從工程例子談論高層建筑結構設計

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1工程概況

工程包括1層地下室、6層裙房，地上共19層，由于本工程所處地理位置優越但場地狹小，為滿足人防、設備、地下停車的要求，設置了1層地下室。其中負l層暫時為六級人防，平時為汽車及自行車停車場；地上6層裙房為商場及辦公，6層以上為住宅。由于裙房部分商場及辦公需要較大的開敞空間，而住宅部分又不希望有較大的柱斷面，因而結構設計采用了底部為大空間的框架一剪力墻，上部為短肢剪力墻的結構體系來滿足建筑功能需要。本工程地下1層層高分別為4．5m。地上裙房分別為4．5m，5．Om及4rex3．5m，結構轉換層1．4m，設備技術層2．2n1，標準層為2．8m。建筑物總高60多m。裙房框架抗震等級為I級，所有剪力墻抗震等級均為Ⅱ級。

2結構設計計算及構造問題分析

關于結構方案的分析比較以及梁、板、柱、墻等主要構件的截面尺寸等，本文不詳述，僅對上部結構設計中的一些主要和難點問題作重點介紹。本工程上部結構關鍵在于處理好裙房與標準層之間不同結構體系轉換后上下剛度的協調。

2．1設計計算及處理

(1)關于計算軟件的選取。在計算高層建筑時，通常選用TBSA5．0，TAT及SATWE。由于本工程涉及到結構體系的轉變，上部為剪力墻，下部為框支，又有轉換大梁，因此選用中國建筑科學院編制的SATWE空間組合結構有限元分析軟件，該軟件采用空間桿模擬梁、柱及支撐等桿件，用在殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻。對于樓板，可以考慮樓板整體平面內無限剛、分塊無限剛、分塊無限剛帶彈性連接板帶和彈性樓板。對于本工程樓面開大洞及平面不太規則的情況，采用SATWE中總剛來計算，較好地模擬了工程的實際情況。另外需要說明的是，對于轉換大梁，嚴格地講它是一個偏拉構件，可所有的軟件由于忽略了梁的軸向變形，都顯示不出拉力值，設計中只能靠構造措施來彌補。相關規范及有關要求用有限元來校核轉換大梁，我們通過使用發現WQ在預算荷載方面還存在一定缺陷，對于復雜的轉換大梁，例如有二級轉換梁傳荷載的情況，現有版本則不能正確反映梁的受力情況，這給使用該軟件帶來一定困難。因為對于高層建筑，恒載作用下人工校核荷載已十分麻煩，更何況需要將地震作用添加到每層上去。我們根據SATWE的計算結果輔以適當控制配筋率能滿足工程需要。同時也希望現有軟件能不斷更新以滿足結構中出現的新問題的需要。

(2)關于計算中參數的合理選取。規范規定對于復雜的高層結構，需要考慮扭轉耦連，但我們通過計算發現，盡管本工程主樓體型不太規則，但對大多數桿件，非耦連起控制作用。大多數要求計算中考慮模擬施工加載，計算發現梁一次加載所需鋼筋在結構的大部分位置均多于模擬施工荷載情況下所需鋼筋，僅在頂部幾層：一些不同。按照相關規范規定，本工程總高超過80m，需做時程分析。但對于地震波的選取卻很困難，不同的地震波，哪怕卓越周期相同，反應卻大不一樣。選取哪條地震波以及如何利用時程分析的結果反算鋼筋都直接關系著工程最后的經濟技術指標。本工程選用不同地震波作用下各層的最大反應力的平均值為地震力反算結構的配筋。

(3)關于轉換層設雙層板后，轉換層層高如何確定。TBSA及TAT都建議轉換層層高取為轉換梁高加下層層高。這樣取值后會讓轉換層剛度大大減小，使本來滿足上下剛度比的結構變得不滿足。我們通過多次試算提出以下建議：由于轉換梁包含上下兩層厚板，我們認為該部分剛度無限大，因而在計算上下剛度比時，轉換層層高取至雙層板質心處(即轉換層層高取為轉換梁半高加下層層高)。這樣處理會讓結構總高度減小以及轉換梁下層柱高度減小，造成風荷載減小及框支柱的彎矩減小。由于結構總高減小有限，風荷載的影響可以忽略。我們將框支柱的彎矩取出，考慮該柱實際凈高，重新調整該框支柱的彎矩。這樣處理使轉換梁上下剛度比更加合理。當然，這一構想還需有結構模型試驗數據進行支持。

(4)結構轉換梁的設計。首先根據以往經驗初步選定轉換粱截面，采用SATWE軟件進行結構整體計算，算出轉換梁所受設計剪力v后，按V一≤O．15h／O．85校核截面尺寸。對轉換梁不僅有強度要求，而且也有剛度要求，其變形對轉換梁以上的剪力墻內力影響很大。我們按轉換梁bxh=500x1700，600x2000，其它條件均相同的條件下分別對結構進行計算，發現在500x1700情況下上層剪力墻超筋，而在600x2000情況下上層剪力墻卻能以構造配筋。后經比較發現，前者剪力墻彎矩遠大于后者，因此對轉換梁的設計，梁的剛度往往起控制作用。

2．2構造措施

地震是一種復雜的偶然運動，為保證結構的安全，除了以計算結果作為設計依據外，運用概念設計非常重要，采取必要的結構構造措施是保證抗震設防的重要手段。

(1)加強轉換層樓板的剛度及延性。本工程將轉換層底板頂板加厚至200mm，采用雙層雙向配筋，配筋率為0．25％，加強了整體性，增加了延性，形成一個類似于箱形結構的轉換層，共同承擔上部傳來的荷載，使上部短肢剪力墻通過轉換層將剪力很好地傳給下面的落地剪力墻。

(2)加強底部框支層的剛度及延性。為保證在罕遇地震作用下落地剪力墻和框支柱不先于轉換層及上部剪力墻進入屈服狀態，防止落地剪力墻和框支柱由于抗剪強度不足而導致結構破壞，落地剪力墻厚度(核心筒)加厚為450ram，墻內分布筋的配筋率>0．4％。另外，在底層適當部位增設剪力墻，保證底部框支層有足夠的剛度，防止沿豎向剛度比過于懸殊。框支柱和剪力墻小墻支的軸壓比控制在0．6以下。框支柱的配筋率控制在1．5％左右，柱箍筋沿全高加密。若條件允許，盡可能將框支柱設計為型鋼混凝土柱。

(3)部分框支柱采有扁長柱，一般為(600～800)mm~(29506000)mm，盡量使上部短肢剪力墻部分或大部分落在框支柱(扁長柱)上，使荷載傳遞直接，受力合理。但需注意扁長柱在縱橫方向應均勻布置。

(4)提高連梁的延性和抗剪強度。加大洞口寬度，增加連梁跨度，考慮連梁剛度的折減；對超筋部分連梁的彎矩設計值做適當調整，按最大配筋率配筋，并適當提高與之相連接的剪力墻配筋，以提高連粱的塑性變形能力。

(5)為加強轉換層的整體協調能力，在轉換層樓面上周邊及內部非門洞口的地方做一些矮墻，墻高伸至窗臺底面。該段剪力墻在計算中未考慮，作為一種安全儲備。

(6)由于上部住宅經常在緊靠軸線的位置布置門洞，造成框支中柱上無墻或少墻的情況。結構工程師應盡量與建筑師協調，此種情況應力求避免，框支中柱對應上部住宅位置應設剪力墻，有利于轉換大梁剪力的傳遞。我們建議在設計帶有轉換層的高層住宅時，住宅部分短肢剪力墻盡量布置在框支柱上，墻肢可以長一些，避免在框支柱間設置剪力墻，這樣可以大幅降低轉換大梁的彎矩，同時也能降低梁高和配筋。若轉換大梁上部跨中設有剪力墻，則轉換梁大都由抗彎來決定斷面；若轉換大梁上部跨中沒有剪力墻，則轉換梁大都由抗剪來決定斷面。如本工程中跨度為6．6m的轉換梁，若跨中設置剪力墻，則梁斷面為600x2000，主筋為103em：，若跨中沒有剪力墻，則梁斷面為500x1500，主筋為65cm。其優勢顯而易見。

3結束語

通過對本工程所結構設計及相關問題的處理，我們體會到：

(1)運用概念設計合理布置結構體系非常重要。在做一個較復雜的高層結構設計時，首先應該運用結構設計的有關經驗來合理布置結構平面，選擇恰當的梁柱剪力墻斷面，使結構的周期、移控制在規范規定的允許范圍內。俗語講“七分概念，三分計算”道理就在于此。

(2)正確選擇計算程序，使工程結構與計算模型基本相符，同時對計算的結果應加以分析、比較，對不太合理的計算結果應適當地加以調整以保證結構設計的安全性、合理性和經濟性。

(3)轉換梁的設計至關重要。轉換梁上下抗側力結構的布置、剛度比的選擇、計算圖示的選取對轉換梁的設計影響很大，有待進一步研究。