淺析結構設計在高層建筑中的應用

陶劍

摘 要：國家的經濟不斷的發展高層建筑也不斷的增多，在高層建筑中結構設計尤為重要，確保建筑的安全，本文結合筆者多年的工作經驗對高層商住樓設計方面的一些探討。

關鍵詞：高層建筑； 結構分析； 結構抗扭； 構造處理

1. 結構分析

1.1 結構選型

本工程為商住樓，各部分功能用房分別為地下車庫、商業用房、住宅。為滿足建筑的使用功能需求，選用框支- 剪力墻結構體系，轉換層設置在3 層架空層（即裙房屋面）。該工程為帶轉換層的復雜高層結構，采用框支梁轉換上部住宅的剪力墻。

1.2 抗震設計方面的問題

本工程的大底盤多塔的各塔樓質量和剛度分布不均勻，且在平面布置上又不對稱于大底盤，在地震作用下結構扭轉振動反應較大。大底盤頂層樓蓋起著協同各塔樓共同工作的作用，而轉換層設置于該層，故此處也為結構上下剛度突變處。理論分析和試驗結果均表明，在地震作用下，裙房頂及上一層是最先破壞且破壞最嚴重的位置。為保證結構的抗震性能要求，結構整體力學分析與抗震性能分析應選擇合理的計算模型，以找出可能出現的薄弱部位，并在設計中采取構造加強措施提高其抗震能力。

1.3 結構整體計算

結構整體動力分析，采用中國建科院開發的SATWE 和TAT 兩種不同力學模型程序，TAT 主要作為校核程序。本工程為非對稱的多塔結構，由于存在雙向偏心，在自由振動條件下結構存在平扭耦連振動。因此，結構計算時，除考慮雙向地震作用外，還需要考慮平扭耦連計算結構的扭轉效應。本設計采用的計算振型數為45，計算得到X、Y 方向的振型參與質量系數分別為95.3%、97.1%。通過對結構整體空間振動簡圖與振型圖分析可知，結構整體扭轉不明顯，未出現整體結構扭轉振型特征。由于本工程為框支- 剪力墻復雜結構且具有一定的高度，故結構豎向荷載加載方式按模擬施工和一次性加載兩者加載模式分別計算。實際結構豎向荷載加載方式與計算模型中單純的模擬施工和一次性加載均有所不同，故實際配筋取用模擬施工時的計算結果，并參考一次加載計算結果適當予以放大。

1.4 單塔計算

假定裙房與主樓樓板連接薄弱部位發生破壞，裙房與主樓都可以成為獨立的抗震單元，在每個單元內部都有足夠數量的鋼筋混凝土抗震墻，能形成明確的、獨立的結構抗側力體系，保證結構整體安全。三個塔樓單元須各自另建計算模型，作為整體模型計算結果的補充校核，滿足“大震不倒”的設計原則。加強轉換層下部的結構剛度， 本工程1 ～ 3 棟的轉換層上、下結構的等效側向剛度比分別為0.95、0.97、0.93。

1.5 角柱補充計算

由于角部框支柱受力特別復雜，角部扭轉效應明顯，因此角柱須按抗震設防烈度提高一度為七度、抗震等級提高為一級進行專門計算一次，提高其抗震能力，確保結構安全，但須注意該結果僅限用于角柱的配筋。

2. 結構抗扭設計

2.1 限制結構的扭轉效應

結構的扭轉效應應從兩個方面加以限制：1）限制結構平面布置的不規則性，避

免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應；2）限制結構的抗扭剛度不能太弱。關鍵是限制結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期 T1 之比。當兩者接近時，由于振動耦連的影響，結構的扭轉效應明顯。抗震設計中必須采取措施減小Tt/T1 的比值，使結構具有必要的抗扭剛度。由材料力學知識可知，抗扭構件離質心越遠，其抗扭剛度越大。針對本工程平面布置情況，在設計中采取了如下措施，以增加其抗扭剛度：

1）剪力墻根據建筑交通核心筒及隔墻的分布情況，按照“均勻、分散、對稱、周邊”的要求布置，以使結構整體有較好的抗側移能力和抗扭轉能力。盡量加大周邊剪力墻的剛度，將上部標準層的角部剪力墻墻肢加長，盡量形成L、Z、T 等形狀，內部剪力墻厚度取用200mm， 而將離質心較遠處的周邊剪力墻厚度增加到240mm， 使質心與剛心的偏心率得到改善。

2）加強建筑物周邊結構梁，將凸窗處結構梁加高至窗臺面；在各樓層的凸凹不規則處設拉梁，每隔四層在凹口處局部用混凝土拉板連接，增加結構的整體性，以利于傳遞水平地震作用。

3）剪力墻的門窗洞口上下對齊，形成明確的墻肢和連梁。

4）結構平面突出部位的結構梁予以適當加高，以便于增加結構的整體性。綜合應用上述措施，通過多次“建立模型- 試算- 調整模型”的過程，使質心和剛

心盡量重合，有效收斂結構的扭轉效應。

2.2 框支梁的平面外抗扭梁設計技術

一般情況下，設計假定剪力墻平面外抗彎剛度為零或很小，框支梁與上部墻體截面中心線宜重合；此時計算模型與結構實際受力狀態基本一致，計算結果正確可靠。若框支梁與上部墻體截面中心線不重合，例如建筑物周邊的剪力墻偏軸布置在框支梁上，將使框支梁受扭。在框支梁的設計中，框支梁的截面尺寸通常由端部抗剪強度控制，如果再疊加上部剪力墻偏心產生的扭矩，就會導致框支梁在剪力和扭轉作用下的剪壓比大于限值，對結構安全不利。從結構穩定的角度看，框支梁的失效往往是從梁的受壓區失穩、梁側翻開始的，因此在臨界荷載作用下框支梁受到任何初始扭矩都會引起失穩。從概念設計的角度可以設想，一旦遭遇到地震作用，框支梁在側向大位移的狀態下，其平面外扭矩會使框支梁失效，因此必須采取結構技術措施予以解決。

2.3 框支梁平面外抗扭梁的工作原理

要消除框支梁受到偏軸產生的扭矩影響，可以從控制框支梁的關鍵部位出平面變

形尤其是角變位入手。如果角變位得到控制，也就意味著在一榀框支梁內，各構件本身在與框支梁平面垂直方向上的應力、應變均勻分布，與有限元分析時的平面假定保持一致?？朔亲兾挥行Ф唵蔚氖侄危褪窃诳蛑Я菏艿脚ぞ丶凶饔玫墓濣c處，沿扭矩方向布置剛度較大的抗扭梁，用以平衡扭矩，控制變形。

2.4 抗扭梁的作用

設置與框支梁垂直的抗扭梁，能有效地抑制框支梁的側翻轉角，相應地減小框支梁受到上部剪力墻偏心布置產生的平面外扭矩帶來的附加應力，減少框支梁兩端扭- 剪聯合作用的程度，使墻- 梁平面假定有限元計算結果更可信。本工程采用的抗扭梁截面尺寸為400x1200、500x1200， 其截面剛度較大，能有效的起到抵抗框支梁平面外扭矩的作用。抗扭梁實際上是一梁多用，它還起到減小樓板跨度，緩解樓板內力，讓樓板有更多的儲備去抵抗轉換層內剪力的作用。

3. 構造處理技術

3.1 大跨度異形板的構造處理

本工程上部住宅采用大開間剪力墻布置方式，留出了很多大尺寸空間以適應住戶的不同需求。這些大尺寸空間既可作為寬闊的客廳，又可以靈活隔斷，自由分隔為小戶型。為了保證空間整體性和適用靈活性，建筑專業要求在這些大尺寸空間中不要布置結構梁，由于其基本上不是方形規整的平面空間，這樣就產生了大跨度異形板（跨度從5.7 ～ 6.9m 不等），而該板上可能會布置輕質隔墻，荷載情況較復雜。經計算分析發現異形板內凹的陽角處板面應力集中情況相對突出，故在這些部位的板面須設置雙向鋼筋以覆蓋板面應力集中區域；異形板的異形分界處設置寬度1000mm 的暗板梁；適當增加大跨度異形板厚度。通過以上措施以避免樓板出現裂縫，確保其安全使用性能。

3.2“芯柱”的構造處理

本工程的框支柱受力大而導致截面較大，形成了凈高與截面高度之比≤ 4 的柱，而當柱的剪跨比λ=M ∶ Vh ≤ 2 時，該柱成為短柱。當發生地震時，短柱的破壞形態為脆性的剪切受拉破壞，無明顯征兆。為提高短柱的抗震性能，可以采取的方法有：1）提高混凝土強度等級，在軸壓比不變的前提下相應減小柱截面尺寸，使其成為普通延性柱；2）采用復合螺旋箍筋提高延性；3）采用分體柱變為普通柱；4）采用鋼骨砼柱或鋼管砼柱提高延性；5）采用芯柱提高延性等。本工程采用“芯柱”的構造措施來加強框支短柱。芯柱的構造方法是在柱截面中部三分之一的核心部位設置縱筋和箍筋，即形成柱內部加強區域，從而形成柱的內、外兩套配筋體系；芯柱的附加縱筋面積按柱截面面積的0.8%取用，該鋼筋不計入柱的配筋率內。芯柱的作用原理：彎矩對核心區鋼筋的影響小，利用柱周邊鋼筋抵抗柱承受的彎矩作用，即使混凝土保護層開裂剝落，周邊鋼筋和混凝土的粘結削弱，而中部芯柱的鋼筋和混凝土之間仍具有良好的粘結作用，芯柱部位的鋼筋不會發生壓曲；即使外圍混凝土失效，核心鋼筋形成的芯柱仍能抵抗豎向荷載。在遭到罕遇大地震時，采用“芯柱”的構造措施，既可以提高短柱的受壓承載力，又可以提高其壓縮變形能力，即提高了短柱的延性和耗能能力，相當于對受力不利的短柱增加了一道防護措施，有效地改善了它的抗震性能，確保其在大震時的

安全。

4. 基礎設計

在高層建筑中對基礎設計中應當考慮建筑場地的地質問題、上部結構的類型、施工條件、使用要求, 確保建筑物不應發生過量沉降或傾斜, 滿足建筑物正常使用要求；還應注意與相鄰建筑的相互影響, 了解附近地下構筑物及各項地下設施的位置和標高, 保證安全。本工程的基礎采用機械鉆孔嵌巖灌注樁，樁端持力層為中風化泥質粉砂巖。該巖層的飽和單軸抗壓強度標準值frk=6.45MPa。根據地質報告及前期工程樁檢測結果估算，樁徑800鉆孔樁進入中風化泥質粉砂巖1.0倍樁徑，單樁豎向承載力特征值為4500kN。本工程框支柱軸力較大，如采用大直徑樁（1400樁徑），當地樁基施工單位沒有大直徑的鉆頭，且采用大直徑樁如出現斷樁或承載力達不到設計要求時補樁較為困難。故框支柱下采用多樁承臺布置，施工方便，安全可靠。其余落地剪力墻則采用墻下條形承臺梁布置，傳力直接，安全有保障。按單樁承載力確定樁數時, 傳至承臺底面的荷載效應采用正常使用狀態下荷載效應的標準組合，相應的抗力應采用單樁承載力特征值。計算地基變形時, 傳至基礎地面的荷載效應采用正常使用的極限狀態下荷載效應的準永久組合, 不計入風荷載和地震作用。