成 高 峰

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

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某高層綜合樓結(jié)構(gòu)設(shè)計中的問題及解決方法

成 高 峰

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

以山西行政學(xué)院綜合樓工程為例，介紹了該工程的結(jié)構(gòu)布置方案，通過整體計算，探討了主樓與裙樓的優(yōu)化設(shè)計措施，并針對剪力墻、框架柱和連梁設(shè)計中遇到的問題，提出了具體的解決對策。

教學(xué)樓，裙樓，剪力墻，框架柱，概念設(shè)計

1 工程概況

本工程為山西行政學(xué)院(中共山西省委黨校)綜合樓,建設(shè)地點位于太原市學(xué)府街山西行政學(xué)院校園東北角。本工程地下2層，地上主樓19層(裙樓文體綜合樓地上3層),主樓1層層高5.4 m,2層，3層層高4.8 m,標準層層高3.9 m(13層層高6.1 m)，建筑總高度79.6 m；裙樓1層層高10 m,2層層高4.8 m,3層層高8.8 m。主樓與裙樓之間設(shè)抗震縫。主要設(shè)計參數(shù)：基本風(fēng)壓修正后為0.44 kN/m2,地面粗糙度類別：C類。抗震設(shè)防烈度：8度，設(shè)計基本地震加速度值為0.20g，設(shè)計地震分組為第一組。建筑結(jié)構(gòu)安全等級：二級，建筑抗震設(shè)防類別：丙類，剪力墻抗震等級：一級，框架抗震等級：主樓一級(裙樓二級)。建筑場地類別：Ⅲ類,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級：乙級。

2 結(jié)構(gòu)布置

2.1 基本原則

本工程主樓為綜合教學(xué)樓，各樓層使用功能復(fù)雜。裙樓為文體綜合樓，1層設(shè)有綜合運動館，2層為學(xué)員餐廳廚房，3層設(shè)有300人教室?？紤]到本工程結(jié)構(gòu)空間及結(jié)構(gòu)高度的需要，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求，框架梁與框架柱或框架柱與剪力墻的中線應(yīng)盡量重合；剪力墻宜均勻布置在建筑物的四周、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位，剪力墻間距不宜過大?？拐鹪O(shè)計時，剪力墻的布置宜使結(jié)構(gòu)各主軸方向的側(cè)向剛度相近，所以剪力墻平面布置宜沿兩個主軸方向雙向布置。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點

1)主樓難點。

本工程主樓因使用功能復(fù)雜致使剪力墻布置除樓電梯間及建筑周邊外均未能通高設(shè)置，又因建筑外立面的要求剪力墻在建筑周邊布置也受到限制。同時本工程底部樓層層高較高，剪力墻截面設(shè)計還需滿足穩(wěn)定性要求。再者本工程主樓13層層高為6.1 m，其他相鄰樓層層高3.9 m,可能產(chǎn)生剛度突變形成薄弱層。

2)裙樓難點。

首先因裙樓1層為學(xué)員運動場所，活動區(qū)域框架柱全部拔除，豎向抗力構(gòu)件布置受限且形成一個22.5 m×36.0 m的大空間。其次因裙樓1層層高大于2層層高的1.5倍，裙樓2層也可能產(chǎn)生剛度突變。

2.3 整體計算及優(yōu)化設(shè)計

本工程整體計算的主要控制指標有：

首先，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》表 5.5.1 要求，鋼筋混凝土框架—抗震墻結(jié)構(gòu)彈性層間位移角不大于1/800。

其次，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.4.5要求豎向構(gòu)件最大層間位移與平均層間位移比不應(yīng)大于1.5，不宜大于1.2。以結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比不應(yīng)大于0.9。

再次，根據(jù)《高規(guī)》3.5.2條規(guī)定，對框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，樓層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比值不宜小于0.9；當(dāng)本層層高大于相鄰上層層高的1.5倍時，該比值不宜小于1.1。

最后，根據(jù)《高規(guī)》8.13條規(guī)定，典型框剪結(jié)構(gòu)中底層框架部分承受的地震傾覆力矩應(yīng)大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的10%但不大于50%。

1)主樓初步計算后，從結(jié)構(gòu)平面布置來看剪力墻整體布置較為均勻，結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心基本重合，整體計算指標基本滿足，但主樓13層產(chǎn)生剛度突變，13層與14層剛度比值遠小于1.1，同時最大層間位移與平均層間位移比為1.35，扭轉(zhuǎn)位移比較大。

第一次優(yōu)化設(shè)計。

調(diào)整措施：a.增加結(jié)構(gòu)兩端剪力墻布置從而加強結(jié)構(gòu)兩端剛度。b.根據(jù)提高13層剛度減小14層剛度的原則，加大13層以下框架柱及剪力墻截面，減小14層以上框架柱及剪力墻截面。經(jīng)計算后結(jié)構(gòu)13層與14層剛度比值為0.98,最大層間位移與平均層間位移比降為1.31。

第二次優(yōu)化設(shè)計。

因結(jié)構(gòu)樓電梯間剪力墻布置較多，剛度較大，減小剪力墻截面后剛度變化有限，又因結(jié)構(gòu)彈性層間位移角較為充裕，可刪減部分樓電梯間剪力墻。經(jīng)計算后結(jié)構(gòu)13層與14層剛度比值為1.18,最大層間位移與平均層間位移比降為1.27。

第三次優(yōu)化設(shè)計。

綜合考慮前兩次優(yōu)化設(shè)計，細化結(jié)構(gòu)模型，通過調(diào)整連梁高度等措施，經(jīng)計算后結(jié)構(gòu)主要計算指標如下：地震作用下X方向最大層間位移角1/935,Y方向最大層間位移角1/896?？紤]偶然偏心在地震作用規(guī)定水平力下，最大位移與層間平均位移的比值均在1.2～1.3之間，進而本工程需考慮雙向地震作用。X向和Y向底層框架承擔(dān)抗傾覆力矩均在10%～50%之間，按典型的框剪結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，無需調(diào)整結(jié)構(gòu)抗震等級。計算振型數(shù)為24個，計算結(jié)果顯示抗震計算時的振型參與質(zhì)量與總質(zhì)量之比為：X向為97.50%，Y向為95.50%。13層與14層剛度比值為1.25，滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計算本工程結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

2)裙樓設(shè)計，裙樓大空間的樓蓋形式初步考慮方案有以下四種形式：井字梁樓蓋、單向密肋梁、鋼桁架、鋼網(wǎng)架。因裙樓2層為廚房，恒活荷載都較大，初步計算后井字梁和單向密肋梁兩種樓蓋形式截面高度都較大，并且樓蓋撓度也較大從而影響建筑層高，但樓蓋剛度較大有利于整體位移計算；鋼桁架和鋼網(wǎng)架兩種樓蓋形式截面高度相對較小，但樓蓋剛度也較小不利于整體位移計算,同時鋼結(jié)構(gòu)樓蓋使用的耐久性和舒適性較差。綜合分析上述樓蓋的優(yōu)缺點最終選用單向密肋梁樓蓋，但為了解決單向密肋梁截面較高撓度較大而影響建筑層高的缺點，對單向密肋梁施加預(yù)應(yīng)力。裙樓單向密肋梁樓蓋采用后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)處理后，梁截面高度和梁撓度顯著減小從而能滿足建筑層高的要求。其次因裙樓1層層高遠大于2層層高的1.5倍，裙樓2層也產(chǎn)生剛度突變，為了滿足側(cè)向剛度比，1層剛度不小于2層剛度的1.1倍，裙樓部分剪力墻布置不貫通3層只到1層頂標高。經(jīng)反復(fù)計算，裙樓結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

2.4 剪力墻、框架柱和連梁設(shè)計中的問題及解決方法

本工程剪力墻為了滿足剪力墻穩(wěn)定性及薄弱層剛度比的要求，厚度為300或350的剪力墻較多，剪力墻墻肢較大，剛度也較大，相應(yīng)的所分配的地震力也越大，盡管考慮剪力墻上開洞來減輕墻肢的剛度集中問題，但剪力墻仍有超筋現(xiàn)象。分析超配筋信息，對剪壓比及軸壓比超限問題通過提高混凝土標號和調(diào)整剪力墻布置來進行調(diào)整，對施工縫驗算超限問題應(yīng)通過在施工縫處附加豎向配筋來解決。

因主樓第13層層高較高，盡管計算模型中13層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比值已大于1.1，但本層梁柱節(jié)點核心區(qū)剪力仍較大，框架梁柱節(jié)點域抗剪超限。解決方法為:1)在梁柱節(jié)點處框架柱內(nèi)增設(shè)型鋼提高框架柱抗剪能力。2)在梁柱交接處增設(shè)梁水平加腋加大梁柱節(jié)點截面。

剪力墻連梁在設(shè)計中考慮使其首先出現(xiàn)塑性鉸，并進行內(nèi)力重分布，實際結(jié)構(gòu)模型計算中，對連梁剛度予以折減，使其內(nèi)力轉(zhuǎn)移到墻肢上，連梁出現(xiàn)抗剪不夠超筋的情況較多。為了減少連梁超筋問題，本工程連梁設(shè)計時采用盡量減小連梁截面及設(shè)置雙層連梁來減少超筋現(xiàn)象。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計

根據(jù)地質(zhì)資料場地中第2，3層土具有中等液化特性，結(jié)合其他土層的物理力學(xué)指標和特性，綜合考慮基礎(chǔ)形式采用鋼筋混凝土灌注樁+承臺+防水板基礎(chǔ)。本工程基礎(chǔ)設(shè)計需要注意以下兩點：

1)因地下水位較高，防水板需進行抗浮力計算，進而驗算得出裙樓部分柱下鋼筋混凝土灌注樁為抗拔樁。

2)灌注樁承載力計算須注意液化折減。

3)灌注樁進行正截面受壓承載力計算時，應(yīng)考慮在樁身穿越液化土層時的壓曲影響。

4 本工程的設(shè)計心得

框剪結(jié)構(gòu)作為一種融合框架與剪力墻兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)點的結(jié)構(gòu)形式，有效規(guī)避了兩者的缺點，為大空間的高層建筑提供了一種可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，從而在實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在高層框剪結(jié)構(gòu)中，剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件，剪力墻的多少將直接關(guān)系到建筑的經(jīng)濟性與可靠性。在設(shè)計過程中，框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的布置，除了必須滿足承載力要求外，還必須使結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)膫?cè)向剛度，避免在地震作用下產(chǎn)生過大的位移變形。剪力墻布置過少，會因結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形而無法滿足使用要求；剪力墻布置過多，既增加材料的用量和結(jié)構(gòu)自重，又減少了結(jié)構(gòu)自振周期，地震作用效應(yīng)增大。所以剪力墻的布置是建筑物是否安全和經(jīng)濟的最為關(guān)鍵因素。結(jié)合本工程框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計須注意以下幾點：

1)注重概念設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計須按“強柱弱梁，強剪弱彎，強壓弱拉”的設(shè)計原則設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計前重點分析工程的難點和容易忽略的地方。

2)結(jié)構(gòu)具體設(shè)計時設(shè)置多道安全防線，增加結(jié)構(gòu)整體和內(nèi)部的冗余度，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失承載能力。

3)應(yīng)避免結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)薄弱層而使結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)破壞，對結(jié)構(gòu)剛度突變產(chǎn)生的薄弱位置采取合理的加強措施。

4)正確掌握計算機力學(xué)模型分析方法和截面設(shè)計。

5)充分利用構(gòu)造措施，增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全保障。

5 結(jié)語

筆者通過某高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實例，對實際設(shè)計中遇到的問題及解決方法進行概述。本著提升設(shè)計質(zhì)量的愿望，提出以上粗淺的看法，供業(yè)內(nèi)研究交流。

[1] JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

Design problems and solving methods of the comprehensive high-rise building structure

Cheng Gaofeng

(ShanxiAcademyofBuildingDesign，Taiyuan030013,China)

Taking the comprehensive building engineering of Shanxi School of Administration as an example, the paper introduces the engineering structure distribution scheme, and explores major building and podium building optimizing design measures through integral computation, and finally puts forward specific solving countermeasures in light of design problems occurring in shear wall, frame column and continuous beam.

teaching building, podium building, shear wall, frame column, conceptual design

1009-6825(2016)18-0044-02

2016-04-16

成高峰(1981- )，男，工程師

TU973

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