民用高層建筑結構設計

1、<p>　　民用高層建筑結構設計</p><p>　　摘要：近十余年來我國的高層建筑建設可謂突飛猛進,其建設速度和建造數(shù)量在世界建筑史上都是少有的。但是,從設計質量方面來看卻不容樂觀,多數(shù)設計追趕流行時尚。因此在實際中應考慮長遠因素。文中探討了民用高層建筑結構設計，以供參考。 </p><p>　　關鍵詞：民用 高層建筑 結構設計 </p><p>　　中

2、圖分類號：TU208 文獻標識碼：A </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　結構工程師應以力學概念和豐富的工程經驗為基礎，從結構整體和局部兩個方面對計算結果的合理性正確判斷計算結果，確認其可靠后，方可用于工程設計。高層建筑結構設計、計算是一項復雜的工作，它要結構設計人員既要有扎實的理論功底，又要有豐富的工程經驗，這樣設計出來的建筑物才能達到

3、既安全、可靠，又經濟、合理。 </p><p>　　一、高層建筑結構設計要點 </p><p><b>　　1、結構選型 </b></p><p>　　對于高層建筑結構而言, 在工程設計的結構選型階段,應注意以下幾點: </p><p>　?。?）結構的規(guī)則性問題。新舊規(guī)范在這方面的內容出現(xiàn)了較大的變動, 新規(guī)范在這方面

4、增添了相當多的限制條件,例如: 平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等, 而且, 新規(guī)范采用強制性條文明確規(guī)定“建筑不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。” 因此, 結構工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴格注意, 以避免后期施工圖設計階段工作的被動。 </p><p>　?。?）結構的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中, 對結構的總高度都有嚴格的限制, 尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題, 除了將原來的限制高度設定為A

5、級高度的建筑外,增加了B級高度的建筑, 因此, 必須對結構的該項控制因素嚴格注意, 一旦結構為B級高度建筑或超過了B 級高度,其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中, 出現(xiàn)過由于結構類型的變更而忽略該問題, 導致施工圖審查時未予通過, 必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況, 對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當巨大。 </p><p>　　（3）嵌固端的設置問題。由于高層建筑一般都帶

6、有二層或二層以上的地下室和人防, 嵌固端有可能設置在地下室頂板, 也有可能設置在人防頂板等位置, 因此, 在這個問題上, 結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面, 如: 嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協(xié)調等等問題, 而忽略其中任何一個方面都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。 </p>

7、<p>　?。?）短肢剪力墻的設置問題。在新規(guī)范中, 對墻肢截面高厚比為5~ 8的墻定義為短肢剪力墻, 且根據實驗數(shù)據和實際經驗, 對短肢剪力墻在高層建筑中的應用增加了相當多的限制, 因此, 在高層建筑設計中, 結構工程師應盡可能少采用或不用短肢剪力墻, 以避免給后期設計工作增加不必要的麻煩。 </p><p>　　2、地基與基礎設計 </p><p>　　地基與基礎設計一直是

8、結構工程師比較重視的方面,不僅僅由于該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行, 同時, 也是因為地基基礎也是整個工程造價的決定性因素, 因此, 在這一階段, 所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。 </p><p>　　在地基基礎設計中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣, 地質條件相當復雜, 因此, 作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的“地基基礎設計規(guī)范”能夠將各地方

9、的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規(guī)定得更為詳細和準確, 所以, 在進行地基基礎設計時, 一定要對地方規(guī)范進行深入地學習, 以避免對整個結構設計或后期設計工作造成較大的影響。 </p><p>　　3、結構計算與分析 </p><p>　　在結構計算與分析階段, 如何準確, 高效地對工程進行內力分析并按照規(guī)范要求進行設計和處理, 是決定工程設計質量好壞的關鍵。由于新規(guī)范的推

10、出對結構整體計算和分析部分相當多的內容進行了調整和改進, 因此, 對這一階段比較常見的問題應該有一個清晰的認識。 </p><p>　　(1)結構整體計算的軟件選擇。目前比較通用的計算軟件有: SATWE、TAT、TBSA等, 但是, 由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異, 因此導致了各軟件的計算結果有或大或小的不同。所以, 在進行工程整體結構計算和分析時必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算

11、軟件, 并從不同軟件相差較大的計算結果中,判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的, 哪個又是意義不大的, 這將是結構工程師在設計工作中首要的工作。否則, 如果選擇了不合適的計算軟件, 不但會浪費大量的時間和精力, 而且有可能使結構有不安全的隱患存在。 </p><p>　?。?）是否需要地震力放大, 考慮建筑隔墻等對自振周期的影響。該部分內容實際上在新老規(guī)范中都有提及, 只是,在新規(guī)范中根據大量工程的實測周期明確

12、提出了各種結構體系下高層建筑結構計算自振周期折減系數(shù)。 </p><p>　?。?）振型數(shù)目是否足夠。在新規(guī)范中增加一個振型參與系數(shù)的概念, 并明確提出了該參數(shù)的限值。由于在舊規(guī)范設計中, 并未提出振型參與系數(shù)的概念, 或即使有該概念,該參數(shù)的限值也未必一定符合新規(guī)范的要求, 因此, 在計算分析階段必須對計算結果中該參數(shù)的結果進行判斷, 并決定是否要調整振型數(shù)目的取值。 </p><p>

13、　　共振問題。隨著大底盤, 多塔樓的高層建筑類型大量涌現(xiàn), 在計算分析此類高層建筑時, 是將結構作為一個整體并按多塔類型進行計算, 還是將結構人為地分開進行計算, 是結構工程師必須注意的問題。如果多塔間剛度相差較大, 就有可能出現(xiàn)即使振型參與系數(shù)滿足要求, 但是對某一座塔樓的地震力計算誤差仍然有可能較大, 從而使結構出現(xiàn)不安全的隱患。此外，當建筑場地發(fā)生地震時, 如果建筑物的自振周期和場地的特征周期接近, 建筑物和場地就會發(fā)生共振。因此

14、在建筑方案設計時就應針對預估的建筑場地特征周期, 通過調整結構的層數(shù),選擇合適的結構類別和結構體系, 擴大建筑物的自振周期與建筑場地特征周期的差別, 避免共振的發(fā)生。 </p><p>　　非結構構件的計算與設計。在高層建筑中, 往往存在一些由于建筑美觀或功能要求且非主體承重骨架體系以內的非結構構件。對這部分內容, 尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構件進行設計時, 由于高層建筑的地震作用和風荷載均較大, 因此, 必須嚴

15、格按照新規(guī)范中增加的非結構構件的計算處理措施進行設計。 </p><p><b>　　二、工程概況 </b></p><p>　　1、某高層住宅樓位于市中心的繁華地段，總建筑面積約20 萬m2。由五幢高層住宅樓組成,地下部分2 層,底層架空、無裙房;2 層以上為住宅。五幢高層建筑下的2 層地下室連為一體。五幢高層結構平面體型較不規(guī)則,建筑結構長寬比3.7～6.9,高寬

16、比5.4～10.3。本工程為丙類建筑, 工程的結構安全等級為二級,采用大直徑鉆孔灌注樁、樁筏基礎。 </p><p>　　工程位于較高抗震設防烈度區(qū),同時又是高風壓地區(qū),抗震設防烈度為六度(0.15g),Ⅱ 類場地,建筑基本風壓值為0.70kN/m2。 </p><p>　　2、結構體系的確定 </p><p>　　根據建筑功能的使用要求, 本工程為高尚住宅區(qū),底層

17、架空為酒店式大堂,并引入室外景觀造景,為此,建筑對底層柱及剪力墻的布置位置有嚴格的要求,上部住宅部分要求室內方正實用。為了滿足上述的要求,本工程采用框支剪力墻結構,在二層樓面設置轉換層。因上部墻體多數(shù)無法直接落地或落于框支梁上,因而采用了箱高為230cm 的箱形轉換結構。利用箱體增加轉換層的整體剛度,同時箱體的上下層板又增加了框支梁的抗扭性能。配合建筑使用功能合理布置抗側力構件, 以合理控制結構的總體剛度,使之既滿足抗震要求又滿足抗風的

18、要求。將核心筒剪力墻落地,在建筑物外圍及局部突出部位設置70-90cm 厚的L 型剪力墻, 避免出現(xiàn)獨立框支角柱,同時將中部部分剪力墻落地,以保證落地剪力墻的數(shù)量,滿足上下剛度比的要求。本工程結構體系復雜并采用箱形轉換,存在高寬比及長寬比超限等問題,進行了超限高層建筑工程抗震設防專項審查。 </p><p><b>　　3、計算分析 </b></p><p>　?。?

19、）計算程序的選用 </p><p>　　本工程屬于結構體系復雜的高層建筑,結構設計采用兩種軟件分析計算; 一種是PKPM系列的SATWE 程序該程序采用墻元模擬剪力墻,是國內應用比較廣泛的軟件之一。同時另采用體單元模型的ANSYS 有限元分析軟件進行復核。 </p><p>　　（2）程序使用的注意事項 </p><p>　　a在平面輸入時應正確指定轉換構件,確保程

20、序計算時能按相關規(guī)范規(guī)定,對轉換構件在水平地震作用下的計算內力進行放大,對框支柱的水平地震剪力進行調整等。 </p><p>　　b對于一字型墻肢出現(xiàn)與其平面外方向的樓面梁連接時,為抵抗梁端彎矩對墻的不利影響, 在程序計算中將梁與墻相交處作鉸接處理,減少梁對墻產生的平面外彎矩。此時,在墻與梁相交處設置暗柱,并按計算確定其配筋。 </p><p>　　c剪力墻之間的連結梁應根據具體情況 &l

21、t;/p><p>　　指定為連梁或框架梁。對一端或兩端與剪力墻相交的梁會在程序中默認為連梁,計算中程序會對其剛度進行折減后再計算其內力;而對跨高比較大(>5)的連梁,其受力模式接近框架梁,此時應將該類梁人工定義為框架梁,以求內力分析的準確。 </p><p>　　4、結構分析的主要結果 </p><p>　　本工程以最不利的一幢(即北樓三)的計算結果。 </

22、p><p>　　（1）ANSYS 程序計算結果見表1； </p><p>　　表1ANSYS 計算結果 </p><p>　　（2）表2 為SATWE 程序計算結果，在計算中,控制以扭轉為主的第一自振周期與乎動為主的第一自振周期之比＜0.85；結構最大層間位移與平均層間位移之比＜1.2。表2 SATWE 計算結果： </p><p>　?。?）.

23、本工程采用由中國建筑科學研究院工程抗震研究所提供的地震波進行計算分析,地面運動加速度峰值55gaL。彈性時程分析法的計算結果與振型分解反應譜法的計算結果基本一致;彈性時程分析時,每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%, 多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%。 </p><p>　　4、框支層結構設計 </p>

24、<p><b>　?。?）框支柱設計 </b></p><p>　　本工程框支柱抗震等級為二級, 軸壓比限值為0.7。框支柱主要截面取1300X1300～1300X2300,計算結果表明,所有框支柱的受力較為均勻,軸壓比從0.42～0.51,因此,箱形轉換層下框支柱的變形一致性較好。框支柱的剪力設計值應按柱實配縱筋計算并乘以放大系數(shù)1.1,剪壓比控制在0.15 以內。柱內全部縱向鋼

25、筋的配筋率不＜1.2%, 箍筋沿柱全高采用不小于Φ12@100 井字復合箍, 體積配箍率均不＜1.5%,使柱具有-定的延性,實現(xiàn)強剪弱彎?？蛑е谏厦鎵w范圍內的縱向鋼筋伸人上部墻體內一層,其余柱筋錨入梁或板內。 </p><p><b>　?。?）剪力墻設計 </b></p><p>　　本工程核心筒落地剪力墻厚40cm,除核心筒外, 在建筑四角布置70～90cm

26、厚的L 型剪力墻。為了使混凝土的受壓性能改善,增大延性,設計中控制墻肢的軸壓比不大于0.5。墻體的水平和豎向分布筋除滿足計算要求外, 同時也滿足0.3%的最小配筋率的限值。底部加強區(qū)的剪力墻中按規(guī)范要求設置約束邊緣構件,約束邊緣構件的縱筋配筋率控制≥1.2% , 箍筋不＜Φ12@100,體積配箍率控制≥1.4%,同時,對長厚比＜5 的短墻在計算中按柱輸入計算進行比較,其結果顯示,短墻按墻和按柱計算的結果大致一致。 </p>

27、<p>　?。?）框支梁的設計 </p><p>　　本工程框支梁抗震等級為二級。對于兩端擱置于框支主梁上的框支次梁,其受力類似簡支梁,跨中底筋較大,支座面筋基本按構造要求配置。 </p><p>　　本工程的框支主梁的梁高230cm (即箱體高度》于梁頂和梁底各設置一層20cm 厚的箱板,梁截面尺寸按剪壓比0.15 控制。梁主筋配筋率除滿足計算外,還不小于0.5%,上部主筋沿

28、梁全長貫通,下部主筋全部直通到柱或墻內,沿梁腹部設置不小于Φ16@150 的腰筋,于梁中部設置-排Φ20 的抗裂縱筋,抗裂縱筋根數(shù)同箍筋肢數(shù),梁箍筋全長加密。 </p><p>　　對其他框支梁,因其受力較大,在靠近柱支座處的應力集中尤為突出,部分梁的計算結果表明,梁端抗剪不足,經過核查該梁各截面剪力設計值,發(fā)現(xiàn)框支柱截面內有大部分剪力不足的截面,對此情況的梁截面尺寸不做調整,而對于確實抗剪不足的梁采用梁端水平加

29、腋的方式解決該梁的抗剪能力不足的問題。 </p><p>　　4、箱形轉換層樓板的設計 </p><p>　　箱形轉換層的箱體高度為230cm, 箱體的上下層板厚均為20cm。對箱體的上下層板應采用ANSYS 有限元軟件進行內力分析。分析結果顯示,各荷載工況條件下,箱體上層板都為受壓,平均最大壓應力為1.2MPa, 箱體下層板均為受拉, 平均最大拉應力為2.0MPa。在設計中,將樓板裂縫控

30、制在0.2mm 以內, 實配雙層雙向Φ16@150 的通長鋼筋。 </p><p><b>　　結束語 </b></p><p>　　在高層建筑結構設計中,結構工程師應從結構的安全、使用功能、建筑美觀等方面進行全盤考慮,運用掌握的知識和經驗處理實際遇到的各種問題,才能設計出安全合理的高層建筑結構。 </p><p><b>　　參考文

31、獻 </b></p><p>　　[1] 趙天賦,李虹.高層建筑結構設計研究[J]. 今日科苑. 2009(12) </p><p>　　[2] 趙明華,趙小慧.如何對高層建筑結構進行設計分析之探析[J]. 民營科技. 2010(05) </p><p>　　[3] 沈芳.高層建筑結構設計中應注意的幾個問題[J]. 科技資訊. 2007(21) <