論高層建筑的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
摘要：目前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了高層建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，文中筆者結(jié)合具體工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)了研究與分析，并通過(guò)大量的計(jì)算與分析對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一些建議和意見(jiàn)。
關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)體系;分析計(jì)算
1、工程概況
某工程建筑平面尺寸為長(zhǎng)94.8m，寬13.2～24m，平面形狀為梯形，屬板式高層建筑。建筑總面積為22000m2,其中地上建筑面積19140mz，地下建筑面積2860m2。地上18層，地下1層，地上最大建筑高度為89.110m。地上1—2層為商業(yè)用房，3層為設(shè)備層，4層以上為標(biāo)準(zhǔn)辦公公寓。1層高7.17m，2層高4.98m，3層高2.19m，4層以上標(biāo)準(zhǔn)層高4.98m。地下室為立體停車(chē)庫(kù)及設(shè)備用房，按核六級(jí)兼平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換人防設(shè)計(jì)。
2、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
建筑場(chǎng)地地形平坦、穩(wěn)定，無(wú)液化土存在，自然場(chǎng)地下50m左右有承載特性較好的卵石層(層6)�；A(chǔ)形式采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁徑采用010oo，0900，0800三種類(lèi)型，有效樁長(zhǎng)45m，為提高樁端承載力及減小樁基變形，對(duì)樁端進(jìn)行壓力注漿，根據(jù)靜載試驗(yàn)結(jié)果，OlO00單樁豎向承載力特征值為5400kN。外圍純地下室范圍內(nèi)設(shè)置鉆孔灌注抗拔樁，框架柱下設(shè)置獨(dú)立多樁承臺(tái)，核心筒下設(shè)置群樁筏板式承臺(tái)，筏板厚1.0m。底板按肋梁式布置，底板厚400mm，外壁板厚350mm，采用C40防水混凝土，抗口等級(jí)為P8。根據(jù)地勘資料，地下水位常年位于自然地面以下O.5m航浮設(shè)防水位較高，為室外地坪標(biāo)高，地下室抗浮穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求。
W ≥1.05F(1)式中：w 為地下室自重及上部結(jié)構(gòu)作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的總和;F為地下水浮力。
由于抗浮設(shè)防水位較高，若采用增加結(jié)構(gòu)配重的方式進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)無(wú)法滿足式(1)要求。工程采取設(shè)置抗拔樁進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，需抗浮的柱下布置1～2根抗拔樁，口1000單樁抗拔承載力特征值為1800kN。
3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算
3. 1結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為5O年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防分類(lèi)為丙類(lèi)，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地為Ⅲ類(lèi)�；撅L(fēng)壓0.5kN/m (j安100年重現(xiàn)期)，地面粗糙度為B類(lèi)。
建筑主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，其中剪力墻和框架的抗震等級(jí)均為三級(jí)。樓面采用主次梁結(jié)構(gòu)布置。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)在于建筑的平面、豎向體形和復(fù)式結(jié)構(gòu)。建筑地上部分平面形狀依據(jù)場(chǎng)地形狀設(shè)計(jì)，近似梯形，斜邊夾角7。，存在斜向抗側(cè)力體系。樓板平面較狹長(zhǎng)，而3層以上每層樓板開(kāi)洞面積為樓面面積的10%，且奇偶層由于空中花園的隔層設(shè)置造成樓板開(kāi)洞面積、位置不同，屬于抗震規(guī)范中平面不規(guī)則形狀。由于12層內(nèi)收尺寸突然變大，造成結(jié)構(gòu)在豎向上側(cè)向剛度不連續(xù)。導(dǎo)致在地震力作用下，容易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。1層及以上各標(biāo)準(zhǔn)層均待主體驗(yàn)收后結(jié)合裝修設(shè)置夾層，夾層主次梁采用型鋼結(jié)構(gòu)，樓蓋采用組合樓板。形成施工階段結(jié)構(gòu)層數(shù)為18層，而使用階段實(shí)際結(jié)構(gòu)層數(shù)為27層，由于使用階段標(biāo)準(zhǔn)層高僅為2.5m，造成框架柱凈高與截面高度之比均小于4，減小了柱的延性。
通過(guò)整體結(jié)構(gòu)計(jì)算顯示，在地震力作用下，建筑物位移值較大的點(diǎn)出現(xiàn)在建筑高度的中上部，平面上的邊角點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)中在平面南北端部附近，利用電梯問(wèn)設(shè)置剪力墻，并且盡量使剪力墻形成封閉簡(jiǎn)體，使結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度得到加強(qiáng)，減少建筑端部的扭轉(zhuǎn)變形。l2層部位豎向內(nèi)收造成結(jié)構(gòu)偏心，在方案調(diào)整計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，12層部位由于側(cè)向剛度突變，局部產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，引起邊角部位豎向構(gòu)件彎矩和剪力產(chǎn)生較大增量，可能成為薄弱層。采取的措施是在12層外墻局部部位增設(shè)剪力墻，以加大樓層的側(cè)向及扭轉(zhuǎn)剛度、減小偏心率及豎向構(gòu)件內(nèi)力附加值。經(jīng)計(jì)算，增設(shè)外部剪力墻后，該樓層抗側(cè)剛度提高了20%;抗剪承載力提高了18% ;偏心率減少了50%;地震力作用下最大層間位移減少了29%;偶然偏心影響的地震力作用下樓層最大位移與平均位移比值由1.42降至1.29;框架角柱、邊柱剪力和彎矩均有不同程度減少，其中局部角柱剪力減少約4% ;豎向構(gòu)件計(jì)算配筋均在合理范圍內(nèi)。通過(guò)以上定量分析可得，適當(dāng)增加樓層局部抗側(cè)力構(gòu)件可改善豎向內(nèi)收造成的不利影響，減少結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度突變。在施工圖設(shè)計(jì)中，特別加強(qiáng)12層及相鄰層角部梁柱的截面和配筋，其抗震等級(jí)提高一級(jí)，并加強(qiáng)構(gòu)件抗震構(gòu)造措施，以提高其延性。
施工圖設(shè)計(jì)中主要豎向構(gòu)件截面變化如表1所示，框架柱及剪力墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)：3層以下為C50，4—8層為C45，9～12層為C40，13層以上為C35。
3.2結(jié)構(gòu)計(jì)算主體結(jié)構(gòu)采用多高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE (墻元模型)進(jìn)行分析計(jì)算，并用ETABS進(jìn)行計(jì)算校核，計(jì)算中考慮地震和風(fēng)荷載作用最不利方向，考慮偶然偏心和平扭耦聯(lián)計(jì)算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，振型數(shù)取l5，并且在斜交抗側(cè)力方向附加地震力計(jì)算，對(duì)有夾層(模型1)和無(wú)夾層(模型2)兩種情況分別進(jìn)行整體計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～5。以上兩種模型經(jīng)ETABS程序計(jì)算復(fù)核，其結(jié)果與表2～5中計(jì)算結(jié)果基本吻合。
根據(jù)規(guī)范要求對(duì)有夾層的結(jié)構(gòu)(模型1)進(jìn)行彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算，選取Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地土，特征周期為0.45s的兩條實(shí)際波和一條人工模擬的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，輸入分量地震峰值加速度為18cm/s2，結(jié)構(gòu)阻尼比5%。從計(jì)算結(jié)果可看出，模型1結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的主振型以平動(dòng)為主，扭轉(zhuǎn)振型周期與平動(dòng)振型周期的比值為0.60。整體計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范的有關(guān)要求。彈性時(shí)程分析計(jì)算所得的單條波結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%。三條波平均底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。振型分解反應(yīng)譜法彎矩和剪力曲線均大于彈性時(shí)程分析計(jì)算的結(jié)果。
無(wú)夾層的`結(jié)構(gòu)(模型2)結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的主振型以平動(dòng)為主，扭轉(zhuǎn)振型周期與平動(dòng)振型周期的比值為0.54。整體計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)也均滿足規(guī)范的有關(guān)要求。
通過(guò)對(duì)比模型1和模型2計(jì)算，得到以下結(jié)論。
(1)兩者結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期發(fā)生變化，模型1振動(dòng)周期小，模型2振動(dòng)周期大，其中第一平動(dòng)周期相差幅度約11%，但扭轉(zhuǎn)周期差別不大。說(shuō)明在結(jié)構(gòu)平面和豎向體形不變的前提下，僅增加結(jié)構(gòu)計(jì)算層數(shù)和改變層高會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)平動(dòng)周期變小。
(2)地震作用下兩者基底剪力和傾覆力矩發(fā)生變化，模型1基底剪力和傾覆力矩大，模型2基底剪力和傾覆力矩小，其中基底剪力和傾覆力矩相差幅度約12%一14%。說(shuō)明增加結(jié)構(gòu)計(jì)算層數(shù)和改變層高會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)基底剪力和傾覆力矩增大。
(3)地震和風(fēng)載作用下兩者樓層最大層間位移比相差不大，但樓層最大位移值有區(qū)別，模型1樓層最大位移相比模型2小。說(shuō)明增加結(jié)構(gòu)計(jì)算層數(shù)和改變層高會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)樓層最大位移變小。
(4)兩者框架柱及剪力墻內(nèi)力發(fā)生變化，以底層為例，地震力作用下模型1框架柱承擔(dān)的剪力和彎矩明顯大于模型2。框架柱剪力占總剪力的百分比由3 7%增加至6.5%(x向地震).3.9%增加至6.4%(Y向地震)。框架柱彎矩占總彎矩的百分比由33%增加至37%(X向地震)，26%增加至29%(Y向地震)。盡管剪力墻承擔(dān)大部分整體彎矩和剪力，但兩者框架柱和剪力墻端柱承擔(dān)的彎矩和剪力是有差別的，按最不利取值，設(shè)計(jì)應(yīng)以模型1計(jì)算結(jié)果為依據(jù)。
綜上所述，對(duì)此類(lèi)復(fù)式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)應(yīng)將各夾層部位輸入計(jì)算模型中，使其共同參與整體工作，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果和截面設(shè)計(jì)更符合實(shí)際受力情況。不應(yīng)為了簡(jiǎn)便，人為將夾層結(jié)構(gòu)通過(guò)人工輸入荷載的形式直接加載至樓層梁柱上，這樣會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算值偏小，從而使截面配筋不足和局部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施不合理。
4、結(jié)語(yǔ)
隨著高層建筑在我國(guó)的迅速發(fā)展，建筑類(lèi)型與功能愈來(lái)愈復(fù)雜，建筑專(zhuān)業(yè)和業(yè)主給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的要求也更加復(fù)雜，成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)。文中筆者重點(diǎn)分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題及對(duì)策，為相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員提供借鑒。
參考文獻(xiàn)：
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