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摘要:本文笔者结合某建筑结构设计实例，简要的对结构的主体、基础设计作了阐述，对结构局部设计提出了一些相应措施，并进行了相关总结，可为类似工程设计提供借鉴参考。
关键词:高层建筑;框架—剪力墙结构;结构设计
前言
近年来，高层建筑在我国得到了迅速的发展。由于使用功能、城市规划、用地以及投资等因素影响，不仅各大城市、经济特区和沿海城市大量兴建高层办公建筑和住宅，各小城市和工业区也兴建了不少高层建筑。从当前影响高层建筑发展的各种因素来看，在21世纪我国高层建筑还会以更快的速度向前发展。随着科学技术的不断发展，高层建筑出现了层数增多、高度加大，结构体系日益多样化，平面布置与竖向体形日趋复杂，多功能性、综合性，高强轻质材料推广应用等一系列特点。由于高层建筑的投资大，施工周期长，因此，如果高层建筑的结构设计方法不当，将使结构产生薄弱环节，影响结构的安全性和使用寿命，严重的将造成结构倒塌、人员伤亡、财产受损的重大危害事故。这就给高层建筑结构设计给工程设计人员提出了更高的要求，下面就结构设计中的问题进行一些探讨。
1工程概况
某高层建筑建筑面积39 617 m2,其中地上部分29 677m2,地下部分9 940 m2。本工程地面以下平面形状为长方形,有2层。本工程地面以上13层,高度为59.8 m,1～3层为餐厅和机房,4层以上为办公室。
2工程地质情况
本建筑所在场地地形平坦，表层为人工填土，其下为一般第四纪冲洪积沉积土层，土层在水平与垂直方向分布比较稳定。本建筑基底置于层粉质黏土，建筑抗震设防重要性分类为丙类，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，Ⅲ类场地土，基本风压0.45 kN/m2。
3结构设计
3.1结构主体设计
本建筑主体结构采用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系，剪力墙抗震等级一级，框架抗震等级二级。结合建筑使用功能，作为主要抗侧力构件的剪力墙布置在建筑中部，并形成筒体，筒体周围设框架柱。因受层高及使用功能的限制，地上部分楼层主次梁均沿Y向布置，以便减小主梁高度，增加使用净高，标准层楼板厚110 mm。本工程结构嵌固端位于地下室顶板，考虑其承受并传递由地震作用产生的水平力，故其板厚为180 mm，板配筋双层双向满布。主要竖向构件截面变化见表1，混凝土强度等级见表2。
表1 主要竖向构件截面变化
表2 混凝土强度等级
本建筑结构采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构三位分析与设计软件SATWE(墙元模型)进行分析计算，计算结果比较合理并符合现行规范要求，有关结构位移和地震力等电算结果见表3～5。
表3结构周期
表4結构位移
表5 底层地震剪力、弯矩、剪重比
3.2基础设计
本工程根据地质情况通过对地基承载力的计算，决定采用梁板式筏形基础。Y向基础梁尺寸为1 800×2 000，1000×2 000，X向基础梁尺寸为900×1800。因筒体内电梯基坑及集水井局部下降的影响，主梁不能正常贯通，并且筒体部位竖向荷载较大，故筒体部位四周2 m范围内板厚1.5 m，其余部位板厚1.0 m。基础计算采用建研院编制的弹性地基梁板基础软件计算。
因本建筑主体偏向地下室平面右侧,左侧①轴～①轴为纯地下室,为减小高低层间基础差异沉降对上部结构带来的危害,在纯地下室与主楼相交部位设置后浇带,后浇带在主楼结构封顶后浇筑,同时在设计中加大后浇带所在跨板的配筋,以抵抗结构后期的不均匀沉降。
4局部设计的几点考虑
(1)本建筑的外框架与内筒间距较大,为14.5 m，框架梁端在内筒处负弯矩较大，按常规做法此梁在筒内宜贯通，以平衡梁端的负弯矩，但建筑设在筒内的楼电梯间以及通风和水专业的管道井均使框架梁不能正常贯通，这样在筒体剪力墙上产生较大的平面外弯矩，为此采取以下措施:①加大设于筒体墙内楼层处暗梁截面及配筋，形成加强环梁(见图1)，通过此环梁，将作用于X向墙体上的平面外弯矩分别传递到Y向各墙上;②与框架梁相交的墙体节点处均设置暗柱，并通过计算配置暗柱内的纵筋和箍筋;③因剪力墙厚450 mm，按如图2所示进行改进，增加梁端凸出部分，以便提高梁端在抗震时的锚固。
(2)为减小框架梁的荷载以便减小梁的截面高度，本建筑的次梁均沿Y向布置，这样就加大了次梁的跨度，为控制次梁的挠度和裂缝，在结构布置时尽量将次梁在筒体内贯通，形成三跨连续梁，并通过计算配置梁下部纵筋，满足正常使用的要求。
图1 框架梁与混凝土墙相交接点详图图2LC-2
(3)在设计计算过程中发现，X向轴，轴与剪力墙相交的框架梁，因在同一平面内的剪力墙刚度相对很大，在地震力作用下，与剪力墙相交部位的梁端配筋均超筋，为解决此问题，设计中采取两条途径分别计算:①在不考虑地震作用时，梁与剪力墙相交处按固结考虑，计算后按结果配置梁端负筋;②在考虑地震作用时，假设梁与剪力墙相交处出现塑性铰，计算后按结果配置梁跨中正筋。这样既能满足正常使用时的强度要求，又能保证地震作用下的安全。
5综合考虑优化结构设计
在结构设计中要考虑优化设计,综合考虑各方面因素,尽量采用最为经济和合理的方案。全面考虑各个受力构件的可能承受的各种荷载,竖向承重构件把竖向荷载传递到基础上,还承受风和地震等水平荷载,以及温度应力,这些都要考虑到,布置时要把承重构件放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置。要限制剪力墙的间距,确定楼板刚度满足整体工作的要求。水平承重构件的布置,也要综合考虑多方面因素,力争做到传力路径简短,以最快的方式将楼面上的荷载传递到主梁上,再由柱和剪力墙传递到基础和地基。在设计地基基础时,要根据基本理论知识,结合丰富的实际经验,预见可能出现的各种问题,并分析出合理的解决方案。计算过程要牢记“强柱弱粱、强剪弱弯、强压弱拉”的原则,不可随意加大配筋量,要考虑构件的延性性能,对薄弱部位注意加强。对于钢筋的锚固长度尤其是直线段锚固长度,要注意温度应力的影响。平面和立面的布置,要按照均匀、对称和规整原则进行,考虑多道防线,力争避免出现薄弱层。结构的选型和布置及计算的整个设计过程,要综合考虑各方面因素,并进行极限状态的验算,以保证结构设计的方案安全合理。
6设计体会
(1)按规范要求,框架剪力墙结构的筒体宜设边框梁与边框柱,框架梁在筒内宜贯通,以便加强整体刚度,承受平面外弯矩。本建筑由于方案是香港的建筑事务所设计,港方坚持不设边框梁与边框柱和框架梁在筒体内不贯通的方案。为保证结构安全,特别是在地震作用下,建筑结构具备必要的抗震承载能力,良好的变形能力,对可能出现的薄弱部位,在设计中采取了一些有利的措施,从而弥补了方案的缺陷。
(2)本建筑的次梁均沿Y向布置,且梁高受到限制,经计算,为达到规范要求的挠度和裂缝要求,须配置一定数量的纵筋,以便提高梁的刚度,这样做不仅增加造价,而且要求梁上不宜再有较大的集中荷载。所以在今后的设计中,若楼层允许的情况下,用横向框架方案,次梁沿X向布置综合考虑更合适。
(3)主体结构应尽量位于地下室平面的中部,使质心与形心尽量重合。
参考文献:
[1]GB 50011－2010，建筑抗震设计规范[S]．
[2]JGJ 3－2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．
关键词:高层建筑;框架—剪力墙结构;结构设计
前言
近年来，高层建筑在我国得到了迅速的发展。由于使用功能、城市规划、用地以及投资等因素影响，不仅各大城市、经济特区和沿海城市大量兴建高层办公建筑和住宅，各小城市和工业区也兴建了不少高层建筑。从当前影响高层建筑发展的各种因素来看，在21世纪我国高层建筑还会以更快的速度向前发展。随着科学技术的不断发展，高层建筑出现了层数增多、高度加大，结构体系日益多样化，平面布置与竖向体形日趋复杂，多功能性、综合性，高强轻质材料推广应用等一系列特点。由于高层建筑的投资大，施工周期长，因此，如果高层建筑的结构设计方法不当，将使结构产生薄弱环节，影响结构的安全性和使用寿命，严重的将造成结构倒塌、人员伤亡、财产受损的重大危害事故。这就给高层建筑结构设计给工程设计人员提出了更高的要求，下面就结构设计中的问题进行一些探讨。
1工程概况
某高层建筑建筑面积39 617 m2,其中地上部分29 677m2,地下部分9 940 m2。本工程地面以下平面形状为长方形,有2层。本工程地面以上13层,高度为59.8 m,1～3层为餐厅和机房,4层以上为办公室。
2工程地质情况
本建筑所在场地地形平坦，表层为人工填土，其下为一般第四纪冲洪积沉积土层，土层在水平与垂直方向分布比较稳定。本建筑基底置于层粉质黏土，建筑抗震设防重要性分类为丙类，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，Ⅲ类场地土，基本风压0.45 kN/m2。
3结构设计
3.1结构主体设计
本建筑主体结构采用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系，剪力墙抗震等级一级，框架抗震等级二级。结合建筑使用功能，作为主要抗侧力构件的剪力墙布置在建筑中部，并形成筒体，筒体周围设框架柱。因受层高及使用功能的限制，地上部分楼层主次梁均沿Y向布置，以便减小主梁高度，增加使用净高，标准层楼板厚110 mm。本工程结构嵌固端位于地下室顶板，考虑其承受并传递由地震作用产生的水平力，故其板厚为180 mm，板配筋双层双向满布。主要竖向构件截面变化见表1，混凝土强度等级见表2。
表1 主要竖向构件截面变化
表2 混凝土强度等级
本建筑结构采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构三位分析与设计软件SATWE(墙元模型)进行分析计算，计算结果比较合理并符合现行规范要求，有关结构位移和地震力等电算结果见表3～5。
表3结构周期
表4結构位移
表5 底层地震剪力、弯矩、剪重比
3.2基础设计
本工程根据地质情况通过对地基承载力的计算，决定采用梁板式筏形基础。Y向基础梁尺寸为1 800×2 000，1000×2 000，X向基础梁尺寸为900×1800。因筒体内电梯基坑及集水井局部下降的影响，主梁不能正常贯通，并且筒体部位竖向荷载较大，故筒体部位四周2 m范围内板厚1.5 m，其余部位板厚1.0 m。基础计算采用建研院编制的弹性地基梁板基础软件计算。
因本建筑主体偏向地下室平面右侧,左侧①轴～①轴为纯地下室,为减小高低层间基础差异沉降对上部结构带来的危害,在纯地下室与主楼相交部位设置后浇带,后浇带在主楼结构封顶后浇筑,同时在设计中加大后浇带所在跨板的配筋,以抵抗结构后期的不均匀沉降。
4局部设计的几点考虑
(1)本建筑的外框架与内筒间距较大,为14.5 m，框架梁端在内筒处负弯矩较大，按常规做法此梁在筒内宜贯通，以平衡梁端的负弯矩，但建筑设在筒内的楼电梯间以及通风和水专业的管道井均使框架梁不能正常贯通，这样在筒体剪力墙上产生较大的平面外弯矩，为此采取以下措施:①加大设于筒体墙内楼层处暗梁截面及配筋，形成加强环梁(见图1)，通过此环梁，将作用于X向墙体上的平面外弯矩分别传递到Y向各墙上;②与框架梁相交的墙体节点处均设置暗柱，并通过计算配置暗柱内的纵筋和箍筋;③因剪力墙厚450 mm，按如图2所示进行改进，增加梁端凸出部分，以便提高梁端在抗震时的锚固。
(2)为减小框架梁的荷载以便减小梁的截面高度，本建筑的次梁均沿Y向布置，这样就加大了次梁的跨度，为控制次梁的挠度和裂缝，在结构布置时尽量将次梁在筒体内贯通，形成三跨连续梁，并通过计算配置梁下部纵筋，满足正常使用的要求。
图1 框架梁与混凝土墙相交接点详图图2LC-2
(3)在设计计算过程中发现，X向轴，轴与剪力墙相交的框架梁，因在同一平面内的剪力墙刚度相对很大，在地震力作用下，与剪力墙相交部位的梁端配筋均超筋，为解决此问题，设计中采取两条途径分别计算:①在不考虑地震作用时，梁与剪力墙相交处按固结考虑，计算后按结果配置梁端负筋;②在考虑地震作用时，假设梁与剪力墙相交处出现塑性铰，计算后按结果配置梁跨中正筋。这样既能满足正常使用时的强度要求，又能保证地震作用下的安全。
5综合考虑优化结构设计
在结构设计中要考虑优化设计,综合考虑各方面因素,尽量采用最为经济和合理的方案。全面考虑各个受力构件的可能承受的各种荷载,竖向承重构件把竖向荷载传递到基础上,还承受风和地震等水平荷载,以及温度应力,这些都要考虑到,布置时要把承重构件放在有利于承受水平荷载和温度应力的位置。要限制剪力墙的间距,确定楼板刚度满足整体工作的要求。水平承重构件的布置,也要综合考虑多方面因素,力争做到传力路径简短,以最快的方式将楼面上的荷载传递到主梁上,再由柱和剪力墙传递到基础和地基。在设计地基基础时,要根据基本理论知识,结合丰富的实际经验,预见可能出现的各种问题,并分析出合理的解决方案。计算过程要牢记“强柱弱粱、强剪弱弯、强压弱拉”的原则,不可随意加大配筋量,要考虑构件的延性性能,对薄弱部位注意加强。对于钢筋的锚固长度尤其是直线段锚固长度,要注意温度应力的影响。平面和立面的布置,要按照均匀、对称和规整原则进行,考虑多道防线,力争避免出现薄弱层。结构的选型和布置及计算的整个设计过程,要综合考虑各方面因素,并进行极限状态的验算,以保证结构设计的方案安全合理。
6设计体会
(1)按规范要求,框架剪力墙结构的筒体宜设边框梁与边框柱,框架梁在筒内宜贯通,以便加强整体刚度,承受平面外弯矩。本建筑由于方案是香港的建筑事务所设计,港方坚持不设边框梁与边框柱和框架梁在筒体内不贯通的方案。为保证结构安全,特别是在地震作用下,建筑结构具备必要的抗震承载能力,良好的变形能力,对可能出现的薄弱部位,在设计中采取了一些有利的措施,从而弥补了方案的缺陷。
(2)本建筑的次梁均沿Y向布置,且梁高受到限制,经计算,为达到规范要求的挠度和裂缝要求,须配置一定数量的纵筋,以便提高梁的刚度,这样做不仅增加造价,而且要求梁上不宜再有较大的集中荷载。所以在今后的设计中,若楼层允许的情况下,用横向框架方案,次梁沿X向布置综合考虑更合适。
(3)主体结构应尽量位于地下室平面的中部,使质心与形心尽量重合。
参考文献:
[1]GB 50011－2010，建筑抗震设计规范[S]．
[2]JGJ 3－2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S]．