對基于水平荷載控制的復(fù)雜體型高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

夏愛華

摘要：以實際工程案例為研究對象，詳細闡述了該工程中水平荷載控制設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，并對其建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計思路與方法進行了分析。從仿真結(jié)果來看，該工程中所采用的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足水平荷載控制要求，具有可行性。

關(guān)鍵詞：水平荷載、復(fù)雜體型高層建筑、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著復(fù)雜體型的高層建筑、超高層建筑越來越常見，建筑物的水平荷載控制問題已經(jīng)得到越來越多人的關(guān)注。現(xiàn)代研究認為，高層建筑結(jié)構(gòu)中所承受的水平荷載主要包括水平地震作用、風(fēng)載作用等，這些作用力都會以水平荷載的形式存在，對建筑物的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以應(yīng)該得到設(shè)計人員的重視。

一、工程案例簡介

某高層建筑的占地面積為6336㎡，總建筑物面積為15187㎡，分為主樓與裙樓兩個結(jié)構(gòu)，其中有地上20層，地下2層。其中地上20層建筑中，1-5層的高度為4.5m，作為商業(yè)用樓;第6-20層高度為3m，為普通住宅。地下1層為停車場，地下2層為發(fā)電機房、空調(diào)機房等，地下1層、2層的高度均為3.5m。

二、對該建筑物的水平荷載分析

（一）水平地震作用

在水平地震作用的影響下，建筑物的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系將會發(fā)生變化，這個變化過程的解釋為：剪力墻作為一種豎向懸臂彎曲結(jié)構(gòu)，其變形曲線為懸臂梁型，隨著高度的增加，其擾度變化越明顯[1]。同時，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在建筑物中可以看做是一個結(jié)構(gòu)單元，不僅包含框架，也含有剪力墻，這兩者依靠平面內(nèi)的剛度與樓板連接在一起，避免了變形發(fā)生。但是在水平地震作用的影響下，框架-剪力墻不可避免的會出現(xiàn)變形問題，但是這種變形與正常結(jié)構(gòu)的變形相比具有特殊性，是一種反S型曲線。

（二）風(fēng)載作用

風(fēng)載作用對高層建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響，尤其是在建筑物高度增加的情況下，建筑物結(jié)構(gòu)對風(fēng)載的敏感性會顯著增加。為了可以進一步了解該建筑物的風(fēng)載作用特征，采用風(fēng)振總響應(yīng)模型來進行分析，其模型為：

從這一數(shù)據(jù)模型可以發(fā)現(xiàn)，在該建筑物的風(fēng)載作用分析中，對于風(fēng)載作用的識別不是單一的，建筑物所產(chǎn)生的風(fēng)載振動也是在多因素共同作用下出現(xiàn)的。

三、建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計

在該工程中，從風(fēng)載作用、水平地震作用兩個角度，對水平荷載問題進行了分析研究，并制定了一系列建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，主要內(nèi)容包括：

（一）基本設(shè)計思路

本工程中，當?shù)?0年重現(xiàn)期的風(fēng)壓值為0.5kN/m2;抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度，安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。根據(jù)地質(zhì)報告顯示，建筑物距離地下15m的位置為淤泥，是軟弱地質(zhì)。

（二）結(jié)構(gòu)選型與布置

在該工程中，考慮到施工場地地下為軟弱地質(zhì)，為了可以增加結(jié)構(gòu)水平剛度，設(shè)計選型時決定建筑物的主體采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其中剪力墻設(shè)置在主樓的中心位置，通過這種設(shè)計方法可以顯著提高建筑物主要結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在主樓與裙樓的基礎(chǔ)設(shè)計時，考慮到本地區(qū)的地下水位較高且上部建筑物的重量差異較大，因此基礎(chǔ)采用了厚板樁筏的設(shè)計方案，并在主樓與裙樓之間留沉降后澆帶，待主樓施工結(jié)束且沉降基本穩(wěn)定后，再將兩者封閉連接為整體。

（三）荷載分析

1、地震荷載

該建筑的框架、剪力墻抗震等級均為二級，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求，必須對其進行地震作用計算。同時實踐發(fā)現(xiàn)，在兩個不同方向的地震作用影響下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度的分布存在明顯不對稱的現(xiàn)象，所以在地震荷載問題的分析中，需要將不同方向下的水平地震作用扭轉(zhuǎn)計入到地震荷載中。

2、風(fēng)荷載

在該工程設(shè)計時，充分考慮了風(fēng)荷載對建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，基本風(fēng)壓按照現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況。在承載力設(shè)計時，取基本風(fēng)壓值為0.55KN/㎡進行設(shè)計，基本風(fēng)壓值的調(diào)整系數(shù)為1.1;根據(jù)設(shè)計的建筑物結(jié)構(gòu)特征，確定結(jié)構(gòu)整體坐標與風(fēng)力作用下的方向夾角為49.99°。

3、均布活荷載

在該工程中，均布活荷載的相關(guān)資料如表1所示：

（四）建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算

為了保證數(shù)據(jù)分析結(jié)果的準確性，采用中國建筑科學(xué)院的PKPM軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型，采用高層建筑物結(jié)構(gòu)三維分析軟件進行計算;在基礎(chǔ)運算中，采用CAD軟件確定底板基礎(chǔ)等關(guān)鍵部位參數(shù)[2]。

結(jié)合該工程的實際情況，考慮到建筑物的地基為軟弱土，因此對整體結(jié)構(gòu)的嵌固作用不明顯，所以在結(jié)構(gòu)計算時，取地下一層地面作為結(jié)構(gòu)嵌固端。依靠該模型，依靠信息系統(tǒng)程序來對施工過程進行模擬，并評估不同工況下的水平荷載變化情況，根據(jù)模擬結(jié)果，在柱、墻水平荷載計算中，采用人機交互控制的方法，逐層修正活載折減系數(shù)，并根據(jù)折減系數(shù)的變化結(jié)果來調(diào)整柱、墻的參數(shù)數(shù)據(jù)。在該建筑中，考慮到柱的橫截面尺寸較大，會導(dǎo)致柱端彎矩持續(xù)向中心靠攏，導(dǎo)致受力承受上限要略高于正常值。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮采用控制梁端彎矩的方法，保證修正后的梁端彎矩為原來數(shù)據(jù)的2/3左右，這樣就可以取得理想的效果。

（五）結(jié)果仿真

按照上述方法，隨機選擇三個自振周期來對建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題進行分析對比，所得到的仿真結(jié)果如表2所示：

根據(jù)表2所提供的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在三個自振周期中，該建筑物在結(jié)構(gòu)的X軸方向與Y軸方向上的數(shù)據(jù)變化不明顯。這一結(jié)果證明，該建筑物的水平剛度性能良好，設(shè)計滿足規(guī)范標準要求。

四、結(jié)語：

該工程在復(fù)雜體型高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計時，根據(jù)水平荷載的特征，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行了優(yōu)化，并且通過最終仿真結(jié)果證明，這種優(yōu)化是科學(xué)有效的。做為設(shè)計人員，在復(fù)雜體型高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分重視水平荷載控制的影響，這樣才能設(shè)計出安全性更高，使用更舒適的建筑。

參考文獻：

[1]徐培福，傅學(xué)怡.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[2]丁潔民，吳宏磊.我國高度250m以上超高層建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與分析進展[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2017（03）：76-80.