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論高層建筑的結(jié)構(gòu)分析與設計
摘要：目前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設計已經(jīng)成為了高層建筑設計的重點內(nèi)容，文中筆者結(jié)合具體工程設計實例，對高層建筑結(jié)構(gòu)設計展開了研究與分析，并通過大量的計算與分析對高層建筑結(jié)構(gòu)設計提出一些建議和意見。
關鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)體系;分析計算
1、工程概況
某工程建筑平面尺寸為長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層為設備層，4層以上為標準辦公公寓。1層高7.17m，2層高4.98m，3層高2.19m，4層以上標準層高4.98m。地下室為立體停車庫及設備用房，按核六級兼平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換人防設計。
2、基礎設計
建筑場地地形平坦、穩(wěn)定，無液化土存在，自然場地下50m左右有承載特性較好的卵石層(層6)。基礎形式采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁徑采用010oo，0900，0800三種類型，有效樁長45m，為提高樁端承載力及減小樁基變形，對樁端進行壓力注漿，根據(jù)靜載試驗結(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)設置鉆孔灌注抗拔樁，框架柱下設置獨立多樁承臺，核心筒下設置群樁筏板式承臺，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航浮設防水位較高，為室外地坪標高，地下室抗浮穩(wěn)定性應滿足下式要求。
W ≥1.05F(1)式中：w 為地下室自重及上部結(jié)構(gòu)作用的永久荷載標準值的總和;F為地下水浮力。
由于抗浮設防水位較高，若采用增加結(jié)構(gòu)配重的方式進行抗浮設計無法滿足式(1)要求。工程采取設置抗拔樁進行抗浮設計，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)設計及計算
3. 1結(jié)構(gòu)主體設計建筑結(jié)構(gòu)設計使用年限為5O年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設防分類為丙類，場地抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，建筑場地為Ⅲ類�；撅L壓0.5kN/m (j安100年重現(xiàn)期)，地面粗糙度為B類。
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均為三級。樓面采用主次梁結(jié)構(gòu)布置。標準層結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。
結(jié)構(gòu)設計的主要特點在于建筑的平面、豎向體形和復式結(jié)構(gòu)。建筑地上部分平面形狀依據(jù)場地形狀設計，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，而3層以上每層樓板開洞面積為樓面面積的10%，且奇偶層由于空中花園的隔層設置造成樓板開洞面積、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層及以上各標準層均待主體驗收后結(jié)合裝修設置夾層，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，而使用階段實際結(jié)構(gòu)層數(shù)為27層，由于使用階段標準層高僅為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。
通過整體結(jié)構(gòu)計算顯示，在地震力作用下，建筑物位移值較大的點出現(xiàn)在建筑高度的中上部，平面上的邊角點。因此設計中在平面南北端部附近，利用電梯問設置剪力墻，并且盡量使剪力墻形成封閉簡體，使結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度得到加強，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)整計算時發(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)計算，增設外部剪力墻后，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)件計算配筋均在合理范圍內(nèi)。通過以上定量分析可得，適當增加樓層局部抗側(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。在施工圖設計中，特別加強12層及相鄰層角部梁柱的截面和配筋，其抗震等級提高一級，并加強構(gòu)件抗震構(gòu)造措施，以提高其延性。
施工圖設計中主要豎向構(gòu)件截面變化如表1所示，框架柱及剪力墻的混凝土強度等級：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)計算主體結(jié)構(gòu)采用多高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設計軟件SATWE (墻元模型)進行分析計算，并用ETABS進行計算校核，計算中考慮地震和風荷載作用最不利方向，考慮偶然偏心和平扭耦聯(lián)計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，振型數(shù)取l5，并且在斜交抗側(cè)力方向附加地震力計算，對有夾層(模型1)和無夾層(模型2)兩種情況分別進行整體計算，計算結(jié)果見表2～5。以上兩種模型經(jīng)ETABS程序計算復核，其結(jié)果與表2～5中計算結(jié)果基本吻合。
根據(jù)規(guī)范要求對有夾層的結(jié)構(gòu)(模型1)進行彈性時程分析補充計算，選�、箢悎龅赝�，特征周期為0.45s的兩條實際波和一條人工模擬的加速度時程曲線進行動力時程分析，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)的主振型以平動為主，扭轉(zhuǎn)振型周期與平動振型周期的比值為0.60。整體計算的各項指標均滿足規(guī)范的有關要求。彈性時程分析計算所得的單條波結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結(jié)果的65%。三條波平均底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結(jié)果的80%。振型分解反應譜法彎矩和剪力曲線均大于彈性時程分析計算的結(jié)果。
無夾層的結(jié)構(gòu)(模型2)結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的主振型以平動為主，扭轉(zhuǎn)振型周期與平動振型周期的比值為0.54。整體計算的各項指標也均滿足規(guī)范的有關要求。
通過對比模型1和模型2計算，得到以下結(jié)論。
(1)兩者結(jié)構(gòu)振動周期發(fā)生變化，模型1振動周期小，模型2振動周期大，其中第一平動周期相差幅度約11%，但扭轉(zhuǎn)周期差別不大。說明在結(jié)構(gòu)平面和豎向體形不變的前提下，僅增加結(jié)構(gòu)計算層數(shù)和改變層高會導致整體結(jié)構(gòu)平動周期變小。
(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%。說明增加結(jié)構(gòu)計算層數(shù)和改變層高會導致整體結(jié)構(gòu)基底剪力和傾覆力矩增大。
(3)地震和風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。說明增加結(jié)構(gòu)計算層數(shù)和改變層高會導致整體結(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框架柱承擔的剪力和彎矩明顯大于模型2�？蚣苤袅φ伎偧袅Φ陌俜直扔�3 7%增加至6.5%(x向地震).3.9%增加至6.4%(Y向地震)�？蚣苤鶑澗卣伎倧澗氐陌俜直扔�33%增加至37%(X向地震)，26%增加至29%(Y向地震)。盡管剪力墻承擔大部分整體彎矩和剪力，但兩者框架柱和剪力墻端柱承擔的彎矩和剪力是有差別的，按最不利取值，設計應以模型1計算結(jié)果為依據(jù)。
綜上所述，對此類復式結(jié)構(gòu)，設計應將各夾層部位輸入計算模型中，使其共同參與整體工作，相應的計算結(jié)果和截面設計更符合實際受力情況。不應為了簡便，人為將夾層結(jié)構(gòu)通過人工輸入荷載的形式直接加載至樓層梁柱上，這樣會導致構(gòu)件內(nèi)力計算值偏小，從而使截面配筋不足和局部節(jié)點構(gòu)造措施不合理。
4、結(jié)語
隨著高層建筑在我國的迅速發(fā)展，建筑類型與功能愈來愈復雜，建筑專業(yè)和業(yè)主給結(jié)構(gòu)設計提出的要求也更加復雜，成為結(jié)構(gòu)工程師設計工作的主要重點和難點。文中筆者重點分析了高層建筑結(jié)構(gòu)設計問題及對策，為相關專業(yè)人員提供借鑒。
參考文獻：
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