结合工程实例浅谈高层建筑结构设计存在几个问题

陈宏杰

摘要：文章结合工程案例谈高层建筑结构设计中采用了设缝等构造措施并调整抗侧力结构布置，较好地满足了结构设计要求，实现了建筑与结构的统一。

关键词：扭转效应；防震缝；嵌固端；刚度比；结构设计

中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0136-02

一、工程概况

该工程位于广东佛山，工程按功能共分三个部分：（1）该工程由三层商铺，开间商办楼北部为8.5 m，南部为7.0 m，进深为15 m；（2）商铺上部的办公楼，共6层；（3）高层办公主楼，为圆弧形平面，在4-8层以连廊与商办楼相连。多层部分总高为23.8 m，高层部分16层总高为59.6 m，属高层一类。

建筑抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05 g，基本风压0.45 kN/m，场地粗糙度B类。多层部分为框架结构，高层部分为框架一剪力墙结构。

（一）基础设计

1．地基土构成与特征。根据岩土工程勘察报告，建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.45 S，地基土层分布情况及特性如下：

（1）-1层素填土，层厚约0.8m～1.9 m；

（2）-2层淤泥，层厚约2.0m～2.3 m；

（3）层粉土，层厚约2.8m～5.8 m；

（4）层粉砂类粉土，层厚约4.9m～7.1 m；

（5）层粉砂～细砂，层厚约2.7m～4.6 m；

（6）层粉砂类粉土，层厚约6.5m～7.6 m；

（7）层粉质粘土，层厚约9.7m～10.5 m；

（8）层粉土类粉质粘土，层厚约12.0m～13.10 m；

（9）层粉砂类细砂，中密为主、未钻透。抗浮设计水位建议取85国家高程3.5 m。

（二）基础方案

多层：（1）～（13）轴采用梁板式筏基（地梁600mm×1200 mm，筏板500 mm），天然地基，持力层位于②层土上，地基承载力特征值fak= 145 kPa。高层：（14）～（G1）轴地基基础设计等级为乙级，采用桩筏基础，桩采用 φ600钻孔灌注桩，有效桩长30 m，桩端持力层为（z）层土，桩端进入持力层≥1.2 m，筏板厚1.2 m。

（三）沉降控制

经初步设计调整的建筑方案，在（13）轴处设一道变形缝（缝宽100 mm，三缝合一）。由于（1）～（13）轴仍然超长，故设一道后浇带。此部分为天然地基，计算沉降值如图1所示，结构封顶时实测沉降值为2.5 cm。

（14）～（G1）轴的部分为桩基。由于建筑使用功能的需要，主楼与裙楼的地下室部分连成整体不设缝，造成结构超长、主群楼沉降量也不同，这些因素在设计中均需予以考虑。笔者在（14）～（G1）轴主楼与裙楼相接处设一道后浇带。确定主楼与裙楼之间设置沉降后浇带位置后，将主裙楼底板分开单独计算及从整体联合计算对比考虑，严格控制其绝对沉降量、沉降差以及桩群重心与上部荷载重心的偏心距。沉降及基础底板计算采用PK—PM系列基础程序计算。程序对底板的计算按照有限元理论进行，只要底板具有足够的刚度，可以认为按照主裙楼整体计算结果设计是合适的，计算沉降值见图1。结构封顶时实测主楼沉降值为3.0 cm，主裙楼基础底板无开裂情况。

施工过程中沉降观测结果表明，设计是合理的。

（四）止水带处理

（13）轴变形缝处地下室通道止水带处理：设置两道耐变性能良好的CB型橡胶止水带，宽度大于等于350 mm，厚度大于等于8 mm，且控制沉降以满足规范要求。

二、上部结构设计

（一）结构超长

由于建筑体型限制及立面要求，结构只在（13）轴设置了一道变形缝。（1）～（13）轴裙楼总长65m，超过规范限制的温度区段长度。结构设计时在（1）～（13）轴选取合适位置设置后浇带，在楼板中掺人适量微膨胀剂，在后浇带中设置加强钢筋。

（二）结构不规则

（1）～（13）轴1-4层（8）～（9）轴横向仅有1Om相连，形成薄弱部位，按不规则结构考虑且此段板考虑加厚，梁加强，抗震造按提高一个等级加强。

（三）结构抗扭

在初步设计阶段建筑方案中，（13）轴未设变形缝，建筑平面复杂，平、立面很不规则，圆弧变化较多，结构的扭转效应比较突出。从结构角度看高层建筑设置“三缝”，可以解决产生过大变形和内力的问题，但却又产生许多新的问题。设缝时应将建筑结构划分为独立的结构单元。基于这种思路，笔者通过试算即先按建筑方案（1）～（G1）轴连成整体计算，由SATWE程序计算，计算结果见表1：

对照《高层建筑混凝土结构技术规范》第4.3.5条：“考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层问位移，A级高度建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。”表1中此值为1.73，不满足规范要求，因此，需调整建筑方案。经与建筑方协商同意只在（I3）轴处设一道变形缝，此缝“三缝”合一将建筑结构划分为两个独立的结构单元，如图2所示。其中A单元（1）～（13）轴为多层框架结构；B单元（14）-（G1）轴高层局部带裙楼为框架一剪力墙结构。

B单元（14）～（G1）轴高层局部带裙楼，此部分建筑平面复杂，圆弧变化较多，结构的扭转效应仍然比较突出。对于框架一剪力墙结构而言，剪力墙的布置对控制扭转起决定作用。在结构设计中主要按照下面原则进行：剪力墙布置宜均匀、分散、对称，通过调整结构构件的刚度，减少刚心与质心的偏心距，从而减轻扭转效应；保证楼板刚度，大洞口的两侧或楼板刚度变化处宜布置剪力墙，提高结构的抗扭承载力。根据上述原则经多次试算调整剪力墙的位置、墙开洞大小、加强剪力墙与框架间楼板厚度、增加外围构件的配筋。B单元用SA E程序计算，最后调整结果见表2。由表2可看出，各项指标均能满足规范要求。

B单元为框架一剪力墙结构，其内力按弹性方法算得，并假定楼板的刚度无限大，剪力墙将承担绝大部分水平力，框架受力很小，在横向水平地震作用下，剪力墙起初承受很多水平力，墙体开裂后，刚度降低，随即将一部分水平力让给框架，使框架承受的水平力大于按弹性计算的结果。为确保安全，各层框架总剪力规范作了具体规定，程序也由此调整选项。规范条文见《高层建筑混凝土结构技术规范》第8.1.4条之内容：框架一剪力墙结构对应于地震作用标准值的各框架总剪力应符合下列规定：

1．满足（8.1.4）式要求的楼层，其框架总剪力不必调整；不满足（8.1.4）式要求的楼层，其框架总剪力应按O.2V0和1.5Vfmax二者的较小值采用。

Vf≥ O.2V0（8.1.4）

2．各层框架所承担的地震总剪力按本条第l款调整后，应按调整前、后总剪力的比值调整每根框架柱和与之相连框架梁的剪力及端部弯矩标准值，框架柱的轴力标准值可不予调整。

3．按振型分解反应谱法计算地震作用时，本条第l款所规定的调整可在振型组合之后进行。

（四）计算模式

本工程有一层地下室，地下室可作为一层框架与上部结构一同输入，也可将地下室顶板作为上部结构的嵌固部位。当采用后一种模式时规范对地下室刚度有具体要求，见《建筑抗震设计规范》第6.1.14条。笔者采用地下室顶板为上部结构的嵌固端计算模式，表2即是按此模式计算的结果。

三、结语

综上所述，结构结构扭转效应明显的不利情况，合理布置剪力墙并采用适当的程序计算控制各指标，在构造上适当加强。