高層建筑結構設計及某工程結構選型探討

武兆魁

（廣西中正工程質量檢測有限公司，廣西 來賓 546100）

1 工程概況

廣西壯族自治區來賓市某高層小區位于市區SQZX 北側，DB 路東側。該項目總用地面積為46862.17m2（合計70.29 畝），總建筑面積為131337.00m2（其中地上建筑面積104737.00m2，建筑層高為3.0m，地下建筑面積26600.00m2，建筑層高為4.3m）。建筑工程平面為規則的長方形，設計基準期為50 年，柱間距約為2.1m~3.3m，其余建筑結構詳細資料見表1。其中5#樓~14#樓的1 層~6 層混凝土柱采用C40 強度等級的混凝土，6 層~12 層采用C35 強度等級的混凝土，12 層以上采用C30 強度等級的混凝土，混凝土重度均為26kN/m3，鋼筋材料均為HRB400，鋼材重度為78kN/m3。擬建場地地處北緯24°，屬于工程抗震設防烈度6 度區和中亞熱帶季風氣候區，降雨量充沛，夏季盛行溫暖濕潤的海洋氣團，冬季多寒冷干燥的大陸氣團，全年基本風壓0.4kN/m2。年平均氣溫15.6°，太陽年總輻射為376.9kJ/cm2~503.9kJ/cm2，多年平均降水量為1500mm，降水量主要集中在4 月至9 月，可占全年降雨量的70%，日照大于2000 h。。場區建筑場地類別為I 類場地，場地特征周期Tg=0.25s，水平地震放大系數β為2.25[1-2]。

表1 工程建設設計基本條件

2 高層建筑結構設計方案比較

高層建筑結構設計中最主要的結構設計計算指標包括周期比、位移比、水平位移限值、層間剛度比、層間受剪承載力比、剪重比和剛重比。其中，對剪力墻結構、框架-剪力墻結構，高層建筑的剛重比按公式（1）計算；對框架結構，高層建筑的剛重比按公式（2）計算[3-5]。

式中：i為第i層樓；n為樓層總數，層；H為建筑物的總高度，m；EJd為樓層的等效剛度，kN/m；Gi為建筑物第i層的重力，kN；Di為建筑物第i層的彈性等效側向剛度，kN/m；hi為建筑物第i層的高度。

為了對比高層建筑結構的設計方案，該文在設計時對5#樓~14#樓進行了結構設計方案對比，方案A 為框架剪力墻結構，方案B 為框架結構。計算采用建筑結構有限元通用程序SATWE 軟件進行，剪力墻的受力狀態采用軟件中的殼單元來模擬，框架結構的受力狀態通過空間桿件進行模擬。計算時，重力荷載代表值的火災組合系數為0.50，周期折減系數為0.75，結構阻尼比為5%，地震影響系數的最大值為0.12，用于12 層以下規則混凝土框架結構薄弱層的地震影響系數最大值為0.72，梁端的負彎矩調整系數為0.85，地下室土的水平抗力系數的比例系數為3.0MN/m4，回填土的側壓力系統為0.5，回填土的容重為18kN/m3，1 層柱體、墻體的活載折減系數為1.0，2 層~3 層的增減系數為0.85，4 層~5 層的折減系數為0.70，6 層~8 層的折減系數為0.65，9 層~20層的折減系數為0.60，大于20 層的折減系數為0.55[6-7]。地震作用下框架-剪力墻結構、框架結構的周期、平動系數和扭轉系數計算結果分別如圖1、表2 和表3 所示。

圖1 地震作用下框架結構、框架-剪力墻結構的周期、平動系數和扭轉系數計算結果對比

表2 地震作用下框架-剪力墻結構的周期、平動系數和扭轉系數計算結果

表3 地震作用下框架結構的周期、平動系數和扭轉系數計算結果

從圖1 可以看出，在地震作用下，高層建筑框架-剪力墻結構和框架結構的周期曲線表現為一致的變化規律，均隨層高的增加而呈近線性下降，框架-剪力墻結構的周期計算結果比框架結構略大，而從表2 和表3 可以看出，轉角則呈現不同程度的無規律劇烈波動。從圖1 可以看出，在地震作用下高層建筑框架-剪力墻結構和框架結構的平動系數和扭轉系統均表現為一致的變化規律，均隨層高的增加而呈現不同程度的波動，而框架-剪力墻結構的平動系數和扭轉系數計算結果均比框架結構小。

高層建筑-框架剪力墻結構、框架結構在x方向和y方向上的剪重比計算結果對例如圖2 所示。從圖2 可以看出，框架-剪力墻結構、框架結構的剪重比曲線呈現較為類似的變化規律，均隨樓層高度的增加而不斷上升。在同一樓層高度，框架-剪力墻結構、框架結構設計方案在x方向上的剪重比在整體上均比y方向上的剪重比小；在同一方向上，框架-剪力墻結構設計方案剪重比比框架結構設計方案剪重比小，下降了約1.05%~1.2%。

圖2 地震作用下框架結構、框架-剪力墻結構的剪重比計算結果對比

高層建筑-框架剪力墻結構、框架結構在x方向和y方向上的剛重比計算結果對例如圖3 所示。從圖3 可以看出，框架-剪力墻結構、框架結構的剛重比曲線呈現較為類似的變化規律，均隨樓層高度的增加而不斷上升且呈現輕微的波動。在同一樓層高度，框架-剪力墻結構、框架結構設計方案在x方向上的剛重比在整體上均比y方向上的剛重比大；在同一方向上，框架-剪力墻結構設計方案剛重比比框架結構設計方案剛重比大，增加了約1.10%~1.35%。高層建筑各樓層的剛重比均大于1.4，滿足高層建筑整體穩定性要求[8]。

圖3 地震作用下框架結構、框架-剪力墻結構的剛重比計算結果對比

3 高層建筑工程結構選型經濟性分析

為了更好地分析高層建筑工程設計方案的優劣，該文以混凝土折算厚度和鋼筋用量2 個經濟指標進行框架結構、框架-剪力墻結構的選型合理性比較，計算結果見表4。從表4可以看出，采用框架結構時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為40.61cm/m2~65.52cm/m2，標準差為1.4924，鋼筋用量變化為38.01kg/m2~67.34kg/m2，標準差為3.5195；采用框架-剪力墻結構時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為55.10cm/m2~54.92cm/m2，標準差為3.9465，鋼筋用量變化為17.00kg/m2~48.80kg/m2，標準差為3.3899。由此表明，采用框架-剪力墻結構的設計方案， 其經濟性指標更合理。

表4 框架結構和框架-剪力墻結構各層的混凝土折算厚度和鋼筋用量計算結果對比

4 結論

該文以廣西壯族自治區來賓市某高層小區為研究對象，采用數值計算的方法，對高層建筑結構的設計指標進行研究，并運用混凝土折算厚度和鋼筋用量2 個經濟指標對工程結構的合理性進行比較，得出以下結論：地震作用下，高層建筑框架-剪力墻結構和框架結構的周期曲線均隨層高的增加而呈近線性下降，轉角則呈現不同程度的無規律劇烈波動，平動系數和扭轉系統均隨層高的增加而呈現不同程度的波動。

框架-剪力墻結構、框架結構的剪重比均隨樓層高度的增加而不斷增加，框架-剪力墻結構設計方案剪重比比框架結構設計方案剪重比小，下降了約1.05%~1.2%。剛重比則相反，增加了約1.10%~1.35%。

采用框架結構時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為40.61cm/m2~65.52cm/m2，鋼筋用量變化為38.01kg/m2~67.34kg/m2；采用框架-剪力墻結構時，所有樓層的混凝土折算厚度變化為55.10cm/m2~54.92cm/m2，鋼筋用量變化為17.00kg/m2~48.80kg/m2，因此采用框架-剪力墻結構的設計方案的經濟性指標更合理。