对某高层建筑结构设计实例分析
关键词∶高层建筑；结构设计；
1工程概况
本工程位于某市中心区黄金地段,总建筑面积约20万m2。由五幢30～31层高层住宅楼组成,地下部分2层,底层架空、无裙房;2层以上为住宅。五幢高层建筑下的2层地下室连为一体。五幢高层结构平面体型较不规则,建筑总高近100m,结构长宽比3.7～6.9,高宽比5.4～10.3。
2．结构体系的确定
根据建筑功能的使用要求,本工程为高尚住宅区,底层架空为酒店式大堂,并引入室外景观造景,为此,建筑对底层柱及剪力墙的布置位置有严格的要求,上部住宅部分要求室内方正实用。为满足上述要求,本工程采用框支剪力墙结构,于二层楼面设置转换层。因上部墙体多数无法直接落地或落于框支梁上,因而采用了箱高为2300mm的箱形转换结构。利用箱体增加转换层的整体刚度,同时箱体的上下层板又增加了框支梁的抗扭性能。配合建筑使用功能合理布置抗侧力构件,以合理控制结构的总体刚度,使之既满足抗震要求又满足抗风的要求。将核心筒剪力墙落地,在建筑物外围及局部突出部位设置700-900mm厚的L型剪力墙,避免出现独立框支角柱,同时将中部部分剪力墙落地,以保证落地剪力墙的数量,满足上下刚度比的要求。
3．计算分析
3.1计算程序的选用
本工程属于结构体系复杂的高层建筑,结构设计采用两种软件分析计算;一种是PKPM系列的SATWE程序(包括PMSAP及SATWE动力时程分析》该程序采用墙元模拟剪力墙,是国内应用比较广泛的软件之一。同时另采用体单元模型的ANSYS有限元分析软件进行复核。
3.2程序使用的注意事项
(1)程序平面输入时应注意人工指定框支柱、框支梁。在平面输入时应正确指定转换构件,确保程序计算时能按相关规范规定,对转换构件在水平地震作用下的计算内力进行放大,对框支柱的水平地震剪力进行调整等。
(2)对于一字型墙肢出现与其平面外方向的楼面梁连接时,为降低梁端弯矩对墙的不利影响,在程序计算中将梁与墙相交处作铰接处理,减少梁对墙产生的平面外弯矩。此时,在墙与梁相交处设置暗柱,并按计算确定其配筋。
(3)剪力墙之间的连结梁应根据具体情况指定为连梁或框架梁。对一端或两端与剪力墙相交的梁会在程序中默认为连梁,计算中程序会对其刚度进行折减后再计算其内力;而对跨高比较大(>5)的连梁,其受力模式接近框架梁,此时应将该类梁人工定义为框架梁,以求内力分析的准确。
(4)剪力墙的荷载应保证准确传至其下部构件上。对于墙直接置于箱板上的情况,应于墙下设置暗梁,使墙体荷载传力途径明确,不造成缺失;对于靠近柱支座的剪力墙,程序可能会自动判断其下端节点为柱节点,而将墙体荷载传至柱上,造成梁的内力分析偏差,此时可在墙肢下端对应位置的梁上增加附加节点,以确保墙肢荷载作用在梁上。
(5)在程序计算中,为尽量符合工程实际,底层计算高度取地下室顶板板面至箱形转换层箱体中间(即底层净高加箱体高度的一半),二层计算高度取箱形转换层箱体中间至三层面。若直接取底层层高为底层计算高度,则未充分考虑箱体的双层板作用,程序计算的底层侧向刚度偏小,势必造成为满足侧向刚度比的要求而加大构件截面,引起不必要的浪费。
3.3结构分析的主要结果
本工程共有五幢单体建筑,本文列举其最不利的一幢(即北楼三)的计算结果。
(1) ANSYS程序计算结果见表1；
（2)SATWE程序计算结果见表2。在计算中,控制以扭转为主的第一自振周期与乎动为主的第一自振周期之比小于0.85；结构最大层间位移与平均层间位移之比小于1.2。
(3)本工程采用由中国建筑科学研究院工程抗震研究所提供的地震波进行计算分析,地面运动加速度峰值55gaL。弹性时程分析法的计算结果与振型分解反应谱法的计算结果基本一致;弹性时程分析时,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大于振型分解反应谱法求得的底部剪力的8O%。
(4)转换层上下楼层结构侧向刚度比计算。设计中控制转换层上下结构的侧向刚度比不大于2。按《高层建筑混凝土结构技术规程》附录方法计算的转换层上下结构等效剪切刚度比为VX=1.39,Vy=1.90;按抗震规范(3.4.3)条文说明方法(即层剪力/层间位移差)计算楼层侧向刚度比结果为VX=1.28,Vy=1.74。
(5)箱形转换层楼板应力采用ANSYS有限元程序进行分析,分析结果表明,各荷载工况作用下,箱体上层板均为受压,箱体下层板均为受拉。
4．框支层结构设计
4.1框支柱设计
本工程框支柱抗震等级为一级,轴压比限值为0.6。框支柱主要截面取130OX13O0～13OOX23O0,计算结果表明,所有框支柱的受力较为均匀,轴压比从0.42～0.51,因而,箱形转换层下框支柱的变形一致性较好。框支柱的剪力设计值按柱实配纵筋计算并乘以放大系数1.1,剪压比控制在0.15以内。柱内全部纵向钢筋的配筋率不小于1.2%,箍筋沿柱全高采用不小于Φ12@100井字复合箍,体积配箍率均不小于1.5%,使柱具有—定的延性,实现强剪弱弯。框支柱在上部墙体范围内的纵向钢筋伸人上部墙体内一层,其余柱筋锚入梁或板内。
4.2剪力墙设计
本工程核心筒落地剪力墙厚400mm,除核心筒外,在建筑四角布置700～900mm厚的L型剪力墙。为改善混凝土的受压性能,增大延性,设计中控制墙肢的轴压比不大于0.5。墙体的水平和竖向分布筋除满足计算要求外,同时也满足0.3%的最小配筋率的限值。底部加强区的剪力墙中按规范要求设置约束边缘构件,约束边缘构件的纵筋配筋率控制≥1.2%,箍筋不小于Φ12@1OO,体积配箍率控制≥1.4%,同时,对长厚比＜5的短墙在计算中按柱输入计算进行比较,结果表明,短墙按墙和按柱计算的结果基本一致。在构造处理上,对此类短墙除满足墙的相关要求外,同时按柱的构造要求配置纵筋和箍筋。
4.3框支梁的设计
本工程框支梁抗震等级为一级。对于两端搁置于框支主梁上的框支次梁,其受力类似简支梁,跨中底筋较大,支座面筋基本按构造要求配置。对于两端搁置于框支柱或墙上的框支主梁,当其上无剪力墙时,此类梁受力模式与普通框架梁类似,当其上有剪力墙时,上部的墙体与该梁共同参与工作。
本工程的框支主梁的梁高23OOmm(即箱体高度》于梁顶和梁底各设置一层200mm厚的箱板,梁截面尺寸按剪压比0.15控制。梁主筋配筋率除满足计算外,还不小于0.5%,上部主筋沿梁全长贯通,下部主筋全部直通到柱或墙内,沿梁腹部设置不小于Φ16@150的腰筋,于梁中部设置—排Φ20的抗裂纵筋,抗裂纵筋根数同箍筋肢数,梁箍筋全长加密。
对部分框支梁,因其受力较大,在靠近柱支座处的应力集中尤为突出,部分梁的计算结果表明,梁端抗剪不足,经人工核查该梁各截面剪力设计值,发现大部分剪力不足处的截面已位于框支柱截面内,对此情况的梁截面尺寸不做调整,而对于确实抗剪不足的梁采用梁端水平加腋的方式解决该梁的抗剪能力不足的问题。
4.4箱形转换层楼板的设计
箱形转换层的箱体高度为2300mm,箱体的上下层板厚均为200mm。对箱体的上下层板主要采用ANSYS有限元软件进行内力分析。分析结果表明,各荷载工况作用下,箱体上层板均为受压,最大平均压应力为1.2MPa,箱体下层板均为受拉,最大平均拉应力为2.0MPa。在设计中,将楼板裂缝控制在0.2mm以内,实配双层双向Φ16@150的通长钢筋。
该双层板增强了整个转换层的刚度,使箱形转换层形成一个刚度很大的刚体,使刚体上部的荷载能通过它有效的传递至各竖向支撑构件上,且增加了框支主梁的抗扭性能。
5．结束语
通过本工程的设计,带箱形转换层的高层结构的抗震性能及安全性能是可以得到保证的。在该结构布置情况下,结构的周期、位移、转换层上下刚度比等指标均能满足现行相关规范的要求。
[参考文献]
[1]建筑抗震设计规范[Sl(GB50011-2001)
[2]高层建筑混凝土结构技术规程[S](JGJ3-2002)