论高层建筑结构设计

　　摘要：随着经济的快速发展，在城市中出现了越来越多的高层建筑，本文针对高层建筑的结构布置、动力时程分析结果及钢骨混凝土柱的设计等技术进行了小结和讨论。
　　关键词：高层结构设计，钢骨混凝土
　　
　　1结构设计的特点和处理
　　1．1基本设计参数
　　根据岩土工程勘察报告，地下土层自上而下为高压缩性的杂填土层、中等压缩性的粉质粘土层、粉土类粉细沙层，强风化泥质砂岩层和中风化泥质砂岩层等。场地中埋藏有上层滞水及潜水型地下水，水质对混凝土无侵蚀性。设计考虑场地为中软场地土，属Ⅱ类建筑场地，场地卓越周期o.36s加速度峰值0.17g。根据抗震设计规范，本工程按基本烈度7度(近震)抗震设防，建筑设防类别为丙类，框架和抗震墙的抗震等级均取为二级。
　　1．2结构体系及布置
　　一般国内100m高左右的高层钢筋混凝土建筑，通常采用框筒结构形式，即中央布置钢筋混凝土中简、四周为钢筋混凝土框架，本工程也曾考虑过此方案，但难以满足地下层金库、1～4层营业大厅的使用和人流组织的要求，经多种方案比较。根据建筑使用功能和立面造型特点，结合楼、电梯间位置在两端布置剪力墙筒，中部布置稀柱框架，通过刚度足够大的现浇楼盏的连接，构成端简—框架结构体系，有利于抗震和抗风。
　　主楼北侧伸出9m的4层裙楼，与主楼连成整体而没有设缝，避免了建筑装修上不易处理的变形缝。为减小可能出现的沉降差异，在主楼和裙房均采用嵌岩端承桩。楼盖采用现浇钢筋混凝土楼盖，考虑降低楼层层高和增强楼盖平面内刚度的需要，采用宽扁梁肋形楼盖的方案，沿横向8．0m跨中布置一道次梁，在轻质隔墙下不再设梁，直接支承在厚度较大的现浇楼盖上。尽可能减少构件种类，方便施工，同时也减少了设计工作量。
　　1.3设计中特殊问题的处理
　　(1)剪力墙的数量与位置。除两端布置剪力墙简外，在结构纵向沿B轴线还布置了两片剪力墙(如图1所示)，增加纵向刚度，调整刚度中心的位置，使其和质量中心尽量重合(主楼刚心仅在横向北偏1.8m)，并按底层结构截面面积与楼面面积之比为5％初步确定剪力墙截面厚度与柱截面，通过初步设计调整截面，使结构分析结果的周期和位移，控制在合理范围之内。
　　(2)竖向刚度变化的处理。为了调整刚度沿竖向的分布，混凝土墙厚和柱子截面尺寸沿竖向变化4次，混凝土强度等级变化3次，并相互交错。计算结果表明，上下楼层的刚度比均控制在0.77以上(塔楼除外)。在结构剐度有明显变化、受力有可能突变的楼层，如地下室顶板、层裙房顶板、钢骨混凝土柱第6层过渡层上下楼板、塔楼的大屋面及开大洞口的楼层，均将楼板加厚，并双层配筋，以增加楼板的平面刚度，起到刚性横隔板的作用。
　　(3)地下室局部处理。建筑物北临市府广场，由于场地开挖受限，裙楼部分仅设1层地下室，主楼负2层地下室北外墙的施工、防水、回填均存在诸多问题，设计要求地下室外墙周边用三七灰土回填密实．如待负2层外墙防水和回填后再施工负1层底板，势必影响施工进度，为配合施工，在9m跨负1层梁板靠近主楼一侧留1.0m后浇带，梁的钢筋不断开，并增加后浇带处梁板配筋及钢板止水带。
　　(4)钢骨柱节点的处理。钢骨混凝土柱节点处钢筋较密，混凝土浇筑困难。设计中梁柱纵筋均采用III级(HRB400)钢筋，以减少钢筋根数，柱子钢筋则集中布置在四角，同时采取宽扁梁方案，纵横交叉梁选择不同梁高和梁宽，窄梁纵筋部分(大于1／3)从钢骨穿过，部分与节点钢板焊接。宽梁纵筋部分从钢骨两侧绕行，部分与节点钢板焊接。
　　框架梁与钢骨柱节点大样，见图1所示。
　　
　　图1框架梁与钢骨节点大祥
　　
　　1．4基础选型和处理
　　采用大直径人工挖孔扩孔灌注桩，框架柱下采用一柱一桩独立承台，剪力墙下采用多桩联合承台，以中风化泥质砂岩作为桩端持力层，桩的极限端阻力标准值为6000kPa，安全等级为一级。承台之间用梁板连成整体，板厚60cm，兼作地下室底板，沿柱轴线设置纵横向梁肋。板的设计荷载需考虑正反两向受力，正向为梁板自重和使用荷载，反向为地下水压力、并适当考虑上部结构产生的土体反力。另外在建筑物底层布置了6个沉降观测点，要求在施工和使用期间均作沉降观测记录
　　
　　2若干新技术的应用
　　劲性钢骨混凝土柱的使用：底部几层的平面中央使用上要求为太空间的营业大厅，柱子承受的轴力很大(19800kN)，如按普通钢筋混凝土柱设计，截面至少需要1200mm×1200mm，大截面柱将影响营业大厅使用和室内景观。因此决定1～5层中部7根柱采用了钢骨混凝土柱，这一新技术优点是延性好、刚度大、承载力高及抗震性能强。经过手工精心计算和方案比较，确定钢骨柱外截面900mm×900mm，柱内配置500mm×500mm断面的箱型钢板焊接柱，钢板厚度30mm控制了钢筋混凝土柱轴压比在0.8以内，钢骨混凝土柱轴压比在0.7以内，满足了规范限值的要求。
　　高等级混凝土的使用：为了减少竖向结构尺寸，减少基础负担，增大有效使用面积和空间，节约钢材，7层以下柱、墙均采用C50混凝土，梁板采用C45混凝土，地下室底板和桩承台采用C40混凝土。
　　混凝土添加剂的使用：地下室混凝土中掺用复合型膨胀剂JM—Ⅲ，以提高混凝土的密实度，减少混握土水化热，在后浇带位置适当增加混凝土膨胀剂用量。
　　新III使用：梁、柱主筋采用400MPa新III级钢筋。其主要优点是：强度高，力学性能优良，性价比好，经济效益显著，并且易于混凝土浇筑。
　　
　　3结构分析计算
　　3．1拟静力法(振型分解反应谱法)设计
　　对整体结构采用PKPM系列软件中TAT(杆元模型)和SATWE(墙元模型)空间结构计算程序进行受力分析和比较，考虑了地震扭转耦连效应，取前24个振型进行组合计算，并模拟了施工中荷载的逐层增加。给出了主要设计计算结果，其中结构平面的纵向(塞向)和横向(y向)的刚度、周期比较接近，最大基底剪力和基底弯矩也非常接近，在地震作用下的变形(顶点位移和层间位移角)基本相同，由于两方向迎风面产生的风荷载不同，则变形也不尽相同。表明结构布置和构件截面尺寸合理，各楼层刚度匹配适当、变化均匀，无明显突变。这使得结构无论在正常使用时期或遭遇地震时均具有良好的承载变形能力。
　　
　　  TAT SATWE
　　结构自振周期／s 3D T1=2.30T4=0.51T1=2.58T4=0.58
　　T2=2.27T5=0.23T2=2.37T5=0.54
　　T3=0.53T6=0.22T3=1.34T6=0.37.
　　基底剪力Qo/kN X向 7354 7194
　　 Y向 7554 7583
　　基底弯矩Mo/(kN.m) X向 425264 429354
　　 Y向 427132 438690
　　建筑物总重力／kN  472244 481293
　　地震作用下剪压比系数／(%) X向 1.58 1.49
　　 Y向 1.60 1.58
　　地震作用下顶点最大水平相对位移 X向 1/3107 1/2379
　　 Y向 1/3174 1/2871
　　地震作用下最大层间相对位移 X向 1/2260 12053
　　 Y向 1/2301 1/2363
　　风荷载作用下顶点最大水平相对位移 X向 1/8695 1/5932
　　 Y向 1/4768 1/4140
　　风荷载作用下最大层间相对位移 X向 1/7285 2851/5138
　　 Y向 1/3775 1/31/3775236
　　表1结构设计结果
　　
　　3．2弹性动力时程分析
　　由于高度大于80m，按规范要求还应进行弹性动力计算，选择输入与场地条件相似的3条地震波(TAFT波和2条人工波)，按7度地震、II类场地条件，地面峰值加速度35cm／s2时距0．02s，采用SATWE程序进行了动力时程分析，给出x和y方向最大楼层反应力和层间位移的分布情况。可以看出，在地震波作用下，计算得到的地震反应(基底剪力、层间变形等)及其平均值曲线均包含在静力法分析计算曲线(CQC法)之内，设计可仍按静力分析结果进行配筋。
　　
　　4结束语
　　本设计采用的TAT和SATWE程序得到的静力计算结果比较符合，对设计起了控制作用，弹性动力时程分析结果符合正常规律。

《论高层建筑结构设计》

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