某高層住宅的結構分析與設計

柳 艷 紅

(山西省建筑設計研究院,山西 太原 030013)

1 工程概況

臨汾恒大悅龍臺2號樓位于臨汾市堯都區(qū)，濱河東路以東，中大街以西，鼓樓西四巷以北，鼓樓西大街以南。總建筑面積33 680.13 m2,結構高度為98.6 m,東西長度為70.930 m，南北長度為20.250 m。本工程為地下1層，地上33層。地下1層建筑功能為設備及非機動車庫。地上1層，2層建筑功能為局部配套，其余樓層到33層為高層住宅，兩個單元，每層八戶。標準層建筑功能是客廳、餐廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間(避難間)、衣帽間、強弱電井、水暖井、走道、前室、消防連廊、樓梯、電梯。大屋面上部有電梯機房，太陽能設備。

本工程結構形式為鋼筋混凝土剪力墻結構形式。結構安全等級為二級，建筑物耐火等級為一級。主體結構設計使用年限為50年。抗震設防類別為丙類。抗震設防烈度為8度(0.2g)，設計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅲ類，地基基礎設計等級為甲級。地基處理采用封閉式后壓漿鋼筋混凝土灌注樁基礎。

本工程地上首層層高3.9 m，標準層層高為2.95 m。地下室墻厚300 mm，局部200 mm，350 mm。1層墻厚300 mm，局部250 mm，200 mm，其他樓層墻厚為250 mm，200 mm，局部300 mm;樓板采用現(xiàn)澆混凝土梁板形式。標準層板厚一般為100 mm，較大跨度取120 mm，連廊板厚為150 mm;混凝土強度等級，墻采用C45，C40，C35，C30，梁板混凝土強度等級為C30。

2 結構設計

2.1 地震作用

1)抗震設計時，結構所承受的“地震力”實際上是由于地震地面運動引起的動態(tài)作用。地震加速度，速度和動位移的作用。

2)從《建筑抗震設計規(guī)范》中P172頁附錄A中查到本工程的地震參數(shù)，見表1。

表1 地震參數(shù)

3)本工程結構考慮X方向與Y方向的水平地震作用。地震作用最大的方向0.919°,交角小于15°，不考慮斜向地震作用。不考慮豎向地震作用。采用振型分解反應譜法計算水平地震作用標準值，水平地震作用效應。在結構力學、理論力學、材料力學、彈性力學理論基礎下，地震作用通過編程好的計算機軟件計算分析結構，其反應力見圖1。

4)結構構件截面抗震驗算。《建筑抗震設計規(guī)范》P42頁，結構構件內力組合設計值是由重力荷載代表值效應，水平地震作用標準值效應，豎向地震作用標準值效應，風荷載標準值效應乘以相應的分項系數(shù)確定。例如第5層連梁內力設計，見圖2,圖3。

5)抗震變形驗算。彈性層間位移角限值見表2。

表2 地震作用在連梁剛度不折減模型下的位移

2.2 計算模型與主要參數(shù)

本工程設計，首先概念上結構平面布置，豎向布置滿足規(guī)范要求。戶內平面上要求滿足建筑功能。剪力墻，柱不突出填充墻墻體，剪力墻豎向變截面在樓層處變截面。平面上，大堂頂部完整空間內，電梯廳上部不宜露梁。戶內不露梁角線優(yōu)先順序為：客廳→餐廳→主臥→次臥→內走道的順序布置結構構件。采用盈建科軟件分析計算。按照規(guī)范要求進行了彈性時程分析。鋼筋混凝土剪力墻結構形式，抗震等級為一級。結構X方向基本周期2.288 5，結構Y方向基本周期2.038 6，周期折減為0.98，風荷載，修正后基本風壓為0.4 kN/m2,地面粗糙度為C類。恒活載計算方式采用施工模擬三加載方式。整體指標控制采用強剛，其他計算采用非強剛計算。采用WYD-RITZ特征值分析方法，使得振型參與質量系數(shù)之和達到90%。周期折減是對結構完成一次基本振型需要的時間的調整。填充墻的剛度會影響自由振動的時間。填充墻剛度越大，周期折減越小，地震作用力會增大。在模型中取一個合適周期折減系數(shù)，反映結構實際作用力，進行設計計算。

地下室信息中，土層水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)(m值)，m值可按照JGJ 94—2008建筑樁基技術規(guī)范表5.7.5中取值。考慮回填土對地下室的側向約束，控制結構變形。在模型中此值按照灌注樁類型取值30。當認為回填土對地下是完全嵌固，此值可以取-m。

2.3 結構抗震設計基本要求

建筑結構采用三個水準進行抗震設防“小震不壞，中震可修，大震不倒”。二階段抗震設計是對三水準抗震設計思想的具體實施。第一階段對構件截面承載力驗算；第二階段對彈塑性變形驗算。對于高層建筑結構，滿足第一，第二水準的抗震設防要求。吸收消耗地震能量，達到較好的抗震性能。

2.4 彈性時程分析

本工程設防烈度為8度區(qū)，Ⅲ類場地，建筑高度大于80 m,由《高規(guī)》P34頁規(guī)范要求，采用時程分析進行多遇地震下的補充計算。選取了7條地震波，其中5條天然波，根據(jù)建筑場地類別和設計地震分組選出來的實際地震記錄。2條人工模擬的加速度時程曲線。滿足實際地震記錄波數(shù)量不小于總數(shù)的2/3規(guī)范要求。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條計算所得底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜計算結果的80%。通過盈建科結構軟件計算，從時程法與CQC法層間剪力結果對比，90°時全樓放大系數(shù)為1.000。0°全樓放大系數(shù)為1.000。通過兩種計算分析方法比較得出，構件內力與配筋按照原方法即可，不需調整。

2.5 基礎設計

本工程采用泥漿護壁灌注樁基礎，剪力墻墻下布樁。承臺梁加防水板形式。樁徑為700 mm，樁長37 m。布樁的時候，樁中心與墻中心重合，樁最小間距滿足2.1 m。根據(jù)地勘勘察報告土體地質情況，土體側摩阻，端阻，通過樁身承載力公式計算出，樁端持力層為第層粉土層。且采用樁側，樁端封閉式后壓漿注漿技術。可達到單樁承載力特征值為3 750 kN，試樁單樁極限承載力特征值為7 800 kN。樁基礎承載能力極限狀態(tài)設計如下，根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》第5.2.1條對樁基豎向承載力的規(guī)范要求，1)荷載效應標準組合下，基樁的平均豎向力Nk≤R，Nkmax(樁頂?shù)淖畲筘Q向力)≤1.2R。2)地震效應與荷載效應組合下，NEk≤1.25R，NEkmax(樁頂?shù)淖畲筘Q向力)≤1.5R。通過盈建科基礎軟件分析計算結果，提供的樁身承載力達到荷載抗力作用下要求的樁的承載力。樁基礎滿足正常使用極限狀態(tài)設計，即計算軟件的建筑樁基沉降變形值結果小于規(guī)范規(guī)定變形允許值。

3 結語

高層住宅建筑，通常采用剪力墻結構形式。墻體布置的時候，平面布置規(guī)則，均勻合理，幾何關系上質心與形心很好的重合。通常外墻、電梯井道，與樓梯間墻體均布置為剪力墻墻體。室內隔墻布置為剪力墻墻體，平面上通過梁板構件合理布置達到主體的方案設計，后期進一步細化設計，使得主體模型計算結果參數(shù)在承載力極限狀態(tài)與正常使用狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求值。高層住宅采用剪力墻結構形式能很好滿足建筑功能使用與舒適度的要求。