高层结构设计中若干问题的思考

摘 要：随着社会经济的飞速发展，建筑行业发展突飞猛进，为节约土地资源，高层建筑工数量越来越多，大体量、超高层单体建筑或群体建筑大量的出现，对工程设计人员的专业知识的要求越来越高，不仅要正确的理解规范内容，更要掌握好结构计算软件的计算原理，因此，在文章主要对高层结构设计中的关键问题进行探讨，以引起工程设计人员的重视。

关键词：高层结构；嵌固端；地下室剪力墙；结构计算

1 高层建筑大底盘地下室及多塔建筑对高层主体结构嵌固端的影响

现代建筑综合功能越来越复杂，为了达到一个较好的使用功效及工程性价比指标，一般均在建筑物底部及附带一部分区域来设置地下室，由于各种功能的需要，形成上部主体结构与周边地下室形成整体结构，在设计中不仅要关注主体结构对附属地下室影响，更要注意附属地下室对高层影响。根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，对于6.1.3条2款对高层裙房的要求，“裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定抗震等级外，相关范围不应低于主楼的抗震等级，裙房与主楼相连的相关范围”，对于相关范围的解释在规范条文里指出，一般可从主楼周边外延3跨且不小于20m，相关范围以外的区域可按裙房自身的结构类型确定其抗震等级。因此，对于主体结构嵌固端以上附带地下室部分，也应该按这一条执行，在结构计算中需要单独定义相关范围内构件的抗震等级，现行软件不能自动识别，在施工图部分中需要单独注明相关范围的构件，便于施工单位施工时按相关抗震构造措施施工。在对于有附属地下室主体结构确定嵌固端位置时，《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，6.1.14条2款有相关要求“结构地上一层的侧向刚度，不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍”。《高规》5.3.7条规定“高层建筑结构整体计算中，当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层与首层侧向刚度比不宜小于2”。对于规范中关于“相关范围”一般可从地上结构（主楼、有裙房时含裙房）周边外延不大于20m，因此，在实际工程设计当中应该注意，在整体计算模型时，在确定主体结构嵌固端是否满足嵌固要求时，可以将“相关范围”从整体模型中拆分出来，以判断主楼的嵌固端位置是否满足规范要求，如图1所示。如果上部主楼结构与附属的地下室整体计算，按照整体计算所得的结果判断主楼的嵌固端，造成嵌固端满足规范的假象，这对上部结构及附属地下室偏于不安全的。因实际工程的复杂性以及当地下室施工完毕后，其周围的基槽的回填土是夯实质量大多数得不到保证，往往是松散状态，地基回填土并非完全约束了地下室的侧移和转角。所以在对实际工程的具体分析时，应充分考虑不利因素，选取合理真实的结构计算模型。同时对于大底盘的多塔建筑来说，当地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，大底盘结构中多塔在进行结构抗震设计时，当嵌固端位置在地下室顶板处时，确定嵌固端位置时，按单塔模型附带“相关范围”进行分析计算。而当嵌固端位于基础顶面时，则宜将塔楼和大底盘共同进行计算分析，以便符合实际情况。

因此对于高层含附属地下室及大底盘多塔楼建筑的工程在确定嵌固位置是一个很重要的问题，涉及到高层计算中刚度比等重要指标的控制，以及抗震构造措施的确定等问题。因此，嵌固端的理解及嵌固部位的合理选取对结构设计时具有非常重要的实践意义。

2 高层建筑地下室剪力墙设计中注意的相关问题

根据《高规》3.9.5条“抗震设计的高层建筑，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层相关范围的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级；地下室中超出上部主楼相关范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级”。由于计算软件在结构计算中，不能自动按本条执行，需要设计人员，在设计过程中单独定义地下一层以下抗震构造措施的抗震等级，这样在满足规范要求的前提下优化地下室部分钢筋用量，主要表现在框架结构及剪力墙部分钢筋锚固长度的变小，框架柱、剪力墙轴压比限制的减小，直接影响是截面大小的减小，混凝土用量减少。

地下室外墙作为结构构件设计时，因其计算简图中边界约束条件的定义粗略程度以及墙体平面外荷载取值的近似性，还有对墙体构造措施处理的强弱等因素均会造成设计与墙体实际受力状态误差偏大。地下室外墙在土压力作用下不会发生整体侧移，墙后土体处于弹性平衡状态，外墙承受的土压力为静止土压力，而不是被动土压力，一般情况下静止土压力系数取值：对砂类土0.35～0.45，对黏性土0.5～0.7。当地下室施工采用大开挖形式，没有做坑壁支护结构时，静止土压力一般取0.5，但当考虑坑壁支护结构与外墙共同作用时，静止土压力系数乘以0.66来计算，土压力计算时地下水位以上取土的重度，地下水位以下时取土的浮重度。地下室外墙计算中可以近似按单向板计算，即取顶板、底板为外墙的支承点，取单位宽度的外墙视地下室的层数按单跨或多跨连续板进行计算，外墙的支承条件按外墙与周边构件的刚度比确定，当外墙刚度相对于与之相连周边构件的刚度较大时，按简支考虑，当刚度较小时按固结考虑。当外墙两侧存在翼墙或线刚度较大的扶壁框架柱，且翼墙或扶壁柱间距不大于层高的两倍时，外墙按双向板计算。一般外墙按底部固结，顶部视情况为简支、固结或半固结的压弯构件进行设计，当计算时忽略翼墙或扶壁框架柱对外墙约束的有利因素时，则外墙计算结果将会偏大。

3 高层建筑应进行必要的结构计算分析

对于高层建筑建筑应进行抗震设防三个水准目标，即“小震不坏”、“中震可修”、“大震不倒”，一般情况下（不是所有情况下），遭遇第一水准烈度——众值烈度（多遇地震）影响时，建筑处于正常使用状态，从结构抗震分析角度，可以视为弹性体系，采用弹性反应谱进行弹性分析，一般采用底部剪力法、反应谱法、弹性时程分析方法；遭遇第二水准烈度——基本烈度（设防地震）影响时，结构进入非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围，遭遇第三水准烈度——最大预估烈度（罕遇地震）影响时，结构有较大的非弹性变形，但应控制在规定的范围内，以免倒塌，一般采用静力弹塑性分析（PUHSOVER），动力弹塑性分析，在具体工程上是采用动力弹塑性还是静力弹塑性，《高规》3.11.4条有具体规定“ 高度不超过150m的高层建筑可采用静力弹塑性分析方法；高度超过200m时，应采用弹塑性时程分析法；高度在150m～200m之间，可视结构自振特性和不规则程度选择静力弹塑性方法或弹塑性时程分析方法。高度超过300m的结构，应有两个独立的计算，进行校核”。因此对于不同的工程采取不同的计算模型，以达到“大震不倒”的抗震设防目标。静力弹塑性与动力弹塑性不同点详见下表：

静力弹塑性分析（PUHSOVER）方法是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法。通过逐渐加大预先设定的荷载直到最大控制点位置，获得荷载-位移能力曲线。经过静力弹塑性分析（PUHSOVER），得到性能点，根据性能点时的变形，主要进行以下四个方面的评价：（1）顶点位移是否满足抗震规范规定的弹塑性顶点位移限值，最大位移一般为建筑总高度X弹塑性层间位移角限值（《高规》4.6.5条）；（2）层间位移角是否满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值，具体见《高规》4.6.5条；（3）底层剪力是否满足反应谱基底剪力的3～5倍；（4）构件的局部变形（梁柱等）塑性铰的变形，检验它是否超过建筑某一性能水准下的允许变形。

钢筋混凝土结构的动力弹塑性分析是一个高度非线性问题，包括三个方面的非线性：（1）材料非线性；（2）几何非线性；（3）边界非线性（状态非线性）。整个分析过程数据庞大，涉及到的方面包括静力弹性计算的建模、计算、设计、施工图；动力计算包括：地震波，动力方程的数值积分，阻尼等，在工程设计中应该关注结构的抗大震性能以及如何实现和把握结构的性能。一般规则的结构，在大震强度的震震波激励下，计算均能顺利计算完成，层间位移角不会超过规范要求，构件也不会出现过大的损害或者变形。

4 结语

综上所述，高层建筑随着社会经济快速发展逐年增多，做为结构设计工作者，应该注重结构概念设计，本文主要从高层主体结构嵌固端合理确定、高层建筑地下室剪力墙、结构计算分析等几个方面论述了在结构设计中注意的问题，由于具体项目的复杂性、特殊性，结构设计设计人员实际工作注意的方面很多，在设计中注重工程设计的关键环节，掌握好计算软件技术原理，提升建筑结构的安全性、经济合理性。

参考文献

[1] 中国建筑工业出版社.GB50011-2010.建筑抗震设计规范.北京

[2] 中国建筑工业出版社.JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程

[3] 朱炳寅编著.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ 3- 2010.中国建筑工业出版社.

[4] PKPM新天地2015第108期.北京.中国建筑科学研究院.

[5] 多层及高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件PUSH﹠EPDA用户手册.北京

作者简介：善忠海（1982- ），男，工程师，本科，从事建筑结构设计工作。