分析高層建筑鋼筋混凝土結構設計問題

陳同舟

（桂林市城市規劃設計研究院　廣西桂林　541002）

如今，建筑的高度越來越大，且建筑體型日趨復雜，而鋼筋混凝土仍是建筑最常用的結構形式，這就對結構設計提出了很高的要求，在實際的設計工作中，必須充分考慮多個方面的影響因素，以此保證設計的合理性、可行性與經濟性。

1　工程概況

某高層建筑工程為一座商住兩種綜合性建筑，設2層地下室，用于車庫與設備用房，地上部分主要由三棟主樓（1～3#）與一棟裙樓構成，地上1層至地上2層用于商業，其余樓層全部用于住宅。其中，3#樓地上19層，建筑高度為58.5m，和地上2層的裙樓采用伸縮縫聯結；1#、2#樓地上18層，二者頂部兩層聯結，建筑高度為64.5m，1#、2#樓和地上2層裙樓之間采用連廊連接，在主樓和連廊之間布置伸縮縫。現圍繞本建筑工程實際情況，對其鋼筋混凝土結構設計做如下深入分析。

為滿足建筑使用功能方面的要求，1#、2#樓設計采用框剪結構（圖1），在底部局部布置轉換剪力墻，于地上3層的頂面設置轉換層。因采用兩種不同而又十分復雜的結構，并且結構體系的體形十分復雜，所以需按超限結構予以送審。建筑所在場地設防烈度取Ⅵ度，地震加速度取0.50g，場地類別為Ⅳ類，將抗震設計等級確定如下：剪力墻結構抗震設計等級為Ⅲ級，框支柱抗震設計等級為Ⅱ級，框架結構抗震設計等級為Ⅲ級。建筑基礎主要為樁基礎，為切實滿足功能要求，應在結構設計過程中，做好以下處理：①選擇連接體結構設計方案；②對結構內力進行分析計算，并采取構造措施；③對轉換層上的構件進行計算，并確定適宜的構造措施[1]。

圖1　框架剪力墻

2　結構設計與計算結果

2.1　計算單元

因本工程由三棟主樓與一棟裙樓構成，主樓通過地下室結構頂板連接，因地下室存在很多墻體，且頂板的厚度可以達到250～300mm，剛度相對較大，所以將其上部結構對應的計算點確定為±0.000，將計算單元分成三個不同的部分：第一部分為3#樓；第二部分為裙樓；第三部分為1#、2#樓。

2.2　建筑基礎與地下室結構設計

如前所述，本工程基礎為樁基礎，采用鉆孔灌注樁，其樁徑按上部荷載選擇，工程的主樓樁基為φ800，裙樓為φ700。根據地質勘察報告，將圓礫層作為基礎的持力層，樁端需嵌入2.5～6.4m，樁長在48.1～56.1m范圍內，單樁承載能力為3500kN與4100kN[2]。

建筑所設地下室結構整體呈L型，局部設人防地下室，其等級確定為6級，整體結構東西、南北兩個方向上的長度分別為150m和120m，未設伸縮縫，此外，在橫、縱向上布置若干后澆帶，來減小由于溫度變化等因素對結構造成的影響。后澆帶之間的距離按40m控制，保證施工質量[3]。

2.3　結構的選型與布置

因建筑總體平面狹長且較為復雜，所以在連體結構的兩側，主樓的剛度、體形與平面應盡可能保持一致，以此減小或避免耦聯振動。早期設計方案為在主樓之間布置喇叭狀平面，柱距為北小、南大，分別為16.8m和29.4m。對于連接體結構，設計采用下層鋼骨梁，將其作為可靠的轉換結構，用于對整體結構予以支撐。對這種結構進行估算可知，鋼骨梁的截面很大，對施工會造成影響。通過綜合對比與分析，決定在軸間增設兩處柱子，保證連接體結構有相同的柱距，即保持在16.8m。主體結構和連接體為剛性連接，在每層上布置鋼筋混凝土梁，用作連接主梁，確保連接處剛度，形成整體，保證受力和變形的整體性與協調性。因主梁高度相對較大，所以連接體結構層高應為主樓層高的兩倍，只有這樣才能滿足空間方面的實際要求[4]。

對連體結構而言，因其振型十分豐富，同時平動振型和扭轉振型相耦合，所以在設計計算過程中，應考慮平、扭耦聯，以此確定結構的扭轉效應，同時考慮雙向地震作用的影響；對于連體部分，其十分復雜，需按彈性樓蓋實施分析計算。因相連的兩個主樓在體型上十分相似，而且間隔距離又很近，所以在確定風荷載時，應重點考慮相互作用與影響，在體型系數的基礎上乘以一定增大系數，同時對于處在底層的樓板，還應考慮風吸力可能造成的影響。

表1　結構扭轉耦聯條件下的周期與振型計算結果

在結構設計中，采用分解反應譜的方法進行計算，其結果如表1所示。

從表1可以看出，結構的自振周期處于合理范圍之內，以結構扭轉為核心的周期和以平動為核心的周期比經計算為0.85，符合現行設計規范的具體要求。當結構受到地震力作用后，層間位移不超過1/1791，而頂點位移不超過1/2048，由于都處在1/800以內，所以也可滿足現行技術規范的要求[5]。

3　結構抗震加強措施

3.1　轉換結構

因本工程所用結構十分復雜，所以其轉化層為典型薄弱層，在抗震方面應有目的性的予以加強，具體措施有以下幾種：①在框支梁、柱與剪力墻的底部，將抗震設計等級提高一個等級；②對于薄弱層結構，其地震剪力應乘以一定增大系數，其一般取1.15，同時，還應對框支柱自身剪力實施調整；③對于框支梁、柱，其設計必須滿足現行規范提出的具體要求；④框支梁所處樓層板體厚度增加至180mm，同時在雙層、雙向布置加強構造[6]。

3.2　連接結構

本高層建筑工程為I類扭轉不規則，從震害資料中可以看出，在收到地震作用后，連接體結構將產生嚴重破壞，并使連接體結構和主體結構之間的連接處產生破壞，所以在結構的抗震設計過程中，應采取以下加強措施：①連接體結構和與之相鄰的構件，其抗震設計等級應提高一個等級；②將樓板的厚度加大至150mm，并在加強連接處附近進行配筋，按雙層、雙向布置，并達到貫通，同時對邊梁處的構造與配筋予以加強；③對連接結構底部配筋予以加強；④做好連接結構下層設計，將其視作薄弱層，進行必要的特別設計[7]。

4　結束語

綜上所述，當結構體系較為復雜時，應格外注重其合理布置；對于建筑中的連接體結構，應盡可能確保連體結構上的所有部分都有相近的剛度、體型，以此防止連體結構產生耦聯振動，并對這種結構的轉換層與連體結構，采取合理有效的抗震加固措施。