浅析结构设计在高层建筑中的应用

陶剑

摘 要：国家的经济不断的发展高层建筑也不断的增多，在高层建筑中结构设计尤为重要，确保建筑的安全，本文结合笔者多年的工作经验对高层商住楼设计方面的一些探讨。

关键词：高层建筑； 结构分析； 结构抗扭； 构造处理

1. 结构分析

1.1 结构选型

本工程为商住楼，各部分功能用房分别为地下车库、商业用房、住宅。为满足建筑的使用功能需求，选用框支- 剪力墙结构体系，转换层设置在3 层架空层（即裙房屋面）。该工程为带转换层的复杂高层结构，采用框支梁转换上部住宅的剪力墙。

1.2 抗震设计方面的问题

本工程的大底盘多塔的各塔楼质量和刚度分布不均匀，且在平面布置上又不对称于大底盘，在地震作用下结构扭转振动反应较大。大底盘顶层楼盖起着协同各塔楼共同工作的作用，而转换层设置于该层，故此处也为结构上下刚度突变处。理论分析和试验结果均表明，在地震作用下，裙房顶及上一层是最先破坏且破坏最严重的位置。为保证结构的抗震性能要求，结构整体力学分析与抗震性能分析应选择合理的计算模型，以找出可能出现的薄弱部位，并在设计中采取构造加强措施提高其抗震能力。

1.3 结构整体计算

结构整体动力分析，采用中国建科院开发的SATWE 和TAT 两种不同力学模型程序，TAT 主要作为校核程序。本工程为非对称的多塔结构，由于存在双向偏心，在自由振动条件下结构存在平扭耦连振动。因此，结构计算时，除考虑双向地震作用外，还需要考虑平扭耦连计算结构的扭转效应。本设计采用的计算振型数为45，计算得到X、Y 方向的振型参与质量系数分别为95.3%、97.1%。通过对结构整体空间振动简图与振型图分析可知，结构整体扭转不明显，未出现整体结构扭转振型特征。由于本工程为框支- 剪力墙复杂结构且具有一定的高度，故结构竖向荷载加载方式按模拟施工和一次性加载两者加载模式分别计算。实际结构竖向荷载加载方式与计算模型中单纯的模拟施工和一次性加载均有所不同，故实际配筋取用模拟施工时的计算结果，并参考一次加载计算结果适当予以放大。

1.4 单塔计算

假定裙房与主楼楼板连接薄弱部位发生破坏，裙房与主楼都可以成为独立的抗震单元，在每个单元内部都有足够数量的钢筋混凝土抗震墙，能形成明确的、独立的结构抗侧力体系，保证结构整体安全。三个塔楼单元须各自另建计算模型，作为整体模型计算结果的补充校核，满足“大震不倒”的设计原则。加强转换层下部的结构刚度， 本工程1 ～ 3 栋的转换层上、下结构的等效侧向刚度比分别为0.95、0.97、0.93。

1.5 角柱补充计算

由于角部框支柱受力特别复杂，角部扭转效应明显，因此角柱须按抗震设防烈度提高一度为七度、抗震等级提高为一级进行专门计算一次，提高其抗震能力，确保结构安全，但须注意该结果仅限用于角柱的配筋。

2. 结构抗扭设计

2.1 限制结构的扭转效应

结构的扭转效应应从两个方面加以限制：1）限制结构平面布置的不规则性，避

免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应；2）限制结构的抗扭刚度不能太弱。关键是限制结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期 T1 之比。当两者接近时，由于振动耦连的影响，结构的扭转效应明显。抗震设计中必须采取措施减小Tt/T1 的比值，使结构具有必要的抗扭刚度。由材料力学知识可知，抗扭构件离质心越远，其抗扭刚度越大。针对本工程平面布置情况，在设计中采取了如下措施，以增加其抗扭刚度：

1）剪力墙根据建筑交通核心筒及隔墙的分布情况，按照“均匀、分散、对称、周边”的要求布置，以使结构整体有较好的抗侧移能力和抗扭转能力。尽量加大周边剪力墙的刚度，将上部标准层的角部剪力墙墙肢加长，尽量形成L、Z、T 等形状，内部剪力墙厚度取用200mm， 而将离质心较远处的周边剪力墙厚度增加到240mm， 使质心与刚心的偏心率得到改善。

2）加强建筑物周边结构梁，将凸窗处结构梁加高至窗台面；在各楼层的凸凹不规则处设拉梁，每隔四层在凹口处局部用混凝土拉板连接，增加结构的整体性，以利于传递水平地震作用。

3）剪力墙的门窗洞口上下对齐，形成明确的墙肢和连梁。

4）结构平面突出部位的结构梁予以适当加高，以便于增加结构的整体性。综合应用上述措施，通过多次“建立模型- 试算- 调整模型”的过程，使质心和刚

心尽量重合，有效收敛结构的扭转效应。

2.2 框支梁的平面外抗扭梁设计技术

一般情况下，设计假定剪力墙平面外抗弯刚度为零或很小，框支梁与上部墙体截面中心线宜重合；此时计算模型与结构实际受力状态基本一致，计算结果正确可靠。若框支梁与上部墙体截面中心线不重合，例如建筑物周边的剪力墙偏轴布置在框支梁上，将使框支梁受扭。在框支梁的设计中，框支梁的截面尺寸通常由端部抗剪强度控制，如果再叠加上部剪力墙偏心产生的扭矩，就会导致框支梁在剪力和扭转作用下的剪压比大于限值，对结构安全不利。从结构稳定的角度看，框支梁的失效往往是从梁的受压区失稳、梁侧翻开始的，因此在临界荷载作用下框支梁受到任何初始扭矩都会引起失稳。从概念设计的角度可以设想，一旦遭遇到地震作用，框支梁在侧向大位移的状态下，其平面外扭矩会使框支梁失效，因此必须采取结构技术措施予以解决。

2.3 框支梁平面外抗扭梁的工作原理

要消除框支梁受到偏轴产生的扭矩影响，可以从控制框支梁的关键部位出平面变

形尤其是角变位入手。如果角变位得到控制，也就意味着在一榀框支梁内，各构件本身在与框支梁平面垂直方向上的应力、应变均匀分布，与有限元分析时的平面假定保持一致。克服角变位有效而简单的手段，就是在框支梁受到扭矩集中作用的节点处，沿扭矩方向布置刚度较大的抗扭梁，用以平衡扭矩，控制变形。

2.4 抗扭梁的作用

设置与框支梁垂直的抗扭梁，能有效地抑制框支梁的侧翻转角，相应地减小框支梁受到上部剪力墙偏心布置产生的平面外扭矩带来的附加应力，减少框支梁两端扭- 剪联合作用的程度，使墙- 梁平面假定有限元计算结果更可信。本工程采用的抗扭梁截面尺寸为400x1200、500x1200， 其截面刚度较大，能有效的起到抵抗框支梁平面外扭矩的作用。抗扭梁实际上是一梁多用，它还起到减小楼板跨度，缓解楼板内力，让楼板有更多的储备去抵抗转换层内剪力的作用。

3. 构造处理技术

3.1 大跨度异形板的构造处理

本工程上部住宅采用大开间剪力墙布置方式，留出了很多大尺寸空间以适应住户的不同需求。这些大尺寸空间既可作为宽阔的客厅，又可以灵活隔断，自由分隔为小户型。为了保证空间整体性和适用灵活性，建筑专业要求在这些大尺寸空间中不要布置结构梁，由于其基本上不是方形规整的平面空间，这样就产生了大跨度异形板（跨度从5.7 ～ 6.9m 不等），而该板上可能会布置轻质隔墙，荷载情况较复杂。经计算分析发现异形板内凹的阳角处板面应力集中情况相对突出，故在这些部位的板面须设置双向钢筋以覆盖板面应力集中区域；异形板的异形分界处设置宽度1000mm 的暗板梁；适当增加大跨度异形板厚度。通过以上措施以避免楼板出现裂缝，确保其安全使用性能。

3.2“芯柱”的构造处理

本工程的框支柱受力大而导致截面较大，形成了净高与截面高度之比≤ 4 的柱，而当柱的剪跨比λ=M ∶ Vh ≤ 2 时，该柱成为短柱。当发生地震时，短柱的破坏形态为脆性的剪切受拉破坏，无明显征兆。为提高短柱的抗震性能，可以采取的方法有：1）提高混凝土强度等级，在轴压比不变的前提下相应减小柱截面尺寸，使其成为普通延性柱；2）采用复合螺旋箍筋提高延性；3）采用分体柱变为普通柱；4）采用钢骨砼柱或钢管砼柱提高延性；5）采用芯柱提高延性等。本工程采用“芯柱”的构造措施来加强框支短柱。芯柱的构造方法是在柱截面中部三分之一的核心部位设置纵筋和箍筋，即形成柱内部加强区域，从而形成柱的内、外两套配筋体系；芯柱的附加纵筋面积按柱截面面积的0.8%取用，该钢筋不计入柱的配筋率内。芯柱的作用原理：弯矩对核心区钢筋的影响小，利用柱周边钢筋抵抗柱承受的弯矩作用，即使混凝土保护层开裂剥落，周边钢筋和混凝土的粘结削弱，而中部芯柱的钢筋和混凝土之间仍具有良好的粘结作用，芯柱部位的钢筋不会发生压曲；即使外围混凝土失效，核心钢筋形成的芯柱仍能抵抗竖向荷载。在遭到罕遇大地震时，采用“芯柱”的构造措施，既可以提高短柱的受压承载力，又可以提高其压缩变形能力，即提高了短柱的延性和耗能能力，相当于对受力不利的短柱增加了一道防护措施，有效地改善了它的抗震性能，确保其在大震时的

安全。

4. 基础设计

在高层建筑中对基础设计中应当考虑建筑场地的地质问题、上部结构的类型、施工条件、使用要求, 确保建筑物不应发生过量沉降或倾斜, 满足建筑物正常使用要求；还应注意与相邻建筑的相互影响, 了解附近地下构筑物及各项地下设施的位置和标高, 保证安全。本工程的基础采用机械钻孔嵌岩灌注桩，桩端持力层为中风化泥质粉砂岩。该岩层的饱和单轴抗压强度标准值frk=6.45MPa。根据地质报告及前期工程桩检测结果估算，桩径800钻孔桩进入中风化泥质粉砂岩1.0倍桩径，单桩竖向承载力特征值为4500kN。本工程框支柱轴力较大，如采用大直径桩（1400桩径），当地桩基施工单位没有大直径的钻头，且采用大直径桩如出现断桩或承载力达不到设计要求时补桩较为困难。故框支柱下采用多桩承台布置，施工方便，安全可靠。其余落地剪力墙则采用墙下条形承台梁布置，传力直接，安全有保障。按单桩承载力确定桩数时, 传至承台底面的荷载效应采用正常使用状态下荷载效应的标准组合，相应的抗力应采用单桩承载力特征值。计算地基变形时, 传至基础地面的荷载效应采用正常使用的极限状态下荷载效应的准永久组合, 不计入风荷载和地震作用。