高层办公建筑结构设计实例

摘 要：本文就高层办公建筑结构设计实例进行了分析,结合了具体的工程实例,详细阐述了高层办公建筑的结构设计,并对针对弹塑性作了深入分析,以期能为高层办公建筑的结构设计提供参考.

关 键 词：高层办公建筑；结构设计；弹塑性

0前言

高层建筑在全球的出现和发展已经有了很长的历史,随着我国经济状况和建筑技术的发展,我国迎来了高层建筑的快速发展时期.而高层办公建筑逐渐发展为了一种成熟而独立的建筑体系,但是由于人们对于建筑的创新设计是不会停止的,所以高层办公建筑新类型、新形势的设计也受到了人们的普遍关注.本文就高层办公建筑结构设计实例进行了分析,并结合了具体的工程实例,以期能为高层办公建筑的结构设计提供参考.

1工程概况

据测量,某高层办公建筑总建筑面积为13568m2,地上12层,地下1层,建筑总高度41m,檐口高度38.9m,1层层高为3.3m,2层层高为3.2m,顶层层高为5.4m,标准层层高为3.0m.本工程建筑场地类别为Ⅲ类场地,设计地震分组为第一组,特征周期为0.45s,设计地震基本加速度为0.05g.基本风压为0.55kN/m2,地面粗糙度类别为B类.

本工程为办公楼,布局简洁大方,除个别房间为较大空间的会议室外,其余房间多是标准的办公室用房.这种较规则的建筑平面设计,为砌块结构的使用带来便利.本建筑结构采用配筋砌块剪力墙结构.虽然对于本工程,190mm厚砌块（简称190砌块）也能满足设计要求,但为研究配筋砌块建筑在更大高度上的应用,探索290mm厚砌块（简称290砌块）的工程实际使用,提高建筑物使用中的舒适性,在设计中使用了290mm厚系列砌块.本工程现已经完工,使用效果较好.

本工程基础形式为灌注桩基础,除上部结构自重较钢筋混凝土结构稍大外,基础设计并没有特殊的要求

2结构设计

2.1建筑材料

本建筑为纯剪力墙结构,按砌块整浇墙结构要求进行设计和施工,砌块采用290砌块和190砌块两种,孔洞率分别为53%和45%,其中290砌块的基本块型见图1,特殊块型.

工程外墙使用290砌块,内墙使用190砌块.灌芯混凝土采用Cb40,圈梁及楼板混凝土采用C30.墙体的强度及弹性模量换算见表1,其中MU20砌块、Mb20砂浆的墙体强度大致对应C24～C26,弹性模量大致对应C15～C18.

2.2振动特性

采用SATWE软件进行弹性分析,剪力墙采用基于壳元的墙元模拟.从本建筑前3阶振型对应的自振周期可以看出,第1阶振型自振周期在0.8s左右,总体刚度较大.扭转周期与最大平动周期比值为0.76,符合相关规范不大于0.9的限值要求.

2.3风荷载及多遇地震作用下弹性分析

风荷载及多遇地震作用下的最大层间位移角,其中地震作用下的位移值采用反应谱法及时程分析法计算.地震波采用ElCentro,PEL_180,LWD_DEL三条天然地震波及一条人工波.

风荷载作用下的反应较地震作用下的弱,风荷载作用下Y方向反应相对较强,最大层间位移角达到1/4904,但远小于地震作用下反应谱法计算得到的1/2985,主要原因是本办公楼整体刚度较大,相应的地震作用较强；地震作用下,尽管X方向反应更强些,反应谱法计算的最大层间位移角达到1/2466,也远小于砌体规范规定的1/1000.

2.4抗倾覆等各项验算

（1）结构整体抗倾覆及稳定性验算：整体抗倾覆验算可知道整体稳定余量较大,未出现零应力区.

（2）剪重比：本建筑第1周期小于3.5s,最小楼层剪力应不小于该层以上累计地震质量的0.8%.经验算,X方向最小的剪重比为1.18%,Y方向最小的剪重比为1.19%,均满足大于0.8%的限值要求.

（3）结构规则性：本建筑的扭转比验算中,在X方向各楼层最大层间位移与平均值的比值均小于1.2,Y方向大于1.2,但小于1.4,需要考虑扭转的影响；各楼层抗侧刚度比较均匀,未出现本层与上层刚度比不足0.7的情况,X向楼层刚度比最小值为0.87,满足要求.

2.5块型组合

2.6墙体配筋

根据SATWE计算的内力设计值,按砌体规范编制电子表格进行配筋计算,水平钢筋设置在连系梁块肋上的槽口内,箍筋需设置在砂浆灰缝中,不允许箍筋重叠.钢筋的连接采用搭接的方式,上下钢筋不对齐时,利用钢筋混凝土圈梁作为上部钢筋的锚固点.

一字形墙肢上与墙肢垂直的钢筋混凝土梁需要按简支梁设计,因为配筋砌块墙的钢筋放置在靠近中部位置,不能对梁端产生很好的约束.本建筑中其他钢筋混凝土构件的设计,与钢筋混凝土结构并无太大差别.

3弹塑性分析

《建筑抗震设计规范》（GB50011―2010）并没有对此类房屋作弹塑性验算的要求,但由于配筋砌块建筑相对于其他形式建筑较少,设计经验相对欠缺,故对本建筑进行了弹塑性验算,以了解其在罕遇地震作用下的反应,找出薄弱环节,提出解决措施.

3.1灌芯砌块砌体的设计强度

砌体规范对灌芯砌块砌体设计强度的规定,主要是基于190砌块的,其孔洞率大约在45%,而290砌块,孔洞率可以达到53%,甚至更高,意味着砌块壁更薄,灌芯混凝土所占比重加大,既有关于砌体强度的计算公式是否适用需要研究.

3.2材料本构关系及恢复力模型

采用PKPM/EPDA软件进行分析.由于目前PKPM/EPDA尚无灌芯砌块砌体的本构关系,进行弹塑性分析时钢筋和灌芯砌块的本构模型用混凝土模型近似代替.

近年来,为研究高层配筋砌块剪力墙结构的性能,推广290砌块的使用,某大学进行了一系列试验研究,从基本的材料本构关系到墙片的伪静力试验.PKPM/EPDA中的材料模型,正是依据上述试验结果加以修正得到的.

PKPM/EPDA将SATWE程序中使用的弹性墙单元进行了推广,给出了开洞剪力墙“宏单元”模拟方法.该方法采用非线性壳单元模拟剪力墙,通过分块积分考虑剪力墙开洞.非线性壳单元由提供平面内刚度的非线性膜单元和提供平面外刚度的板单元组合而成.

3.3弹塑性分析结果

利用PKPM/EPDA分析,用混凝土材料的本构关系代替灌芯砌块时,对材料的强度与弹性模量做了相应处理,即混凝土标号按弹性模量与灌芯砌块砌体的相对应的等级取用,如MU20,Mb20组成的砌体按C18输入（二者弹性模量相同）,以保证结构的变形符合实际的情况,使各构件的内力值也更准确.在验算轴压比等与材料强度相关的信息时,需要注意调整材料强度所带来的影响,上述C18需转换成与MU20,Mb20砌体强度值相同的C26才可以.所得建筑物在各地震波下的总体侧移及最大层间位移角.

各条地震波作用下的X向和Y向结构最大层间位移角数值,其最大反应为ElCentro波作用下的X向,数值达到1/824,远小于抗震规范规定的限值1/120.

4结语

综上所述,高层办公建筑随着我国城市的发展也越来越多的出现,而对于其的结构设计成为了现在主要的建筑设计之一.本文就高层办公建筑结构设计实例进行了分析,针对性地研究分析了有关抗震性、弹塑性等设计问题,并提出了一些施工措施,相信对类似建筑的设计能起到一定的帮助.