某高層建筑結構設計實例分析

劉麗

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

某高層建筑結構設計實例分析

劉麗

（太原城市職業技術學院，山西 太原 030027）

本文以某高層建筑為例，采用結構三維設計與分析軟件SATWE對結構進行了設計計算，并對計算結果進行了分析，結果表明該結構各項指標均符合國家規范要求，具有良好的抗震性能，滿足設計要求。

高層建筑；框架—抗震墻；結構設計

一、工程概況

某高層建筑總長60.8m，總寬19m，總高65.10m。地上十五層，地下一層。地下室層高7.4m（含局部設備夾層層高3.2m），一二層層高5.1m，三至十二層層高3.9m，十三至十五層層高4.8m。其中一至十二層為辦公室，十三層至十五層為實驗室，地下部分為車庫和設備用房。總建筑面積18182.26m2，建筑占地面積2130.40m2。此建筑設計使用年限50年，為二類建筑，建筑耐火等級為一級，屋面防水等級為二級，地下室防水等級為二級（配電室為一級）。

二、自然條件及地質情況

本工程場地地震基本烈度8度，設計基本地震加速度0.2g，設計地震分組第一組，建筑場地類別Ⅲ類。100年遇基本風壓0.45kN/m2，50年遇基本雪壓0.25kN/m2，場地標準凍深0.68m。場地地基土自上而下可劃分為16層，從上至下依次為耕土，層厚0.4～0.5m；濕陷性黃土，層厚2.5～3.6m；細砂，層厚0.5～1.5m；粉土，層厚0.6～1.9m；粉質黏土，層厚1.9～3.8m；粉土，層厚1.5～3.1m；細砂，層厚4.0～5.2m；粉土，層厚5.7～7.3m；細砂，層厚1.1～3.4m；粉砂，層厚1.6～3.7m；細砂，層厚3.1～4.2m；粉質黏土，層厚3.5～4.4m；粉土，層厚3.0～5.9m；粉質黏土，層厚3.4～5.1m；細砂，層厚4.7～5.6m；粉土，未揭穿，主要由第四系上更新統河流相沖、洪積層。地下水穩定水位標高為425.6m至425.9m，地下水對混凝土及混凝土中的鋼筋具弱微腐蝕性，場地為非自重濕陷性場地，地基濕陷等級為Ⅰ級（輕微），濕陷性分類乙類。按非液化場地設計。本場地可不考慮軟弱土的震陷影響，為穩定場地。

三、地基處理及基礎形式

為了提高地基承載力，本工程主樓不應采用天然地基，擬采用CFG樁進行地基處理，經計算，樁徑400mm，正方形布置，間距1400mm，樁長16.50m，樁體混凝土強度不小于20MPa，要求單樁承載力特征值≥550 kN，處理后復合地基承載力特征值≥380Kpa。地基基礎設計等級乙級。

根據場地地質情況及地基承載力大小，最終確定主樓采用梁板式筏型基礎，門廳及地下車庫采用鋼筋混凝土柱下條形基礎。另外，由于此建筑主樓與門廳、地庫重量相差較大，為了減小兩部分之間因不均勻沉降所引起的上部結構間的內力，在與主樓相連的門廳處從基礎至頂層設置沉降后澆帶，后澆帶采用比相應結構部位高一級的微膨脹混凝土，施工期間后澆帶兩側構件應妥善支撐，并且要在兩側結構單元沉降基本穩定后再進行澆筑，這是兼顧經濟利益與施工工藝的有效措施。

四、結構主體設計

1.結構選型

根據 《建筑工程抗震設防分類標準》GB 50223-2008規定，本建筑抗震設防類別為標準設防類（丙類）。考慮到主樓一層大廳為雙層中空，建筑功能布局多為開敞辦公區、視頻大會議室、監控室等大空間以及建筑外形要求美觀、大方等方面因素，故本建筑主體部分采用鋼筋混凝土框架——抗震墻結構形式，這種結構體系兼顧了框架結構和抗震墻結構的優勢，既能使房屋空間布局靈活，又能使高層建筑結構滿足較大剛度的要求。具體做法是在建筑電梯井筒及樓梯間四周布置抗震墻，以及東西兩側山墻分別設置抗震墻，其余部位水平剪力由框架柱和框架梁承擔。參照規范規定，結構抗震等級為框架一級，抗震墻一級，地下車庫框架三級。

2.主要荷載取值

表1 設計采用的均布樓、屋面活荷載標準值 kN/m2

樓梯、陽臺和上人屋面欄桿頂部水平荷載取0.5kN/m。高低層相鄰的屋面，低層屋面考慮施工時臨時荷載取4kN/m2。大型設備按實際情況考慮。

地震參數：場地特征周期0.45s，建筑結構的阻尼比0.05，多遇地震水平地震影響系數最大值0.16。

3.主要受力構件尺寸取值

表2 結構主要豎向構件尺寸變化值 mm×mm

除地下車庫頂板板厚為200mm、地下一層頂板厚為180mm外，其他各層樓板厚度均為120mm。

4.主要結構材料選取

表3 主要結構構件的混凝土強度等級

此外，圈梁、構造柱、挑檐、雨篷及樓梯均采用C30混凝土。主要用于基礎梁、板，墻和柱以及樓面梁的縱筋選用HPB235、HRB335、HRB400級鋼筋。標高正負零以上填充墻采用加氣混凝土砌塊，容重≤6.5kN/m，標高正負零以下墻體采用MU10粉煤灰磚，其余內隔墻均采用輕質隔墻，其重量不應大于1.00kN/m。標高正負零以上采用M5混合砂漿，標高正負零以下采用M7.5水泥砂漿。結構中所采用的型鋼、鋼板和鋼管均采用Q235-B級鋼。

5.計算軟件及計算依據

本工程計算使用程序為中國建筑科學研究院開發的建筑結構三維設計與分析軟件SATWE。計算依據為建筑條件圖及《混凝土結構設計規范》GB50010-2002、《建筑抗震設計規范》GB50011－2010、《高層建筑鋼筋混凝土結構技術規程》JGJ3-2002、《建筑地基基礎設計規范》GB50007－2002等國家相關規范。

6.計算結果分析

（1）位移比

基于剛性樓板假定，考慮偶然偏心的條件下，最大位移與層平均位移的比值：X向為1.17，Y向為1.16；最大層間位移與平均層間位移的比值：X向為1.05，Y向為1.21。位移比超過1.2，需要考慮雙向地震作用，在進一步施工圖設計中對結構構件進行優化。

（2）層間位移

計算時不扣除整體彎曲變形，不考慮偶然偏心的影響，X方向地震力作用下的樓層最大位移：1/1273＜1/800；Y方向地震力作用下的樓層最大位移1/1023＜1/800，滿足規范要求。

（3）剪重比

底層水平剪力與結構總重力荷載代表值比值：X向3.8%；Y向4.26%，均大于抗震規范（5.2.5）條要求的樓層最小剪重比3.20%，故滿足要求。

（4）剛度比

結構整體穩定驗算：其X向剛重比 EJd/GH2= 11.26；Y向剛重比EJd/GH2=9.19，均大于1.4，能夠通過高規的整體穩定驗算，均大于2.7，可以不考慮重力二階效應。

（5）軸壓比

取框架柱2為例進行說明，底層軸壓比為0.70＜0.75，滿足抗震規范6.3.7及6.4.6條的規定，其余框架柱同此處。

（6）周期比

表4 考慮扭轉耦聯時的計算結果

結構扭轉為主的第一周期Tt與平動為主的第一周期T1的比值為1.1702/1.3891=0.8424＜0.9；地震作用最大的方向為-75.491度；有效質量系數：X向99.57%；Y向99.50%。

（7）框架柱地震傾覆彎矩百分比

在基本振型地震作用下，框架部分承受的地震傾覆力矩占結構總地震傾覆力矩的百分比：X向21.06%；Y向22.69%，均小于50%，故本建筑中框架部分的抗震等級按照框剪架構確定是合理的。

五、結語

以上計算分析結果表明，本建筑采用框架的結構形式比較合理，滿足了建筑經濟、安全、適用、美觀的總體要求，結構計算結果比較理想。

結構抗震墻及框架柱采用變截面設計，符合力學原理和要求，并設置多道防線，使結構具有較好的延性，滿足“三水準”的抗震設防要求。

采用復合地基，節約成本，縮短施工周期，取得良好的經濟效益。

TU

A

1673-0046（2012）5-0182-02