淺析結(jié)構(gòu)設(shè)計在高層建筑中的應(yīng)用

陶劍

摘 要：國家的經(jīng)濟不斷的發(fā)展高層建筑也不斷的增多，在高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要，確保建筑的安全，本文結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗對高層商住樓設(shè)計方面的一些探討。

關(guān)鍵詞：高層建筑； 結(jié)構(gòu)分析； 結(jié)構(gòu)抗扭； 構(gòu)造處理

1. 結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)選型

本工程為商住樓，各部分功能用房分別為地下車庫、商業(yè)用房、住宅。為滿足建筑的使用功能需求，選用框支- 剪力墻結(jié)構(gòu)體系，轉(zhuǎn)換層設(shè)置在3 層架空層（即裙房屋面）。該工程為帶轉(zhuǎn)換層的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)，采用框支梁轉(zhuǎn)換上部住宅的剪力墻。

1.2 抗震設(shè)計方面的問題

本工程的大底盤多塔的各塔樓質(zhì)量和剛度分布不均勻，且在平面布置上又不對稱于大底盤，在地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振動反應(yīng)較大。大底盤頂層樓蓋起著協(xié)同各塔樓共同工作的作用，而轉(zhuǎn)換層設(shè)置于該層，故此處也為結(jié)構(gòu)上下剛度突變處。理論分析和試驗結(jié)果均表明，在地震作用下，裙房頂及上一層是最先破壞且破壞最嚴重的位置。為保證結(jié)構(gòu)的抗震性能要求，結(jié)構(gòu)整體力學分析與抗震性能分析應(yīng)選擇合理的計算模型，以找出可能出現(xiàn)的薄弱部位，并在設(shè)計中采取構(gòu)造加強措施提高其抗震能力。

1.3 結(jié)構(gòu)整體計算

結(jié)構(gòu)整體動力分析，采用中國建科院開發(fā)的SATWE 和TAT 兩種不同力學模型程序，TAT 主要作為校核程序。本工程為非對稱的多塔結(jié)構(gòu)，由于存在雙向偏心，在自由振動條件下結(jié)構(gòu)存在平扭耦連振動。因此，結(jié)構(gòu)計算時，除考慮雙向地震作用外，還需要考慮平扭耦連計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。本設(shè)計采用的計算振型數(shù)為45，計算得到X、Y 方向的振型參與質(zhì)量系數(shù)分別為95.3%、97.1%。通過對結(jié)構(gòu)整體空間振動簡圖與振型圖分析可知，結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)不明顯，未出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型特征。由于本工程為框支- 剪力墻復(fù)雜結(jié)構(gòu)且具有一定的高度，故結(jié)構(gòu)豎向荷載加載方式按模擬施工和一次性加載兩者加載模式分別計算。實際結(jié)構(gòu)豎向荷載加載方式與計算模型中單純的模擬施工和一次性加載均有所不同，故實際配筋取用模擬施工時的計算結(jié)果，并參考一次加載計算結(jié)果適當予以放大。

1.4 單塔計算

假定裙房與主樓樓板連接薄弱部位發(fā)生破壞，裙房與主樓都可以成為獨立的抗震單元，在每個單元內(nèi)部都有足夠數(shù)量的鋼筋混凝土抗震墻，能形成明確的、獨立的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，保證結(jié)構(gòu)整體安全。三個塔樓單元須各自另建計算模型，作為整體模型計算結(jié)果的補充校核，滿足“大震不倒”的設(shè)計原則。加強轉(zhuǎn)換層下部的結(jié)構(gòu)剛度， 本工程1 ～ 3 棟的轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比分別為0.95、0.97、0.93。

1.5 角柱補充計算

由于角部框支柱受力特別復(fù)雜，角部扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，因此角柱須按抗震設(shè)防烈度提高一度為七度、抗震等級提高為一級進行專門計算一次，提高其抗震能力，確保結(jié)構(gòu)安全，但須注意該結(jié)果僅限用于角柱的配筋。

2. 結(jié)構(gòu)抗扭設(shè)計

2.1 限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)應(yīng)從兩個方面加以限制：1）限制結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性，避

免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；2）限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。關(guān)鍵是限制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期 T1 之比。當兩者接近時，由于振動耦連的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯?？拐鹪O(shè)計中必須采取措施減小Tt/T1 的比值，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度。由材料力學知識可知，抗扭構(gòu)件離質(zhì)心越遠，其抗扭剛度越大。針對本工程平面布置情況，在設(shè)計中采取了如下措施，以增加其抗扭剛度：

1）剪力墻根據(jù)建筑交通核心筒及隔墻的分布情況，按照“均勻、分散、對稱、周邊”的要求布置，以使結(jié)構(gòu)整體有較好的抗側(cè)移能力和抗扭轉(zhuǎn)能力。盡量加大周邊剪力墻的剛度，將上部標準層的角部剪力墻墻肢加長，盡量形成L、Z、T 等形狀，內(nèi)部剪力墻厚度取用200mm， 而將離質(zhì)心較遠處的周邊剪力墻厚度增加到240mm， 使質(zhì)心與剛心的偏心率得到改善。

2）加強建筑物周邊結(jié)構(gòu)梁，將凸窗處結(jié)構(gòu)梁加高至窗臺面；在各樓層的凸凹不規(guī)則處設(shè)拉梁，每隔四層在凹口處局部用混凝土拉板連接，增加結(jié)構(gòu)的整體性，以利于傳遞水平地震作用。

3）剪力墻的門窗洞口上下對齊，形成明確的墻肢和連梁。

4）結(jié)構(gòu)平面突出部位的結(jié)構(gòu)梁予以適當加高，以便于增加結(jié)構(gòu)的整體性。綜合應(yīng)用上述措施，通過多次“建立模型- 試算- 調(diào)整模型”的過程，使質(zhì)心和剛

心盡量重合，有效收斂結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.2 框支梁的平面外抗扭梁設(shè)計技術(shù)

一般情況下，設(shè)計假定剪力墻平面外抗彎剛度為零或很小，框支梁與上部墻體截面中心線宜重合；此時計算模型與結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)基本一致，計算結(jié)果正確可靠。若框支梁與上部墻體截面中心線不重合，例如建筑物周邊的剪力墻偏軸布置在框支梁上，將使框支梁受扭。在框支梁的設(shè)計中，框支梁的截面尺寸通常由端部抗剪強度控制，如果再疊加上部剪力墻偏心產(chǎn)生的扭矩，就會導(dǎo)致框支梁在剪力和扭轉(zhuǎn)作用下的剪壓比大于限值，對結(jié)構(gòu)安全不利。從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的角度看，框支梁的失效往往是從梁的受壓區(qū)失穩(wěn)、梁側(cè)翻開始的，因此在臨界荷載作用下框支梁受到任何初始扭矩都會引起失穩(wěn)。從概念設(shè)計的角度可以設(shè)想，一旦遭遇到地震作用，框支梁在側(cè)向大位移的狀態(tài)下，其平面外扭矩會使框支梁失效，因此必須采取結(jié)構(gòu)技術(shù)措施予以解決。

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軸產(chǎn)生的扭矩影響，可以從控制框支梁的關(guān)鍵部位出平面變

形尤其是角變位入手。如果角變位得到控制，也就意味著在一榀框支梁內(nèi)，各構(gòu)件本身在與框支梁平面垂直方向上的應(yīng)力、應(yīng)變均勻分布，與有限元分析時的平面假定保持一致。克服角變位有效而簡單的手段，就是在框支梁受到扭矩集中作用的節(jié)點處，沿扭矩方向布置剛度較大的抗扭梁，用以平衡扭矩，控制變形。

2.4 抗扭梁的作用

設(shè)置與框支梁垂直的抗扭梁，能有效地抑制框支梁的側(cè)翻轉(zhuǎn)角，相應(yīng)地減小框支梁受到上部剪力墻偏心布置產(chǎn)生的平面外扭矩帶來的附加應(yīng)力，減少框支梁兩端扭- 剪聯(lián)合作用的程度，使墻- 梁平面假定有限元計算結(jié)果更可信。本工程采用的抗扭梁截面尺寸為400x1200、500x1200， 其截面剛度較大，能有效的起到抵抗框支梁平面外扭矩的作用?？古ち簩嶋H上是一梁多用，它還起到減小樓板跨度，緩解樓板內(nèi)力，讓樓板有更多的儲備去抵抗轉(zhuǎn)換層內(nèi)剪力的作用。

3. 構(gòu)造處理技術(shù)

3.1 大跨度異形板的構(gòu)造處理

本工程上部住宅采用大開間剪力墻布置方式，留出了很多大尺寸空間以適應(yīng)住戶的不同需求。這些大尺寸空間既可作為寬闊的客廳，又可以靈活隔斷，自由分隔為小戶型。為了保證空間整體性和適用靈活性，建筑專業(yè)要求在這些大尺寸空間中不要布置結(jié)構(gòu)梁，由于其基本上不是方形規(guī)整的平面空間，這樣就產(chǎn)生了大跨度異形板（跨度從5.7 ～ 6.9m 不等），而該板上可能會布置輕質(zhì)隔墻，荷載情況較復(fù)雜。經(jīng)計算分析發(fā)現(xiàn)異形板內(nèi)凹的陽角處板面應(yīng)力集中情況相對突出，故在這些部位的板面須設(shè)置雙向鋼筋以覆蓋板面應(yīng)力集中區(qū)域；異形板的異形分界處設(shè)置寬度1000mm 的暗板梁；適當增加大跨度異形板厚度。通過以上措施以避免樓板出現(xiàn)裂縫，確保其安全使用性能。

3.2“芯柱”的構(gòu)造處理

本工程的框支柱受力大而導(dǎo)致截面較大，形成了凈高與截面高度之比≤ 4 的柱，而當柱的剪跨比λ=M ∶ Vh ≤ 2 時，該柱成為短柱。當發(fā)生地震時，短柱的破壞形態(tài)為脆性的剪切受拉破壞，無明顯征兆。為提高短柱的抗震性能，可以采取的方法有：1）提高混凝土強度等級，在軸壓比不變的前提下相應(yīng)減小柱截面尺寸，使其成為普通延性柱；2）采用復(fù)合螺旋箍筋提高延性；3）采用分體柱變?yōu)槠胀ㄖ?）采用鋼骨砼柱或鋼管砼柱提高延性；5）采用芯柱提高延性等。本工程采用“芯柱”的構(gòu)造措施來加強框支短柱。芯柱的構(gòu)造方法是在柱截面中部三分之一的核心部位設(shè)置縱筋和箍筋，即形成柱內(nèi)部加強區(qū)域，從而形成柱的內(nèi)、外兩套配筋體系；芯柱的附加縱筋面積按柱截面面積的0.8%取用，該鋼筋不計入柱的配筋率內(nèi)。芯柱的作用原理：彎矩對核心區(qū)鋼筋的影響小，利用柱周邊鋼筋抵抗柱承受的彎矩作用，即使混凝土保護層開裂剝落，周邊鋼筋和混凝土的粘結(jié)削弱，而中部芯柱的鋼筋和混凝土之間仍具有良好的粘結(jié)作用，芯柱部位的鋼筋不會發(fā)生壓曲；即使外圍混凝土失效，核心鋼筋形成的芯柱仍能抵抗豎向荷載。在遭到罕遇大地震時，采用“芯柱”的構(gòu)造措施，既可以提高短柱的受壓承載力，又可以提高其壓縮變形能力，即提高了短柱的延性和耗能能力，相當于對受力不利的短柱增加了一道防護措施，有效地改善了它的抗震性能，確保其在大震時的

安全。

4. 基礎(chǔ)設(shè)計

在高層建筑中對基礎(chǔ)設(shè)計中應(yīng)當考慮建筑場地的地質(zhì)問題、上部結(jié)構(gòu)的類型、施工條件、使用要求, 確保建筑物不應(yīng)發(fā)生過量沉降或傾斜, 滿足建筑物正常使用要求；還應(yīng)注意與相鄰建筑的相互影響, 了解附近地下構(gòu)筑物及各項地下設(shè)施的位置和標高, 保證安全。本工程的基礎(chǔ)采用機械鉆孔嵌巖灌注樁，樁端持力層為中風化泥質(zhì)粉砂巖。該巖層的飽和單軸抗壓強度標準值frk=6.45MPa。根據(jù)地質(zhì)報告及前期工程樁檢測結(jié)果估算，樁徑800鉆孔樁進入中風化泥質(zhì)粉砂巖1.0倍樁徑，單樁豎向承載力特征值為4500kN。本工程框支柱軸力較大，如采用大直徑樁（1400樁徑），當?shù)貥痘┕挝粵]有大直徑的鉆頭，且采用大直徑樁如出現(xiàn)斷樁或承載力達不到設(shè)計要求時補樁較為困難。故框支柱下采用多樁承臺布置，施工方便，安全可靠。其余落地剪力墻則采用墻下條形承臺梁布置，傳力直接，安全有保障。按單樁承載力確定樁數(shù)時, 傳至承臺底面的荷載效應(yīng)采用正常使用狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標準組合，相應(yīng)的抗力應(yīng)采用單樁承載力特征值。計算地基變形時, 傳至基礎(chǔ)地面的荷載效應(yīng)采用正常使用的極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的準永久組合, 不計入風荷載和地震作用。