王堂銳，李紅遠(yuǎn)，張勝利

（廣西工學(xué)院鹿山學(xué)院，廣西柳州545001）

某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)問題探討

王堂銳，李紅遠(yuǎn)，張勝利

（廣西工學(xué)院鹿山學(xué)院，廣西柳州545001）

該文通過對某住宅樓的設(shè)計，選出合理的結(jié)構(gòu)布置及計算參數(shù)，并對設(shè)計參數(shù)和設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行了分析，提出針對幾個設(shè)計參數(shù)的一些調(diào)整措施，使結(jié)構(gòu)滿足安全、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計要求。

結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)設(shè)計；框架結(jié)構(gòu)；剪力墻結(jié)構(gòu)；周期比；位移比；剛度比；剪重比

隨著城市化發(fā)展以及建筑用地的緊張，高層建筑也日益增多。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅應(yīng)保證高層建筑具有足夠的安全性，還應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、合理性。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個問題進(jìn)行探討。

1 工程概況

江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)某高層商住兩用樓建筑總高度為119.2m，為B級高度，建筑共計39層，地下部分為帶人防地下車庫，地上4層作為商業(yè)使用，5層為架空層，6層以上為復(fù)式結(jié)構(gòu)住宅。

2 結(jié)構(gòu)體系的選擇

在高層建筑中，抵抗水平力是設(shè)計的主要矛盾，因此抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的確定和設(shè)計成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑主要包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等幾種常見的結(jié)構(gòu)體系。

在剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻作為承重構(gòu)件不僅承受豎向荷載和風(fēng)產(chǎn)生的水平荷載，還需要具備抵抗地震作用的能力。剪力墻沿橫向和縱向正交布置或斜交布置，它的主要特點是剛度大、用鋼量少、空間整體性好。在高層住宅中，由于房間面積一般不大，而且分隔墻較多，用戶對建筑沒有大空間的要求，可以將剪力墻與分隔墻合二為一，降低了建筑物的造價，節(jié)約成本。同時剪力墻可以隱藏在填充墻中，使房間不露梁柱，使建筑達(dá)到很好的整體美觀效果。因此，剪力墻結(jié)構(gòu)受到開發(fā)商和業(yè)主的廣泛歡迎，使得該結(jié)構(gòu)體系在高層住宅中得以廣泛應(yīng)用。

本工程場地土類別II類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第2組，剪力墻抗震等級為2級。由于本工程在地震作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)比較強(qiáng)烈，所以本工程采用剪力墻結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.1 結(jié)構(gòu)彈性靜力分析

采用PKPM有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性靜力分析。計算時假定樓板為剛性板，采用振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用，考慮兩個方向水平地震作用對偶然偏心影響。

3.2 設(shè)計指標(biāo)的分析

3.2.1 周期比

周期比主要控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。通過計算出的周期比就可以評價結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置是否合理，防止扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的不利影響。

目前，規(guī)范沒有給出周期具體計算方法，只在《荷載規(guī)范》中給出經(jīng)驗公式，可以取T1=（0.05-0.10)n作為高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的周期。

式中：n為建筑層數(shù)。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3—2010（以下簡稱《高規(guī)》）規(guī)定：對于B級高度高層建筑，周期比不應(yīng)大于0.85。

調(diào)整結(jié)構(gòu)周期比的措施主要有：（1）為了加長平動周期可以采取降低平動剛度的方法；（2）提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度是解決結(jié)構(gòu)抗扭剛度不足的根本方法。調(diào)整的基本原則是通過加大結(jié)構(gòu)周邊構(gòu)件剛度，削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度，增加抗震墻等方法，從而達(dá)到增大結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度的目的。結(jié)構(gòu)計算周期見表1。

表1 部分計算周期

周期比為2.7232/2.9896=0.806，滿足規(guī)范中扭轉(zhuǎn)第一周期與平動第一周期之比不應(yīng)大于0.85的要求。同時根據(jù)結(jié)構(gòu)自振周期的經(jīng)驗公式計算，可知整個結(jié)構(gòu)體系剛度適中。

3.2.2 位移比

位移比是控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性的重要指標(biāo)。通過對位移比的控制，可以避免結(jié)構(gòu)形成較大扭轉(zhuǎn)，防止對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。

規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的，為了保證位移比計算數(shù)值的準(zhǔn)確性，需要在結(jié)構(gòu)模型之前，在軟件參數(shù)設(shè)置中選擇對所有樓層采用剛性樓板的假定。

《高規(guī)》規(guī)定：在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移，B級高度建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.4倍。

調(diào)整位移比的措施主要有三種：

（1）通過調(diào)整結(jié)構(gòu)平面布置從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

（2）設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)布置難以調(diào)整時，可以通過考慮雙向地震組合來提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

（3）設(shè)置防震縫。結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心距離較大也會對樓層位移比產(chǎn)生影響。為了使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件在布置時能夠比較均勻，此時可以通過設(shè)置防震縫的方法，把整個結(jié)構(gòu)分割成幾個相互獨(dú)立的部分，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心與剛度中心接近。結(jié)構(gòu)位移比見表2、表3。

表2 X方向地震力作用下的樓層最大位移

表3 Y方向地震力作用下的樓層最大位移

計算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)平面布置合理，整體扭轉(zhuǎn)性能良好。

3.2.3 剛度比

剛度比主要控制結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性，避免相鄰樓層之間或者樓層與該樓層其上三層之間剛度差別過大，使得該樓層形成薄弱層，從而防止地震作用對樓層產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中的危險。

豎向構(gòu)件不連續(xù)、樓板大開洞以及層高變化較大都有可能引起樓層剛度比的劇烈變化。一般情況下，由于剛度比相差較大而產(chǎn)生的薄弱層在設(shè)計過程中應(yīng)予以消除，可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)布置或材料強(qiáng)度等級來消除薄弱層的產(chǎn)生。此外，如果根據(jù)以上調(diào)整方法仍然無法避免，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011—2010規(guī)定：平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑，對于剛度小的樓層應(yīng)乘以不小于1.15的系數(shù)對相應(yīng)的地震剪力予以放大。

3.2.4 剛重比

剛重比不僅可以起到控制結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性的作用，同時可以根據(jù)計算數(shù)值評價建筑物是否需要考慮重力二階效應(yīng)。高層建筑在荷載作用下，由于存在過大的重力二階效應(yīng)就可能會引起居住人員不適、主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)損壞、結(jié)構(gòu)整體的失穩(wěn)倒塌等問題，所以說必須要控制好結(jié)構(gòu)的剛重比，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

《高規(guī)》規(guī)定，在水平力作用下，當(dāng)剛重比滿足規(guī)定時，重力二階效應(yīng)產(chǎn)生的不利影響可以不考慮。同時規(guī)定，高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定應(yīng)符合下列規(guī)定，剪力墻結(jié)構(gòu)的剛重比不應(yīng)小于1.4。

對本結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計算得出：X向剛重比為5.13，Y向剛重比5.86。該結(jié)構(gòu)剛重比大于2.7，根據(jù)規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計算的要求，同時也無需考慮重力二階效應(yīng)。

3.2.5 剪重比

剪重比主要控制各樓層最小地震剪力，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全。在長周期作用情況下，地震影響系數(shù)下降較快，地震地面運(yùn)動速度可能會對結(jié)構(gòu)造成較大的破壞，采用振型分解法時計算結(jié)果不夠準(zhǔn)確，所以規(guī)定最小剪重比。

《高規(guī)》規(guī)定，水平地震作用計算時，結(jié)構(gòu)各樓層對應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的水平地震剪力系數(shù)不應(yīng)小于水平地震剪力系數(shù)（表4）的規(guī)定值。

表4 水平地震剪力系數(shù)

對本結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計算得出：X方向的有效質(zhì)量系數(shù)為97.58%，Y方向的有效質(zhì)量系數(shù)為98.32%。

4 結(jié)束語

高層建筑與多層建筑在受力性能以及變形性能上具有明顯差別，水平荷載和地震作用成為控制高層建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。結(jié)構(gòu)布置的合理性以及結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性成為判斷高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，應(yīng)注重概念設(shè)計，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，對結(jié)構(gòu)的平立面布置盡量規(guī)則，使結(jié)構(gòu)具有良好的抗風(fēng)抗震性能。通過控制好前述的基本指標(biāo)，保證高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性、經(jīng)濟(jì)性和合理性。

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

On the Structure Design and RelevantIssues of AHigh Building

Based on the design of a residentialbuilding,a reasonable structure layout and accumulation parameters are obtained and design parameters and design index are analyzed.Some improvementmeasures fordesign parameters are presented to meetthe design requirements for safety and economy.

structure modelselection;structure design;framed structure;shearwall;period ratio;displacementratio;stiffness ratio;shearwightratio

TU37

A

1671-9107（2013）05-0023-02

基金論文：該論文為廣西工學(xué)院鹿山學(xué)院科學(xué)基金資助項目（項目編號：院科自1112201、1112202）論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.023

2013-03-27

王堂銳（1986-），男，山東濟(jì)寧人，碩士，助教，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

李紅遠(yuǎn)（1981-），男，遼寧阜新人，碩士，講師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

張勝利（1979-），男，山東濟(jì)寧人，碩士，講師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。