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摘要:某高层住宅建筑群由六栋高层住宅组成，六栋塔楼转换层均设在第四层，本文着重介绍了5、6栋的结构概念设计、计算分析和构造措施，可供类似工程参考。
关键词: 框支-剪力墙结构;转换层结构;高层建筑;抗震设计
Abstract: a high-rise residential buildings by six tall building of residence, six storey tower buildings are in the fourth floor, this paper introduces the structure of the building, 5, and 6 concept design, calculation, analysis and structural measures, a reference for the similar project.
Keywords: box a-the shear wall structure; Conversion layers structure; High-rise buildings; Seismic design
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
工程概况
本工程位于广州市海珠区，地面以上由6栋33层住宅（呈┛形分布，顺时针依次自编为1～6栋），带三层裙楼组成，设两层地下室。总建筑面积164409㎡，其中地下室20244㎡，地面以上144165㎡(其中裙楼为22855㎡)。本工程塔楼在各栋之间以防震缝分隔；裙楼高度每两栋塔楼之间以防震缝分隔；缝宽均为400mm；地下室不设缝。首层为商场、住宅/公寓大堂、书店、药店、邮政所、居委会等，二层为餐厅、厨房，三层为办公室、会议室，四层为住宅、裙楼屋面花园兼结构转换层，五层及以上为住宅。地下室为停车库和设备用房，其中地下二层局部设有平战结合的核6级、常6级人防区。
本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度，按照《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001），设计基本地震加速度值为0.1g，地震动力反应谱特征周期0.35s，设计地震分组为第一组，抗震设防分类为丙类。混凝土结构的环境类别：地下室临水面和露天混凝土结构为二类a组，其余均为一类；混凝土结构的裂缝控制等级为三级（对一、二a类环境分别为wlim=0.3mm及0.2mm）。混凝土受弯构件的挠度限值按跨度由小到大依次为l0/200、l0/250。建筑结构防火等级为一级；
地基与基础
本工程设两层地下室，地下室底板面标高-8.5m，考虑采用人工挖孔桩基础（先挖基坑后挖桩，避开上部软弱土层及缩短桩长，避免桩长过长），桩端持力层为中风化泥岩、（泥质）粉砂岩，桩长约10～24m，平均桩长约14m，桩端嵌岩深度0.5米。利用裙楼屋面花园及地下室顶板面绿化覆土，结合建筑物自重，外加工程桩兼作抗拔桩，经验算，地下室抗浮满足要求。
上部结构计算
本工程首先以结构抗震概念设计为指导，选择合适的结构体系和合理的结构布置；其次，以计算分析为手段寻找出结构中的薄弱部位；最后，对关键部位和薄弱部位采取有效的构造措施保证设计构思的实现。
本工程根据建筑高度和使用功能，选用部分框支-剪力墙结构体系。结构计算整体计算选用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件（墙元模型）和TAT（薄壁桿模型）。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（以下简称“高规”）之规定，本工程属A级高度带转换层的结构，应按复杂高层结构进行结构设计；结构计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦联、双向地震作用及施工模拟；结合规范规定的要求及结构抗震概念设计理论，各栋X、Y方向剪重比适中，均满足“高规”第3.3.13条要求;单塔SATWE第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85，须满足“高规”4.3.5条要求;各栋楼在偶然偏心影响的地震作用下，属扭转I类或Ⅱ类不规则平面；满足“高规”4.3.5条“A级高度建筑不应大于该楼层平均值1.5倍”要求;各栋有效质量系数均大于90％，所取振型数满足“高规”第4.3.5条有关要求;各塔楼在地震作用和风荷载作用下层间位移角＜1/1000，满足“高规”4.6.3条要求;本工程各栋塔楼在地震作用下各楼层(以剪切变形为主的)平均有害位移小于整体平均位移的20％，远小于楼层整体平均位移的50％，也从侧面证明了本工程结构体系在水平作用下的变形是以弯曲变形为主的特性;各层侧向刚度均大于相邻上一层侧向刚度的70%，并大于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，满足“抗规”第3.4.2条侧向刚度规则性要求;按“省补充规定”3.3.1条表3.3.1-1中第4点，以上下层位移角比值对刚度进行评价，属侧向刚度规则的情况;楼层层间抗侧力结构的受剪承载力大于其上一层受剪承载力的80%，满足“抗规”第3.4.2条楼层承载力均匀性要求;各栋的刚重比均大于2.7，满足高层建筑结构整体稳定的要求，不考虑P-Δ效应的影响（“高规”5.4.4条）。SATWE与TAT的计算结果相近，结果合理、有效， 计算结果表明，结构周期及位移符合规范要求，剪重比适中，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。
5、6栋整体主要电算结果
转换层设计
布置转换层上下主体竖向结构时，使尽可能多的上部竖向结构能向下落地连续贯通；布置转换层上下主体竖向结构时，尽量使水平转换结构传力直接，尽量避免多级复杂转换，慎重采用传力复杂、抗震不利的平厚板转换；应尽量强化转换层下部结构侧向刚度，弱化转换层上部结构侧向刚度，使转换层上下主体结构侧向刚度尽量接近、平滑过渡。
规范对于转换梁的构造要求提得比较多也比较详细，包括最低混凝土强度等级、最小梁宽、最小梁高以及配筋构造要求等，对转换层楼板的受力计算及配筋构造均作出了要求。这里要强调的是，转换层楼板由于担负着从上部剪力墙到落地剪力墙及框支柱剪力重分布的重任，应适当增加次梁分隔其板跨，以增加转换层楼板的稳定性，这与在钢梁腹板设置加劲肋的原理是一样的；结构中所有转换梁尽量做到一次转换，并尽量做到转换梁轴线与上部墙肢轴线相重合，以避免由偏心支承带来的弯剪扭效应对结构延性的降低。对二次转换、偏心布置和受力复杂的转换构件，补充局部应力分析，在考虑最不利荷载组合情况下得到转换梁的应力分布特点，对高应力区进行重点加强，如提高配箍率和增加抗扭筋的设置，提高转换梁构件的抗剪、抗扭能力。
结语
A级高度高层建筑结构设计中，结构抗震概念设计往往左右着结构设计的成败，设计人员须将结构抗震概念设计与计算分析及构造措施有机地结合起来考虑，以保证设计构思的实现。上部剪力墙的布置、转换层上下结构侧向刚度比的控制、框支框架的构造加强、转换层楼板的加强都是其中的关键技术问题，笔者以本工程为例，结合多年高层住宅设计经验，介绍了一些常用的设计处理手段，可供同类工程参考。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词: 框支-剪力墙结构;转换层结构;高层建筑;抗震设计
Abstract: a high-rise residential buildings by six tall building of residence, six storey tower buildings are in the fourth floor, this paper introduces the structure of the building, 5, and 6 concept design, calculation, analysis and structural measures, a reference for the similar project.
Keywords: box a-the shear wall structure; Conversion layers structure; High-rise buildings; Seismic design
中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
工程概况
本工程位于广州市海珠区，地面以上由6栋33层住宅（呈┛形分布，顺时针依次自编为1～6栋），带三层裙楼组成，设两层地下室。总建筑面积164409㎡，其中地下室20244㎡，地面以上144165㎡(其中裙楼为22855㎡)。本工程塔楼在各栋之间以防震缝分隔；裙楼高度每两栋塔楼之间以防震缝分隔；缝宽均为400mm；地下室不设缝。首层为商场、住宅/公寓大堂、书店、药店、邮政所、居委会等，二层为餐厅、厨房，三层为办公室、会议室，四层为住宅、裙楼屋面花园兼结构转换层，五层及以上为住宅。地下室为停车库和设备用房，其中地下二层局部设有平战结合的核6级、常6级人防区。
本工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度，按照《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001），设计基本地震加速度值为0.1g，地震动力反应谱特征周期0.35s，设计地震分组为第一组，抗震设防分类为丙类。混凝土结构的环境类别：地下室临水面和露天混凝土结构为二类a组，其余均为一类；混凝土结构的裂缝控制等级为三级（对一、二a类环境分别为wlim=0.3mm及0.2mm）。混凝土受弯构件的挠度限值按跨度由小到大依次为l0/200、l0/250。建筑结构防火等级为一级；
地基与基础
本工程设两层地下室，地下室底板面标高-8.5m，考虑采用人工挖孔桩基础（先挖基坑后挖桩，避开上部软弱土层及缩短桩长，避免桩长过长），桩端持力层为中风化泥岩、（泥质）粉砂岩，桩长约10～24m，平均桩长约14m，桩端嵌岩深度0.5米。利用裙楼屋面花园及地下室顶板面绿化覆土，结合建筑物自重，外加工程桩兼作抗拔桩，经验算，地下室抗浮满足要求。
上部结构计算
本工程首先以结构抗震概念设计为指导，选择合适的结构体系和合理的结构布置；其次，以计算分析为手段寻找出结构中的薄弱部位；最后，对关键部位和薄弱部位采取有效的构造措施保证设计构思的实现。
本工程根据建筑高度和使用功能，选用部分框支-剪力墙结构体系。结构计算整体计算选用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件（墙元模型）和TAT（薄壁桿模型）。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（以下简称“高规”）之规定，本工程属A级高度带转换层的结构，应按复杂高层结构进行结构设计；结构计算考虑偶然偏心地震作用、扭转耦联、双向地震作用及施工模拟；结合规范规定的要求及结构抗震概念设计理论，各栋X、Y方向剪重比适中，均满足“高规”第3.3.13条要求;单塔SATWE第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85，须满足“高规”4.3.5条要求;各栋楼在偶然偏心影响的地震作用下，属扭转I类或Ⅱ类不规则平面；满足“高规”4.3.5条“A级高度建筑不应大于该楼层平均值1.5倍”要求;各栋有效质量系数均大于90％，所取振型数满足“高规”第4.3.5条有关要求;各塔楼在地震作用和风荷载作用下层间位移角＜1/1000，满足“高规”4.6.3条要求;本工程各栋塔楼在地震作用下各楼层(以剪切变形为主的)平均有害位移小于整体平均位移的20％，远小于楼层整体平均位移的50％，也从侧面证明了本工程结构体系在水平作用下的变形是以弯曲变形为主的特性;各层侧向刚度均大于相邻上一层侧向刚度的70%，并大于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%，满足“抗规”第3.4.2条侧向刚度规则性要求;按“省补充规定”3.3.1条表3.3.1-1中第4点，以上下层位移角比值对刚度进行评价，属侧向刚度规则的情况;楼层层间抗侧力结构的受剪承载力大于其上一层受剪承载力的80%，满足“抗规”第3.4.2条楼层承载力均匀性要求;各栋的刚重比均大于2.7，满足高层建筑结构整体稳定的要求，不考虑P-Δ效应的影响（“高规”5.4.4条）。SATWE与TAT的计算结果相近，结果合理、有效， 计算结果表明，结构周期及位移符合规范要求，剪重比适中，构件截面取值合理，结构体系选择恰当。
5、6栋整体主要电算结果
转换层设计
布置转换层上下主体竖向结构时，使尽可能多的上部竖向结构能向下落地连续贯通；布置转换层上下主体竖向结构时，尽量使水平转换结构传力直接，尽量避免多级复杂转换，慎重采用传力复杂、抗震不利的平厚板转换；应尽量强化转换层下部结构侧向刚度，弱化转换层上部结构侧向刚度，使转换层上下主体结构侧向刚度尽量接近、平滑过渡。
规范对于转换梁的构造要求提得比较多也比较详细，包括最低混凝土强度等级、最小梁宽、最小梁高以及配筋构造要求等，对转换层楼板的受力计算及配筋构造均作出了要求。这里要强调的是，转换层楼板由于担负着从上部剪力墙到落地剪力墙及框支柱剪力重分布的重任，应适当增加次梁分隔其板跨，以增加转换层楼板的稳定性，这与在钢梁腹板设置加劲肋的原理是一样的；结构中所有转换梁尽量做到一次转换，并尽量做到转换梁轴线与上部墙肢轴线相重合，以避免由偏心支承带来的弯剪扭效应对结构延性的降低。对二次转换、偏心布置和受力复杂的转换构件，补充局部应力分析，在考虑最不利荷载组合情况下得到转换梁的应力分布特点，对高应力区进行重点加强，如提高配箍率和增加抗扭筋的设置，提高转换梁构件的抗剪、抗扭能力。
结语
A级高度高层建筑结构设计中，结构抗震概念设计往往左右着结构设计的成败，设计人员须将结构抗震概念设计与计算分析及构造措施有机地结合起来考虑，以保证设计构思的实现。上部剪力墙的布置、转换层上下结构侧向刚度比的控制、框支框架的构造加强、转换层楼板的加强都是其中的关键技术问题，笔者以本工程为例，结合多年高层住宅设计经验，介绍了一些常用的设计处理手段，可供同类工程参考。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。