民用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、<p>　　民用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：近十余年來(lái)我國(guó)的高層建筑建設(shè)可謂突飛猛進(jìn),其建設(shè)速度和建造數(shù)量在世界建筑史上都是少有的。但是,從設(shè)計(jì)質(zhì)量方面來(lái)看卻不容樂(lè)觀,多數(shù)設(shè)計(jì)追趕流行時(shí)尚。因此在實(shí)際中應(yīng)考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)因素。文中探討了民用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以供參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：民用 高層建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　中

2、圖分類(lèi)號(hào)：TU208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p><b>　　前言 </b></p><p>　　結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)以力學(xué)概念和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)整體和局部?jī)蓚€(gè)方面對(duì)計(jì)算結(jié)果的合理性正確判斷計(jì)算結(jié)果，確認(rèn)其可靠后，方可用于工程設(shè)計(jì)。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，它要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員既要有扎實(shí)的理論功底，又要有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑物才能達(dá)到

3、既安全、可靠，又經(jīng)濟(jì)、合理。 </p><p>　　一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) </p><p><b>　　1、結(jié)構(gòu)選型 </b></p><p>　　對(duì)于高層建筑結(jié)構(gòu)而言, 在工程設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)選型階段,應(yīng)注意以下幾點(diǎn): </p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)的規(guī)則性問(wèn)題。新舊規(guī)范在這方面的內(nèi)容出現(xiàn)了較大的變動(dòng), 新規(guī)范在這方面

4、增添了相當(dāng)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(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案?！?因此, 結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意, 以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動(dòng)。 </p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)的超高問(wèn)題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中, 對(duì)結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制, 尤其是新規(guī)范中針對(duì)以前的超高問(wèn)題, 除了將原來(lái)的限制高度設(shè)定為A

5、級(jí)高度的建筑外,增加了B級(jí)高度的建筑, 因此, 必須對(duì)結(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意, 一旦結(jié)構(gòu)為B級(jí)高度建筑或超過(guò)了B 級(jí)高度,其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中, 出現(xiàn)過(guò)由于結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變更而忽略該問(wèn)題, 導(dǎo)致施工圖審查時(shí)未予通過(guò), 必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開(kāi)專(zhuān)家會(huì)議進(jìn)行論證等工作的情況, 對(duì)工程工期、造價(jià)等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。 </p><p>　?。?）嵌固端的設(shè)置問(wèn)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(shè)置在地下室頂板, 也有可能設(shè)置在人防頂板等位置, 因此, 在這個(gè)問(wèn)題上, 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來(lái)的一系列需要注意的方面, 如: 嵌固端樓板的設(shè)計(jì)、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級(jí)的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問(wèn)題, 而忽略其中任何一個(gè)方面都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)工作的大量修改或埋下安全隱患。 </p>

7、<p>　?。?）短肢剪力墻的設(shè)置問(wèn)題。在新規(guī)范中, 對(duì)墻肢截面高厚比為5~ 8的墻定義為短肢剪力墻, 且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn), 對(duì)短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制, 因此, 在高層建筑設(shè)計(jì)中, 結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)盡可能少采用或不用短肢剪力墻, 以避免給后期設(shè)計(jì)工作增加不必要的麻煩。 </p><p>　　2、地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì) </p><p>　　地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一直是

8、結(jié)構(gòu)工程師比較重視的方面,不僅僅由于該階段設(shè)計(jì)過(guò)程的好與壞將直接影響后期設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行, 同時(shí), 也是因?yàn)榈鼗A(chǔ)也是整個(gè)工程造價(jià)的決定性因素, 因此, 在這一階段, 所出現(xiàn)的問(wèn)題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無(wú)法估量的損失。 </p><p>　　在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要注意地方性規(guī)范的重要性問(wèn)題。由于我國(guó)占地面積較廣, 地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜, 因此, 作為建立在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之下的地方標(biāo)準(zhǔn)。地方性的“地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范”能夠?qū)⒏鞯胤?/p>

9、的地基基礎(chǔ)類(lèi)型和設(shè)計(jì)處理方法等一些成熟的經(jīng)驗(yàn)描述和規(guī)定得更為詳細(xì)和準(zhǔn)確, 所以, 在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí), 一定要對(duì)地方規(guī)范進(jìn)行深入地學(xué)習(xí), 以避免對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或后期設(shè)計(jì)工作造成較大的影響。 </p><p>　　3、結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析 </p><p>　　在結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析階段, 如何準(zhǔn)確, 高效地對(duì)工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理, 是決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由于新規(guī)范的推

10、出對(duì)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和分析部分相當(dāng)多的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn), 因此, 對(duì)這一階段比較常見(jiàn)的問(wèn)題應(yīng)該有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。 </p><p>　　(1)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇。目前比較通用的計(jì)算軟件有: SATWE、TAT、TBSA等, 但是, 由于各軟件在采用的計(jì)算模型上存在著一定的差異, 因此導(dǎo)致了各軟件的計(jì)算結(jié)果有或大或小的不同。所以, 在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時(shí)必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算

11、軟件, 并從不同軟件相差較大的計(jì)算結(jié)果中,判斷哪個(gè)是合理的、哪個(gè)是可以作為參考的, 哪個(gè)又是意義不大的, 這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)工作中首要的工作。否則, 如果選擇了不合適的計(jì)算軟件, 不但會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力, 而且有可能使結(jié)構(gòu)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(duì)自振周期的影響。該部分內(nèi)容實(shí)際上在新老規(guī)范中都有提及, 只是,在新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實(shí)測(cè)周期明確

12、提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)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(gè)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(shè)計(jì)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(jì)算分析階段必須對(duì)計(jì)算結(jié)果中該參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行判斷, 并決定是否要調(diào)整振型數(shù)目的取值。 </p><p>

13、　　共振問(wèn)題。隨著大底盤(pán), 多塔樓的高層建筑類(lèi)型大量涌現(xiàn), 在計(jì)算分析此類(lèi)高層建筑時(shí), 是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體并按多塔類(lèi)型進(jìn)行計(jì)算, 還是將結(jié)構(gòu)人為地分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算, 是結(jié)構(gòu)工程師必須注意的問(wèn)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(duì)某一座塔樓的地震力計(jì)算誤差仍然有可能較大, 從而使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不安全的隱患。此外，當(dāng)建筑場(chǎng)地發(fā)生地震時(shí), 如果建筑物的自振周期和場(chǎng)地的特征周期接近, 建筑物和場(chǎng)地就會(huì)發(fā)生共振。因此

14、在建筑方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)針對(duì)預(yù)估的建筑場(chǎng)地特征周期, 通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的層數(shù),選擇合適的結(jié)構(gòu)類(lèi)別和結(jié)構(gòu)體系, 擴(kuò)大建筑物的自振周期與建筑場(chǎng)地特征周期的差別, 避免共振的發(fā)生。 </p><p>　　非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算與設(shè)計(jì)。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?xún)?nèi)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對(duì)這部分內(nèi)容, 尤其是高層建筑屋頂處的裝飾構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 由于高層建筑的地震作用和風(fēng)荷載均較大, 因此, 必須嚴(yán)

15、格按照新規(guī)范中增加的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計(jì)算處理措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。 </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(wàn)m2。由五幢高層住宅樓組成,地下部分2 層,底層架空、無(wú)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(jié)構(gòu)平面體型較不規(guī)則,建筑結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬比3.7～6.9,高寬

16、比5.4～10.3。本工程為丙類(lèi)建筑, 工程的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí),采用大直徑鉆孔灌注樁、樁筏基礎(chǔ)。 </p><p>　　工程位于較高抗震設(shè)防烈度區(qū),同時(shí)又是高風(fēng)壓地區(qū),抗震設(shè)防烈度為六度(0.15g),Ⅱ 類(lèi)場(chǎng)地,建筑基本風(fēng)壓值為0.70kN/m2。 </p><p>　　2、結(jié)構(gòu)體系的確定 </p><p>　　根據(jù)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(duì)底層柱及剪力墻的布置位置有嚴(yán)格的要求,上部住宅部分要求室內(nèi)方正實(shí)用。為了滿足上述的要求,本工程采用框支剪力墻結(jié)構(gòu),在二層樓面設(shè)置轉(zhuǎn)換層。因上部墻體多數(shù)無(wú)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。利用箱體增加轉(zhuǎn)換層的整體剛度,同時(shí)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(cè)力構(gòu)件, 以合理控制結(jié)構(gòu)的總體剛度,使之既滿足抗震要求又滿足抗風(fēng)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(shè)置70-90cm 厚的L 型剪力墻, 避免出現(xiàn)獨(dú)立框支角柱,同時(shí)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(jié)構(gòu)體系復(fù)雜并采用箱形轉(zhuǎn)換,存在高寬比及長(zhǎng)寬比超限等問(wèn)題,進(jìn)行了超限高層建筑工程抗震設(shè)防專(zhuān)項(xiàng)審查。 </p><p><b>　　3、計(jì)算分析 </b></p><p>　?。?

19、）計(jì)算程序的選用 </p><p>　　本工程屬于結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜的高層建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用兩種軟件分析計(jì)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(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的軟件之一。同時(shí)另采用體單元模型的ANSYS 有限元分析軟件進(jìn)行復(fù)核。 </p><p>　　（2）程序使用的注意事項(xiàng) </p><p>　　a在平面輸入時(shí)應(yīng)正確指定轉(zhuǎn)換構(gòu)件,確保程

20、序計(jì)算時(shí)能按相關(guān)規(guī)范規(guī)定,對(duì)轉(zhuǎn)換構(gòu)件在水平地震作用下的計(jì)算內(nèi)力進(jìn)行放大,對(duì)框支柱的水平地震剪力進(jìn)行調(diào)整等。 </p><p>　　b對(duì)于一字型墻肢出現(xiàn)與其平面外方向的樓面梁連接時(shí),為抵抗梁端彎矩對(duì)墻的不利影響, 在程序計(jì)算中將梁與墻相交處作鉸接處理,減少梁對(duì)墻產(chǎn)生的平面外彎矩。此時(shí),在墻與梁相交處設(shè)置暗柱,并按計(jì)算確定其配筋。 </p><p>　　c剪力墻之間的連結(jié)梁應(yīng)根據(jù)具體情況 &l

21、t;/p><p>　　指定為連梁或框架梁。對(duì)一端或兩端與剪力墻相交的梁會(huì)在程序中默認(rèn)為連梁,計(jì)算中程序會(huì)對(duì)其剛度進(jìn)行折減后再計(jì)算其內(nèi)力;而對(duì)跨高比較大(>5)的連梁,其受力模式接近框架梁,此時(shí)應(yīng)將該類(lèi)梁人工定義為框架梁,以求內(nèi)力分析的準(zhǔn)確。 </p><p>　　4、結(jié)構(gòu)分析的主要結(jié)果 </p><p>　　本工程以最不利的一幢(即北樓三)的計(jì)算結(jié)果。 </

22、p><p>　　（1）ANSYS 程序計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1； </p><p>　　表1ANSYS 計(jì)算結(jié)果 </p><p>　?。?）表2 為SATWE 程序計(jì)算結(jié)果，在計(jì)算中,控制以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與乎動(dòng)為主的第一自振周期之比＜0.85；結(jié)構(gòu)最大層間位移與平均層間位移之比＜1.2。表2 SATWE 計(jì)算結(jié)果： </p><p>　?。?）.

23、本工程采用由中國(guó)建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所提供的地震波進(jìn)行計(jì)算分析,地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值55gaL。彈性時(shí)程分析法的計(jì)算結(jié)果與振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果基本一致;彈性時(shí)程分析時(shí),每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均不小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%, 多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%。 </p><p>　　4、框支層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p>

24、<p><b>　?。?）框支柱設(shè)計(jì) </b></p><p>　　本工程框支柱抗震等級(jí)為二級(jí), 軸壓比限值為0.7?？蛑е饕孛嫒?300X1300～1300X2300,計(jì)算結(jié)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(zhuǎn)換層下框支柱的變形一致性較好。框支柱的剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)按柱實(shí)配縱筋計(jì)算并乘以放大系數(shù)1.1,剪壓比控制在0.15 以?xún)?nèi)。柱內(nèi)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(fù)合箍, 體積配箍率均不＜1.5%,使柱具有-定的延性,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎?？蛑е谏厦鎵w范圍內(nèi)的縱向鋼筋伸人上部墻體內(nèi)一層,其余柱筋錨入梁或板內(nèi)。 </p><p><b>　?。?）剪力墻設(shè)計(jì) </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(shè)計(jì)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(jì)算要求外, 同時(shí)也滿足0.3%的最小配筋率的限值。底部加強(qiáng)區(qū)的剪力墻中按規(guī)范要求設(shè)置約束邊緣構(gòu)件,約束邊緣構(gòu)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(shí),對(duì)長(zhǎng)厚比＜5 的短墻在計(jì)算中按柱輸入計(jì)算進(jìn)行比較,其結(jié)果顯示,短墻按墻和按柱計(jì)算的結(jié)果大致一致。 </p>

27、<p>　?。?）框支梁的設(shè)計(jì) </p><p>　　本工程框支梁抗震等級(jí)為二級(jí)。對(duì)于兩端擱置于框支主梁上的框支次梁,其受力類(lèi)似簡(jiǎn)支梁,跨中底筋較大,支座面筋基本按構(gòu)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(shè)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(jì)算外,還不小于0.5%,上部主筋沿

28、梁全長(zhǎng)貫通,下部主筋全部直通到柱或墻內(nèi),沿梁腹部設(shè)置不小于Φ16@150 的腰筋,于梁中部設(shè)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(zhǎng)加密。 </p><p>　　對(duì)其他框支梁,因其受力較大,在靠近柱支座處的應(yīng)力集中尤為突出,部分梁的計(jì)算結(jié)果表明,梁端抗剪不足,經(jīng)過(guò)核查該梁各截面剪力設(shè)計(jì)值,發(fā)現(xiàn)框支柱截面內(nèi)有大部分剪力不足的截面,對(duì)此情況的梁截面尺寸不做調(diào)整,而對(duì)于確實(shí)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(wèn)題。 </p><p>　　4、箱形轉(zhuǎn)換層樓板的設(shè)計(jì) </p><p>　　箱形轉(zhuǎn)換層的箱體高度為230cm, 箱體的上下層板厚均為20cm。對(duì)箱體的上下層板應(yīng)采用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行內(nèi)力分析。分析結(jié)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(yīng)力為1.2MPa, 箱體下層板均為受拉, 平均最大拉應(yīng)力為2.0MPa。在設(shè)計(jì)中,將樓板裂縫控

30、制在0.2mm 以?xún)?nèi), 實(shí)配雙層雙向Φ16@150 的通長(zhǎng)鋼筋。 </p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)從結(jié)構(gòu)的安全、使用功能、建筑美觀等方面進(jìn)行全盤(pán)考慮,運(yùn)用掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)處理實(shí)際遇到的各種問(wèn)題,才能設(shè)計(jì)出安全合理的高層建筑結(jié)構(gòu)。 </p><p><b>　　參考文

31、獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 趙天賦,李虹.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 今日科苑. 2009(12) </p><p>　　[2] 趙明華,趙小慧.如何對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析之探析[J]. 民營(yíng)科技. 2010(05) </p><p>　　[3] 沈芳.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 科技資訊. 2007(21) <