高層建筑結構設計與計算分析

摘要：針對結構特點進行了小震及中震詳細分析，對高層建筑抗震中短柱的正確判定進行了論述，并重點分析了桁架轉換層的受力及其對整個結構的影響。計算結果表明，桁架轉換具有傳力明確，傳力路徑清楚，結構剛度、質量變化較為均勻等優(yōu)點。

關鍵詞：高層建筑；抗震結構；轉換層結構；計算結果分析

一、抗震結構整體計算結果及分析

小震和中震結構設計采用了SATWE和ETABS兩個軟件進行計算。分別采用多遇地震和抗震設防烈度（中震）地震下振型分解反應譜法和多遇地震下彈性時程法進行了詳細的計算分析。

多遇地震下兩個程序結果相近，各項指標滿足規(guī)范要求。結構前三周期分別為4.50s，3.31s和1.99s，結構在地震作用下最大層間位移角為1/829，在風荷載作用下的最大層間位移角為1/795。樓層剛度比計算采用層間剪力比層間位移算法，桁架轉換層位于第6層，轉換層下部結構起止層號為1層—6層，高度25.80m，轉換層下部結構起止層號為7層—12層，高度24.20m。

由于剪切剛度比定義不適用于桁架式轉換層上下剛度比的計算，可以以轉換層上下層側移剛度比γ描述轉換層剛度比的變化。根據(jù)定義，轉換層上層與轉換層側移剛度比γX向為0.76，Y向為0.82。轉換層與轉換層下層側移剛度比γX向為1.36，Y向為1.22。轉換層及其下層樓層抗剪承載力滿足不小于相鄰上層的80%的規(guī)定。桁架轉換相對其他轉換形式具有沿高抗側剛度突變小的優(yōu)點。

二、高層建筑抗震中短柱的正確判定

柱凈高H與截面高度h之比H/h≤4為短柱，工程界許多工程技術人員也都據(jù)此來判定短柱，這是一個值得注意的問題。因為確定是不是短柱的參數(shù)是柱的剪跨比λ，只有剪跨比λ=M/Vh≤2的柱才是短柱，而柱凈高與截面高度之比H/h≤4的柱其剪跨比λ不一定小于2，亦即不一定是短柱。按H/h≤4來判定的主要依據(jù)是：①λ=M/Vh≤2；②考慮到框架柱反彎點大都靠近柱中點，取M=0.5VH，則λ=M/Vh=0.5VH/Vh=0.5H/h≤2，由此即得H/h≤4。但是，對于高層建筑，梁、柱線剛度比較小，特別是底部幾層，由于受柱底嵌固的影響且梁對柱的約束彎矩較小，反彎點的高度會比柱高的一半高得多，甚至不出現(xiàn)反彎點，此時不宜按H/h≤4來判定短柱，而應按短柱的力學定義——剪跨比λ=M/Vh≤2來判定才是正確的。

框架柱的反彎點不在柱中點時，柱子上、下端截面的彎矩值大小就不一樣，即Mt≠Mb。因此，框架柱上、下端截面的剪跨比大小也是不一樣的，即λt=Mt/Vh≠λb=Mb/Vh。此時，應采用哪一個截面的剪跨比來判斷框架柱是不是屬于短柱呢？筆者認為，應該采用框架柱上、下端截面中剪跨比的較大值，即取λ=max（λt，λb）。一般情況下，在高層建筑的底部幾層，框架柱的反彎點都偏上，即Mb>Mt。

在層高一定的情況下，為提高延性而降低軸壓比則會導致柱截面增大，且軸壓比越小截面越大；而截面增大導致剪跨比減小，又降低了構件的延性，軸壓比與延性比關系圖如圖1所示，因此，在高層特別是超高層建筑結構設計中，為滿足規(guī)程對軸壓比限值的要求，柱子的截面往往比較大，在結構底部常常形成短柱甚至超短柱。

圖1 軸壓比與延性比關系圖

三、轉換層結構分析與設計

3.1 轉換桁架內力分析

表1為SATWE和ETABS軟件計算的桿件內力。

表1桁架計算內力

桿件軟件最大軸力/KN最大彎矩/KN·m

上

弦

桿A桁架

SATWE1513（邊跨外側）-769（中跨內側梁端）

ETABS1476（中跨外側）-780（中跨內側梁端）

B桁架SATWE-5988（中跨跨中）-827（中跨梁端）

ETABS-5492（中跨跨中）-934（中跨梁端）

下

弦

桿A桁架

SATWE2880（中跨跨中）-802（中跨梁端）

ETABS2974（中跨跨中）-888（中跨梁端）

B桁架SATWE3773（中跨跨中）-1129（中跨梁端）

ETABS3786（中跨跨中）-1047（中跨梁端）

斜

腹

桿A桁架

SATWE-11437（邊跨內側）-875（邊跨外側）

ETABS-10606（邊跨內側）-811（邊跨外側）

B桁架SATWE-15351（中跨）1177（中跨）

ETABS-16207（中跨）1104（中跨）

桁架弦桿除B桁架跨中段外在大多數(shù)荷載組合下軸力均為拉力。桁架最大拉力出現(xiàn)在B桁架跨中下弦桿（3786kN），且梁端彎矩較大（1047KN·m）。

3.2轉換桁架設計

桁架設計采用SATWE和ETABS計算結果中的不利結果進行配筋。弦桿支座處根據(jù)組合設計值按偏心受拉構件進行計算，按標準組合值計算裂縫，裂縫控制不大于0.3mm，其余部位按軸心受拉進行計算，裂縫控制不大于0.1mm。為了減小桁架局部應力集中和加強節(jié)點，在弦桿、斜桿和柱相交處加腋。設計時，下弦桿軸力均考慮由型鋼承擔，彎矩由梁的面筋和底筋承擔。桁架下弦采用型鋼（H600×600×20×20），型鋼應力比控制在0.7以內。轉換層上層為了滿足/強邊柱弱中柱0原則和控制柱壓比，中柱截面為1000×950，邊柱截面為1000×1350，并在邊柱中加芯柱予以加強。

3.3轉換層及其上層板分析設計

為了找出樓板的最大應力分布，在各種工況下進行了樓板有限元分析并進行了對比。根據(jù)樓板有限元分析結果，轉換層及其上層樓板除了豎向樓面荷載引起的彎矩外，靠近桁架弦桿的板沿弦桿軸向的軸力均較大，這部分軸力是由轉換桁架傳遞到板上的。其中A桁架下弦桿內側一跨板（3.6m）最大軸向拉力為1154kN，上弦桿內側一跨板（3.7m）最大軸向拉力為1039kN；B桁架下弦內側一跨板（2.6m）最大軸向拉力為1517kN，上弦桿內側一跨板（2.7m）最大軸向拉力為952kN。

計算表明，6倍板厚以外區(qū)域板拉應力已小于混凝土抗拉強度設計值，根據(jù)這種應力的大小分布規(guī)律加強了沿弦桿周圍的板筋，在弦桿周圍根據(jù)不同拉力大小布置不同配筋的板帶暗梁。板帶暗梁根據(jù)有限元分析板的應力，并按軸心受拉梁計算裂縫寬度控制在0.2mm以內進行設計。板帶寬度為6倍板厚（1200mm）。為增加桁架及與其相連板的抗裂性，轉換桁架及內側一跨板采用添加化學纖維混凝土。

參考文獻：

[1]唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2002.

[3]徐培福.復雜高層建筑結構設計[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2005.

作者簡介：孫慧，女，講師，碩士。主要研究建筑結構等方面。