高层建筑结构设计

【摘 要】随着我国经济高速发展,高层建筑已成为城市建设中的重要组成部分,结构设计工作亦是重中之重.本文就某高层建筑结构设计的各个方面进行一些简单的分析,并加以总结,以供类似工程设计参考.

【关 键 词】高层建筑；结构设计；设计体会；安全问题

引言

一栋建筑物的结构是否合理设计,这都直接关乎到建筑物的安全、适用、经济,因为设计一栋建筑物,涉及的专业有建筑,结构,设备等.相对其他专业,结构设计是一项繁重且责任重的工作.但在实际设计工作中,常常发生对建筑结构设计的概念理解和方法运用上的差错.为了避免或减少类似情况发生,有必要对这些差错进行深入思考并进行小结.

一、工程概况

某高层建筑其建筑面积38650m2,其中地上部分28578m2,地下部分9872m2.本工程地面以下平面形状为长方形,有2层.本工程地面以上13层,高度为60.2m,1～3层为餐厅和机房,4层以上为办公室.

二、工程地质情况

本建筑所在场地地形平坦,表层为人工填土,其下为一般第四纪冲洪积沉积土层,土层在水平与垂直方向分布比较稳定.本建筑基底置于层粉质黏土,建筑抗震设防重要性分类为丙类,建筑结构安全等级为二级,抗震设防烈度为8度,Ⅲ类场地土,基本风压0.45kN/m2.

三、结构设计

1.结构主体设计

本建筑主体结构采用现浇钢筋混凝土框架—剪力墙结构体系,剪力墙抗震等级一级,框架抗震等级二级.结合建筑使用功能,作为主要抗侧力构件的剪力墙布置在建筑中部,并形成筒体,筒体周围设框架柱.因受层高及使用功能的限制,地上部分楼层主次梁均沿Y向布置,以便减小主梁高度,增加使用净高,标准层楼板厚110mm.本工程结构嵌固端位于地下室顶板,考虑其承受并传递由地震作用产生的水平力,故其板厚为180mm,板配筋双层双向满布.主要竖向构件截面变化见表1,混凝土强度等级见表2.

本建筑结构采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构三维分析与设计软件SATWE（墙元模型）和建研科技股份有限公司编制的多层及高层建筑三维空间分析软件系统TBSA进行分析计算,计算结果比较合理并符合现行规范要求,有关结构位移和地震力等电算结果见表3～5.

2.基础设计

本工程根据地质情况通过对地基承载力的计算,决定采用梁板式筏形基础.Y向基础梁尺寸为1800×2000,1000×2000,X向基础梁尺寸为900×1800.因筒体内电梯基坑及集水井局部下降的影响,主梁不能正常贯通,并且筒体部位竖向荷载较大,故筒体部位四周2m范围内板厚1.5m,其余部位板厚1.0m.基础计算采用建研院编制的弹性地基梁板基础软件计算.因本建筑主体偏向地下室平面右侧,为减小高低层间基础差异沉降对上部结构带来的危害,在纯地下室与主楼相交部位设置沉降后浇带,后浇带在主楼结构封顶后浇筑,同时在设计中加大后浇带所在跨板的配筋,以抵抗结构后期的不均匀沉降.

四、局部设计的几点考虑

1、本建筑的外框架与内筒间距较大,为14.5m,框架梁端在内筒处负弯矩较大,按常规做法此梁在筒内宜贯通,以平衡梁端的负弯矩,但建筑设在筒内的楼电梯间以及通风和水专业的管道井均使框架梁不能正常贯通,这样在筒体剪力墙上产生较大的平面外弯矩,为此采取以下措施：

（1）加大设于筒体墙内楼层处暗梁截面及配筋,形成加强环梁,通过此环梁,将作用于X向墙体上的平面外弯矩分别传递到Y向各墙上；

（2）与框架梁相交的墙体节点处均设置暗柱,并通过计算配置暗柱内的纵筋和箍筋；

（3）因剪力墙厚450mm,增加梁端凸出部分,以便提高梁端在抗震时的锚固.

2、为减小框架梁的荷载以便减小梁的截面高度,本建筑的次梁均沿Y向布置,这样就加大了次梁的跨度,为控制次梁的挠度和裂缝,在结构布置时尽量将次梁在筒体内贯通,形成三跨连续梁,并通过计算配置梁下部纵筋,满足正常使用的要求.

3、在设计计算过程中发现,X向轴,轴向与剪力墙相交的框架梁,因在同一平面内的剪力墙刚度相对很大,在地震力作用下,与剪力墙相交部位的梁端配筋均超筋,为解决此问题,设计中采取两条途径分别计算：

①在不考虑地震作用时,梁与剪力墙相交处按固结考虑,计算后按结果配置梁端负筋；

②在考虑地震作用时,在满足规范允许的层间位移角限值的情况下,检测设梁与剪力墙相交处出现塑性铰,计算后按结果配置梁跨中正筋.这样既能满足正常使用时的强度要求,又能保证地震作用下的安全.

五、设计体会

（1）按规范要求,框架剪力墙结构的筒体宜设边框梁与边框柱,框架梁在筒内宜贯通,以便加强整体刚度,承受平面外弯矩.本建筑由于方案是香港的建筑事务所设计,港方坚持不设边框梁与边框柱和框架梁在筒体内不贯通的方案.为保证结构安全,特别是在地震作用下,建筑结构具备必要的抗震承载能力,良好的变形能力,对可能出现的薄弱部位,在设计中采取了一些有利的措施,从而弥补了方案的缺陷.

（2）本建筑的次梁均沿Y向布置,且梁高受到限制,经计算,为达到规范要求的挠度和裂缝要求,须配置一定数量的纵筋,以便提高梁的刚度,这样做不仅增加造价,而且要求梁上不宜再有较大的集中荷载.所以在今后的设计中,若楼层允许的情况下,用横向框架方案,次梁沿X向布置综合考虑更合适.

（3）主体结构应尽量位于地下室平面的中部,使质心与形心尽量重合.

六、建筑结构设计的安全问题

关于建筑安全事故是否与结构设计有必然联系,一直是建筑设计界所高度重视的问题.在实际设计中,盲目加大构件截面,增加用钢量成为一种常见的设计方法,造成了不必要的浪费.我国很多钢筋混凝土高层建筑的用钢量,已超过国外同等高度钢结构用钢量.尽管我国设计规范所设定的安全贮备较低,但某些工程的材料用量反而高于国外同类工程.从历史事实来看,自上世纪50年代至今,我国使用的结构设计方法一直没有很大的改变,而50年代所用的混凝土强度很低,其施工手段也很落后,混凝土用体积配合比,人工搅拌,没有振捣器,而施工发生安全事故的却很少.在以前很多大楼等建筑物,使用至今已逾45年,而且都经过了唐山地震影响的考验.这些事实足以证明,建筑安全事故与结构设计安全度是没有连带关系的.

当然,通过对比,我们可以发现,现代的建筑形式已经发生了显著的改变,在更加先进的设计分析手段到施工技术帮助下,在追求以人为本的理念的指导下,相比几十年前,现在的建筑平面和建筑体型更加趋向复杂化,各种超限建筑,不符合传统概念的结构形式也层出不穷,作为一名普通的结构设计人员,应对这些情况,在没有把握的情况下,加大一些截面和配筋,虽情有可原,但仔细分析后往往效果不佳甚至适得其反.

因此,比起之前任何时候,我们都应当更加强调和重视概念设计,结合对计算结果的仔细分析论证,找出结构体系中的薄弱点,与其它相关专业密切配合,“上医医未病之病”,把安全隐患消除在萌芽阶段,比起时候采取各种措施补救,往往效果更好.

本工程方案阶段,建筑曾经考虑采用核心筒偏置于房屋的一角的方案,如果这样做,为了平面的刚度平衡,势必在房屋的另一端要布置较多的剪力墙,既影响使用又增加造价,而且整体扭转效应也比较明显,经过初步分析和讨论,最终决定将筒体移至房屋中部,不但减少了剪力墙,整体刚度也控制在一个比较合理的范围内,计算配筋也有所下降.收到了比较好的效果.

七、结语：

随着人们生活的越来越好和城市化现象的突出,城市建筑越来越高,而高层建筑由于其对结构刚度等各方面要求都很高,所以其设计比一般建筑要复杂.本文以某地区的某高层建筑为例,对高层建筑结构的设计以及出现的问题进行了分析,并给出相应的解决方案,以便相关设计人士提供参考依据.