浅析高层建筑结构设计要点

2015-12-29张俊华

建材与装饰 2015年1期

关键词：连梁剪力剪力墙

张俊华

（重庆宏筑建筑设计有限公司重庆渝北 400021）

浅析高层建筑结构设计要点

张俊华

（重庆宏筑建筑设计有限公司重庆渝北 400021）

随着科学技术水平的不断提升，我国建筑工程设计行业呈现出了新的发展特点。高层建筑由于整体高度较高、结构形式复杂以及受到较大的侧向载荷等原因，其设计过程需要考虑的因素较多，这使得当前在高层建筑的设计中还存在着值得探讨的问题。本文探讨了当前高层建筑设计中存在的问题，阐述了高层建筑结构设计合理性控制要点，并通过设计实例进行了验证，具有一定借鉴价值。

高层建筑；结构设计；存在问题；解决措施

引言

随着我国城市化进程的不断加快，我国的建筑行业得到飞速发展，人们对于高层建筑的质量要求也越来越高，由于其结构设计的规范与否直接决定着高层建筑质量的优劣，所以结构设计在建筑工程中显得尤为重要。所以当务之急就是尽快地提高行业内高层建筑结构的设计能力，抓住其特点，遵循设计原则，寻求创新与突破。

1 当前高层建筑结构设计中出现的问题

随着高层建筑的不断兴建，我国很多高层建筑的结构设计中都暴露出了一些问题，给高层建筑的建设带来了不利的影响。

1.1 高层建筑结构设计抗侧力问题

与多层建筑相比，高层建筑在高度和层数上都有一个明显的突破。从结构设计的角度，高层建筑与多层建筑在设计方法以及设计原理上基本是一致的。两者的区别主要体现在水平荷载作用上，高层建筑的结构材料必须能够抵抗更大的水平荷载，对于高层建筑特别是带高位转换层、多塔楼和大底盘的高层建筑，都很容易在抗侧力结构上出现问题。

1.2 高层建筑基础结构设计问题

高层建筑的地基基础设计要求很高，有很多高层建筑的地基基础设计没有对荷载进行全面的考虑，在地基基础设计中，没有进行冲切、抗剪和抗弯的处理。在进行局部填土、隔墙设置等设计环节都没有对荷载偏心的影响进行考虑。

1.3 高层建筑轴压比控制问题

轴压比的限制比在高层建筑中有着严格的规定，很多高层建筑的设计难以满足轴压比的规范要求，很多构件的截面受到了限制。轴压比的限制对高层建筑的质量会产生很大的影响。

1.4 高层建筑连梁结构设计问题

高层建筑的连梁设计包括截面的尺寸、剪压比的限制、连梁的剪力设计取值等等。如果高层建筑中对连梁的设计不准确，截面高度过大，跨度过小，就会影响高层建筑的抗震效果。一旦发生地震，连梁的剪力和弯矩过大，难以达到相应的抗震规范，影响高层建筑的使用安全。

2 高层建筑结构设计合理性控制要点研究

2.1 高层建筑基础结构设计合理性控制

（1）当高层建筑的设计中有地下室这一内容时，要对荷载进行全面的考虑，地下室的外挑部分、局部填土、停车、水池等都会受到荷载偏向的影响。

（2）在对筏基和箱基的梁板配筋进行计算时，必须对底板上直接作用的梁板自重和荷载进行相应的扣除，当箱筏的四边边区格和四角的地基反应力过大的时候要对其进行加强配筋。

（3）如果高层建筑的地面有中庭设计，就必须对基础底沿的轴线上进行基础梁的设置。在使用倒梁法进行内力分析时，不到顶的中间柱是不能够作为支点的，在进行集中荷载计算时必须同时计算柱底反力。

（4）在对箱基进行结构设计时，要注意对洞口上下的连梁进行考虑，验算其截面面积，如果洞口大小或者位置出现修改，要对连梁抗剪强度和抗弯进行复核。

（5）如果采用的整体筏基和箱基的设计，就要对其桩土进行考虑，桩土的共同工作会产生一定的影响。在对基础底板进行计算时，要对桩土共同作用的状态或桩沉降状态下的地基反力进行考虑。

2.2 高层建筑轴压比设计合理性控制

一般来说提高混凝土的强度是对高层建筑轴压比进行控制的直接方法。如果还不能达到相关标准，还可以使用其他方法来对轴压比进行控制。

（1）混凝土的变形能力受到柱的箍筋的影响，因此可以通过对混凝土的横向变形进行约束，来对裂缝的扩展进行延缓，并对截面抗剪能力进行提高。增大配箍率、使用合适的配箍形式都可以实现结构延性的提高。在设计时，如果采用井字复合箍进行沿柱全高，且保持箍筋的直径、间距和肢距，一般来说直径在8mm以上，间距在100mm以内，肢距在100mm以内。如果采用复合螺旋箍进行沿柱全高，则要保证8mm以上的箍筋直径，100mm以内的螺距和100mm以内的肢距。

（2）在弹性模量方面，钢筋的弹性模量高于混凝土6倍有余，如果配置了较多的纵向钢筋在柱中，有余轴向压力的影响，钢筋会承担更多的压力，从而降低混凝土承担的压力。在设计中可以在柱截面中部加入附加芯柱，另加的纵向钢筋的总面积不少于柱截面面积的0.8%都必须加入纵向钢筋。

（3）提高混凝土强度等级对轴压比的控制有直接的效果，但混凝土的强度越高其脆性也越大，因此要控制混凝土强度等级不超过C60。

2.3 高层建筑连梁设计合理性控制

在《高层建筑混凝土结构设计规程》以及《建筑抗震设计规范》等相关设计规范当中都明确的规定了连梁的截面尺寸、剪压比限制以及剪力设计取值等内容。在具体的工程设计过程当中，因为连梁具有较小的跨度以及高度较大的截面，因此在地震的作用下，弯矩和剪力在经过内力的计算之后都比较大，因此无法使规范的要求得到充分的满足，在对其进行设计的时候必须要以不同的情况为根据从而采取不同的措施。在地震作用下，为了对连梁的延性进行保障，并对剪力和弯矩进行有效的传递，刚度折减的系数就要高于0.55；在风荷载的作用下，为了将连梁的裂缝控制在正常的范围内，就要使刚度折减的系数高于0.80。此外，如果调整刚度折减系数后连梁仍然难以满足要求，则可以采用内调幅，并配置足够的箍筋。若连梁的超筋较多，可以对连梁的高度进行减小，以减小剪力和弯矩。

3 高层建筑结构设计实例分析

3.1 工程概况

某工程建筑面积约51000m2，地上9层，地下1层，总高度47.5m，1～3层层高5.4m，4～9层层高4.5m，夹层层高4.0m。采用框架剪力墙结构，标准层建筑平面图如图1所示。本工程抗震设防类别为重点设防，基本地震加速度为0.1g，地震分组为第一组，特征周期为0.65s，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级。

图1 标准层建筑平面图

3.2 结构体系

在框架结构平面的适当部位设置剪力墙，形成框架剪力墙结构，标准层结构平面图布置如图2所示。震害表明，框架剪力墙结构比框架结构在减轻框架及非结构部件的震害方面有明显的优越性，剪力墙可以控制层间位移，降低了对框架的延性要求，简化了抗震措施。同纯框架结构相比，加上剪力墙后结构的耗能能力为同高度框架结构的20倍左右。

图2 标准层结构布置图

3.3 结构构件设计

（1）0.2Qo的调整。以地上9层作为1段进行框架部分承担的地震剪力复核，结果显示仅1层Y向框架达不到20%，为满足框架作为结构抗震第2道防线的要求，对1层框架地震剪力放大1.230从而满足规范0.2Qo调整的要求。

（2）剪力墙约束边缘构件的设置。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》，取底部两层和墙体总高度的1/10，二者的较大值作为底部加强部位，初步计算时，发现约束边缘构件的纵筋配筋率超规范，后在计算时提高了剪力墙的竖向分布筋的配筋率，约束边缘构件的纵筋配筋率就在规范的允许范围内了。

（3）超长现浇板计算与设计。本工程X方向现浇板长为84m，Y方向现浇板长为72m，均比混凝土构件的建议长度长很多。而建筑平面不允许分缝，最终确定采用无缝的超长结构。超长结构采用PMSAP软件对楼板的温度应力进行计算，计算结果显示2层、3层及顶层的温度应力较大。超长温度应力控制具体到施工图中为以下三方面措施：①所有楼层在两个方向上均设置温度后浇带；②2层、3层及顶层结合现浇空心板，沿板肋方向每个肋中设置3Uφs15.2（9）（60，60，60）温度预应力钢筋；③楼板采用双层双向配筋，实配钢筋比计算值有所加强。

3.4 结构设计分析

（1）结构选型。本工程为适应使用功能的要求，保证结构的抗震性能，考虑水平地震作用时，采用振型分解反应谱法计算，不考虑竖向地震作用的影响。

（2）结构计算主要参数。计算振型个数：18；周期折减系数：0.8s；连梁折减系数：0.5；中梁刚度放大系数：2；梁扭矩折减系数：0.40。

（3）结构的计算结果分析

结构扭转为主的第一自振周期Tt=1.2418s，结构平动为主的第一自振周期T1=1.5617s，Tt/T1=0.7952。X向刚重比EJd/GH2= 6.26，Y向刚重比EJd/GH2=6.48，该结构刚重比EJd/GH2>1.4，能够通过《高层建筑混凝土结构技术规程》的整体稳定验算；该工程结构刚重比EJd/GH2>2.7，可以不考虑重力一阶效应。X方向最大层间位移角1/918<1/800，Y方向最大层间位移角1/1013<1/ 800。X方向的位移比为1.29，Y方向的位移比为1.34。X方向的有效质量及剪重比为99.45%，2.71%>1.6%，Y方向的有效质量及剪重比为99.58%，2.83%>1.6%。

3.5 地下室及基础设计

（1）地下室。本工程设1层地下室，主要为汽车停车库以及消防水池、消防泵房等设备和辅助用房，层高5.300m，外墙为350mm厚混凝土墙，底板厚400mm，顶板厚180mm。X及Y方向均设置两道温度后浇带，贯穿底板外墙及顶板。地下室占地面积较1层面积大，局部挑出主楼，为满足抗浮设计，在这些挑出部分设置抗拔桩用来抗浮。

（2）基础方案。本工程主楼桩基的持力层为粘土，单桩竖向极限承载力标准值为5800kN。但该场地原有建筑下已有桩基础，设计时尽量采用异形承台，避开原有桩基础。