮要求。
4、结构计算分析
鉴于本工程为高层结构,采用SATWE（结构空间有限元分析设计软件）及PMSAP（复杂结构空间分析设计软件）两个程序分别进行分析计算和比较,并采用弹性时程分析结果与前两者进行分析比较;另外还采用ETABS软件进行弹塑性分析。该结构的抗倾覆验算、结构整体稳定验算以及风荷载和地震作用下的弹性位移角均满足规范要求, 其中弹性位移角验算结果见表2 所示。
表2 风荷载和地震作用下的弹性位移角
通过以上计算分析结果表明: 在小震作用下, 结构各项控制指标均在合理范围内,而且该高层结构全部构件的抗震承载力和层间位移均满足现行规范要求,结构构件处于弹性工作状态, 满足规范要求。在中震作用下, 结构的竖向构件、转换构件及框支框架处于弹性工作状态。
5、结语
本文结合某高层住宅建筑结构设计实例, 从该高层结构的主体结构、地基基础、以及地下室等进行设计, 对重要构件的细部构造采取加强措施, 同时通过提高底部加强区墙体的分布筋配率和约束边缘构件的体积配箍率来满足延性要求。