阐述某工程高层建筑结构设计

孔伟珊

摘要：结合该工程超限高层的建筑结构设计，详细介绍了工程结构布置、结构计算和结构关键部位的确定原则，给出了相应计算分析结果。计算结果表明，工程在多遇地震作用下的多个抗震性能指标均能满足相关规范的要求，结构能达到小震不坏，中震可修和大震不倒的抗震设防标准。该工程的设计思路可供工程设计人员参考。.

关键词：高层建筑；工程抗震；结构设计

1、工程概况

该工程总建筑面积为60718m2，属于大底盘双塔楼复杂高层结构。主体建筑高99.13m，建筑层数34层，要求在29.5m×60.3m，空间内不设结构柱，并且大宴会厅屋面设置为网球场及游泳池。1号楼为大公寓办公楼，共20层，总高98.1m；2号楼为酒店主楼，共28层，总高为97.6m。建筑基本风压取tO。=0.94kN/m2，地面粗糙度为B类，抗震烈度为7度，设计地震分组为一组，场地类别Ⅱ类。

2、结构超限认定及采取的措施

2.1 超限认定

由于建筑功能复杂，为满足建筑底部大空间的需要。工程采用框支剪力墙结构体系，转换层设在5层，采用梁式转换，屬于高位转换。转换层以上为双塔结构，其酒店主楼为错层结构，主体建筑高度99.1m，因此该工程属于错层、超高、超限的复杂高层建筑结构。

2.2 错层

由于各功能区的层高要求各不相同，且在同一个功能区还有跃层、错层等要求。造成工程的层高非常复杂。为了真实地模拟这种层高的变化，在建立结构分析计算模型的时候，对裙房以上两主楼采用SATWE多塔进行定义，以解决两主楼各自层高不同问题。对同一塔楼内结构错层，按实际层高建模，对错层楼板均设为弹性膜，真实计算楼板平面内刚度。

2.3 高位转换

高位转换在我国现行的相关结构设计规范及规定中规定属于超限结构。在结构的弹性工作阶段，转换层以上的框支剪力墙与转换层以下的落地剪力墙所承担的水平地震力的大小基本相当，转换层以下的剪力绝大部分由落地剪力墙承担，此时的框支柱承担的水平剪力很小。而结构进入弹塑性工作阶段，一般是落地剪力墙首先出现裂缝或塑性铰进入塑性工作状态，其具体表现为落地剪力墙的水平抗侧刚度降低，落地剪力墙所承担的水平地震剪力向框支柱转移，此时框支柱就成为了整个结构中的薄弱部位。对高位转换结构而言，更是如此，因此在高位转换层结构设计时，应该对框支柱的抗震性能及其延性设计更加重视。本工程具体采用以下加强措施：①增大核心筒及落地剪力墙的墙厚度，以加大核心筒和落地剪力墙的水平抗剪能力；②采用型钢混凝土框支柱，以改善框支柱的延性及其他抗震性能；③调整计算模型，使得在水平地震荷载作用下，结构的转换层上下及相邻层的相对位移角尽量无突变，水平变形曲线尽量平滑。

2.4 预应力型钢混凝土梁

本工程对跨度在20m的梁，采用预应力混凝土结构，对屋面跨度30ta梁采用预应力型钢混凝土，具体做法如下：

（1）采用1860级有粘结低松弛钢绞线与无粘结钢绞线束混合配置，混凝土强度达到C30时，开始张拉，张拉控制应力为1302MPa，采用双控，超张拉3%，端锚具采用夹片锚，固定端锚具采用挤压锚。

（2）20m跨度预应力混凝土梁，梁截面为500×1500，采用预应力束29束，其中有粘结21束，无粘结8束仅用于提高抗裂，不参与强度验算。

（3）30m跨度预应力型钢混凝土梁，梁截面为600111111 x 1600mm，型钢采用工字钢，钢梁腹板高度1400ram，钢板厚度16mm；翼板宽度400ram，钢板厚度30mm；因强度要求已满足，采用预应力束20束，均为无粘结束，仅用于提高抗裂，不参与强度验算。

3、结构计算及抗震技术措施

3.1 利用程序软件进行结构整体及局部分析

本项目采用SATWE、PMSAP进行整体计算，并采用ETABS进行复核。对转换粱及框支柱采用FEQ进行复核配筋，预应力采用PREC进行计算配筋，采用PMSAP进行弹性动力时程分析。

3.2 本工程实际采用的主要抗震技术措施

（1）本项目属于平面及竖向均不规则的结构，因此在结构平面布置时，力求竖向构件尽可能地均匀布置，以减少结构的整体扭转效应。

（2）框支层及以下各层均为结构的薄弱层，在进行结构设计时必须进行概念性加强，提高框支柱的抗震性能及其延性，如对框支柱与落地剪力墙的弯矩与剪力调整，框支柱的轴压比按0.55进行控制，框支柱纵向钢筋的配筋率提高到1.20%一1.40%，框支柱箍筋的体积含箍率提高到1.50%等。在设计落地剪力墙的分布钢筋时，考虑到本项目为高位转换结构分布钢筋配筋率取为0.3%～0.4%，以提高落地剪力墙自身的抗震性能和延性，减轻端部暗柱负担。

（3）剪力墙从正负零至转换层以上两层墙体都定义为加强区，分布筋的配筋率也取为0.3%一0.4%，框支柱部分纵筋上升到上一层剪力墙。

（4）连梁以低连梁为主。以弯曲变形为主的长梁视为普通框架梁。为了确保作为耗能元件的连梁的延性，在辅助计算和构造上实现强剪弱弯，强压弱拉等设计原则，部分连梁增设暗撑进行加强。

（5）框支梁能较好地和上郝墙体共同工作，按有关规范设计即可。为安全起见，按照转换大梁的设计方法，对其剪压比作适当控制，取0.10～0.15。

3.3 结构计算的主要结果

3.3.1 SATWE和PMSAP分析结果：SATWE和PMSAP的主要计算结果如表l所示。

从表1可以看出：

（1）第一及第二周期均为平动周期，第三周期为扭转周期，第三周期与第一周期的比值均小于0.90，满足《高规》要求，表明结构布置合理。

（2）结构在计算地震作用下，双向地震作用下楼层的最大位移与该楼层平均位移的比值均小于1.5倍限值，满足规范要求。最大位移满足规范1/800之规定，且接近规范限值。x向及l，向位移接近，显示整体结构刚度合理，布置均匀。

（3）根据《高规》中计算转换层上、下结构侧向刚度比的计算公式，本工程均满足规范要求。

（4）从SATWE与PMSAP两种程序计算的比较来看，周期、层问位移、地震力等指标均比较接近，未发现异常情况，说明计算结果可靠，可作为设计依据。

3.3.2 弹性动力时程分析结果

根据结构特点，选择了两条人工波和两条自然波，对该结构进行弹性动力时程分析。计算结果表明，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值均不小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%，满足规范要求。根据楼层位移角包络曲线，结构在5层和22层出现位移突变。5层为结构转换层，22层及以上为建筑楼层高度变化处，表明计算结果与建筑功能变化相一致，能反映工程实际受力状况。针对这种位移突变，设计时对4—6层及20一23层通过调整剪力墙体数量、剪力墙体厚度、连梁高度等方法控制层间刚度，并提高了该部位剪力墙配筋率等方法进行加强处理。

4、设计体会

（1）通过对空间结构分析和平面有限元分析计算结果的对比分析，空间结构分析方法对结构内力分布的计算更接近实际，而平面有限元的分析方法对框支梁的计算结果偏于保守的，过大地估计了转换梁的内力，势必会加大构件截面和配筋。

（2）通常在高层建筑结构分析中，楼板面内刚度无限大是一个重要假定，直接影响着层间剪力在各个墙、柱之间的分配方式。而对于楼板开大洞以及错层的情况，采用这一假定计算结果误差较大，应采用实际情况采用弹性楼板假定。

（3）建筑功能和造型的要求，使得本工程成为复杂高层结构，但在设计中已注意到其薄弱部位和重要环节，采取了相应的计算分析和加强措施，使结构具有较好的抗震性，相关指标均能够满足规范要求。

参考文献：

[1]王亚勇，戴国莹.建筑抗震设计规范疑问解答[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[2]张维斌.钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社。2008.

[3]陈岱林，李云贵，魏文郎.多层及高层结构CAD软件高级应用【M].北京：中国建筑工业出版社。2008.

孔伟珊

摘要：结合该工程超限高层的建筑结构设计，详细介绍了工程结构布置、结构计算和结构关键部位的确定原则，给出了相应计算分析结果。计算结果表明，工程在多遇地震作用下的多个抗震性能指标均能满足相关规范的要求，结构能达到小震不坏，中震可修和大震不倒的抗震设防标准。该工程的设计思路可供工程设计人员参考。.

关键词：高层建筑；工程抗震；结构设计

1、工程概况

该工程总建筑面积为60718m2，属于大底盘双塔楼复杂高层结构。主体建筑高99.13m，建筑层数34层，要求在29.5m×60.3m，空间内不设结构柱，并且大宴会厅屋面设置为网球场及游泳池。1号楼为大公寓办公楼，共20层，总高98.1m；2号楼为酒店主楼，共28层，总高为97.6m。建筑基本风压取tO。=0.94kN/m2，地面粗糙度为B类，抗震烈度为7度，设计地震分组为一组，场地类别Ⅱ类。

2、结构超限认定及采取的措施

2.1 超限认定

由于建筑功能复杂，为满足建筑底部大空间的需要。工程采用框支剪力墙结构体系，转换层设在5层，采用梁式转换，属于高位转换。转换层以上为双塔结构，其酒店主楼为错层结构，主体建筑高度99.1m，因此该工程属于错层、超高、超限的复杂高层建筑结构。

2.2 错层

由于各功能区的层高要求各不相同，且在同一个功能区还有跃层、错层等要求。造成工程的层高非常复杂。为了真实地模拟这种层高的变化，在建立结构分析计算模型的时候，对裙房以上两主楼采用SATWE多塔进行定义，以解决两主楼各自层高不同问题。对同一塔楼内结构错层，按实际层高建模，对错层楼板均设为弹性膜，真实计算楼板平面内刚度。

2.3 高位转换

高位转换在我国现行的相关结构设计规范及规定中规定属于超限结构。在结构的弹性工作阶段，转换层以上的框支剪力墙与转换层以下的落地剪力墙所承担的水平地震力的大小基本相当，转换层以下的剪力绝大部分由落地剪力墙承担，此时的框支柱承担的水平剪力很小。而结构进入弹塑性工作阶段，一般是落地剪力墙首先出现裂缝或塑性铰进入塑性工作状态，其具体表现为落地剪力墙的水平抗侧刚度降低，落地剪力墙所承担的水平地震剪力向框支柱转移，此时框支柱就成为了整个结构中的薄弱部位。对高位转换结构而言，更是如此，因此在高位转换层结构设计时，应该对框支柱的抗震性能及其延性设计更加重视。本工程具体采用以下加强措施：①增大核心筒及落地剪力墙的墙厚度，以加大核心筒和落地剪力墙的水平抗剪能力；②采用型钢混凝土框支柱，以改善框支柱的延性及其他抗震性能；③调整计算模型，使得在水平地震荷载作用下，结构的转换层上下及相邻层的相对位移角尽量无突变，水平变形曲线尽量平滑。

2.4 预应力型钢混凝土梁

本工程对跨度在20m的梁，采用预应力混凝土结构，对屋面跨度30ta梁采用预应力型钢混凝土，具体做法如下：

（1）采用1860级有粘结低松弛钢绞线与无粘结钢绞线束混合配置，混凝土强度达到C30时，开始张拉，张拉控制应力为1302MPa，采用双控，超张拉3%，端锚具采用夹片锚，固定端锚具采用挤压锚。

（2）20m跨度预应力混凝土梁，梁截面为500×1500，采用预应力束29束，其中有粘结21束，无粘结8束仅用于提高抗裂，不参与强度验算。

（3）30m跨度预应力型钢混凝土梁，梁截面为600111111 x 1600mm，型钢采用工字钢，钢梁腹板高度1400ram，钢板厚度16mm；翼板宽度400ram，钢板厚度30mm；因强度要求已满足，采用预应力束20束，均为无粘结束，仅用于提高抗裂，不参与强度验算。

3、结构计算及抗震技术措施

3.1 利用程序软件进行结构整体及局部分析

本项目采用SATWE、PMSAP进行整体计算，并采用ETABS进行复核。对转换粱及框支柱采用FEQ进行复核配筋，预应力采用PREC进行计算配筋，采用PMSAP进行弹性动力时程分析。

3.2 本工程实际采用的主要抗震技术措施

（1）本项目属于平面及竖向均不规则的结构，因此在结构平面布置时，力求竖向构件尽可能地均匀布置，以减少结构的整体扭转效应。

（2）框支层及以下各层均为结构的薄弱层，在进行结构设计时必须进行概念性加强，提高框支柱的抗震性能及其延性，如对框支柱与落地剪力墙的弯矩与剪力调整，框支柱的轴压比按0.55进行控制，框支柱纵向钢筋的配筋率提高到1.20%一1.40%，框支柱箍筋的体积含箍率提高到1.50%等。在设计落地剪力墙的分布钢筋时，考虑到本项目为高位转换结构分布钢筋配筋率取为0.3%～0.4%，以提高落地剪力墙自身的抗震性能和延性，减轻端部暗柱负担。

（3）剪力墙从正负零至转换层以上两层墙体都定义为加强区，分布筋的配筋率也取为0.3%一0.4%，框支柱部分纵筋上升到上一层剪力墙。

（4）连梁以低连梁为主。以弯曲变形为主的长梁视为普通框架梁。为了确保作为耗能元件的连梁的延性，在辅助计算和构造上实现强剪弱弯，强压弱拉等设计原则，部分连梁增设暗撑进行加强。

（5）框支梁能较好地和上郝墙体共同工作，按有关规范设计即可。为安全起见，按照转换大梁的设计方法，对其剪压比作适当控制，取0.10～0.15。

3.3 结构计算的主要结果

3.3.1 SATWE和PMSAP分析结果

（1）第一及第二周期均为平动周期，第三周期为扭转周期，第三周期与第一周期的比值均小于0.90，满足《高规》要求，表明结构布置合理。

（2）结构在计算地震作用下，双向地震作用下楼层的最大位移与该楼层平均位移的比值均小于1.5倍限值，满足规范要求。最大位移满足规范1/800之规定，且接近规范限值。x向及l，向位移接近，显示整体结构刚度合理，布置均匀。

（3）根据《高规》中计算转换层上、下结构侧向刚度比的计算公式，本工程均满足规范要求。

（4）从SATWE与PMSAP兩种程序计算的比较来看，周期、层问位移、地震力等指标均比较接近，未发现异常情况，说明计算结果可靠，可作为设计依据。