對高層建筑結構設計探討

摘要:隨著我國經濟的快速發展，全國大中城市高層建筑迅速增多，高層建筑結構設計已成為建筑結構設計人員的重要工作內容。高層建筑層數和高度都逐漸增加，結構形式更是多樣化、復雜化。為了使設計者對高層建筑的設計有較好地了解，我們就以杭州某工程為例，介紹高層建筑的結構設計方案，本文對該方案的計算模型、轉換層的設計和構造及內力分析做了簡要介紹。

關鍵詞:高層建筑 轉換層 總結

1 概述

近年來，現代建筑越來越向多功能、綜合用途發展，在同一豎直線上，頂部樓層與下部樓層用途不同，不同的樓層需要大小不同的空間尺寸，采用不同的結構形式。從建筑功能上講，上部需要小開間的軸線布置，需要較多的墻體以滿足旅館和住宅的要求，下部共用部分則希望有盡可能大的自由靈活空間，柱網要求大，墻體要盡量少，由于高層結構下部樓層受力很大，上部結構受力相對較小，正常布置應該下部剛度大(墻多，柱網密)，到上部剛度較小(墻少，柱網稀疏)，但為了滿足建筑功能的要求，我們必須以跟常規相反的方式進行布置，即上部布置小空間，下部布置大空間，上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度較小的框架柱，為了實現這一布置就必須在結構轉換的樓層設置轉換層。

2 工程概況

就以杭州某工程為例。本工程位于杭州某地區，該工程是集商場、辦公、住宅為一體的綜合性高層建筑，地下2層為停車庫及設備房，地上29層，分A，B兩棟塔樓，塔樓均為住宅，主樓主體90.500m。由于該建筑功能的要求，本工程結構采用底部大空間轉換剪力墻結構，轉換層在第5層頂面，屬高位轉換結構，該地區地震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.05g，擬建場地為Ⅲ類場地土。結構抗震等級:轉換層下剪力墻二級，框支柱二級，基礎采用樁筏。為了滿足建筑功能，結構必須處理好以下幾個問題:①轉換層轉換結構方式的選擇;②轉換層樓層結構計算層高的確定;③二級轉換梁的處理。

3 概念設計與結構布置

3.1 結構計算單元的確定。由于本工程主體分為A，B兩棟塔樓，兩棟塔樓之間為商業用房，但與主樓之間設置了伸縮縫，考慮地下室墻體較多，地下室頂板(200mm)厚度較厚，整體剛度較大，計劃分成兩個單塔模型。

3.2 轉換結構的選型及布置。由于帶轉換層的高層建筑結構有其自身的結構弱點，因此《建筑抗震設計規范》(GB50011-2008)和《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002J186-2002)都對其做了嚴格的規定，特別是對高位轉換的結構做了更為嚴格的規定，由于總體結構豎向傳力構件的不連續，造成結構上荷載不能傳遞給下部對應的結構構件，而是通過轉換結構的內力重分配，再向下傳遞給下部結構的豎向構件，因此轉換構件相當重要而且受力非常復雜，保證轉換結構正常地、可靠地、有效地工作是結構設計的重點。結合本工程建筑方案的要求，經多方案的比較，本工程采用梁式轉換(因梁式轉換的設計較其他轉換而言受力明確，傳力簡潔，計算模型簡單容易符合實際情況)，同時增加轉換層板厚(250mm)并雙層雙向配筋，以符合剛性樓板的假定。由于轉換層上下存在不同的結構形式，使結構剛度在轉換層上下出現剛度突變，對結構的抗震性能極為不利，為此本工程采取了以下措施進行處理:①盡量保證落地剪力墻的數量，落地剪力墻在轉換層以下加厚，并在適當的位置(不影響建筑使用功能的情況下)增加底部剪力墻肢的數量，以增強底部剛度。②盡量拉大上部剪力墻的間距，減少墻肢的數量和長度，減少墻體的厚度等措施，來調整轉換層上下剛度使其變化較為均勻，過渡平穩，盡量接近。③控制框支柱的軸壓比為0.5左右(小于0.55)和體積配筋率及全部縱向鋼筋配筋率不小于1.6%，因為框支柱是轉換梁的支撐構件，其上作用的荷載較大，為了保證結構破壞時不出現柱鉸機構的不利破壞形態，必須保證框支柱具有足夠的延性和變形性能。

4 結構計算與數據分析

4.1 整體結構計算數據分析。由于本工程A，B兩塔對稱，僅A塔進行計算(計算未考慮中間地下室相連)，計算時取27個振型，均考慮平動和耦連兩種情況，由于A，B兩塔涉及的內容基本一致，僅分析A塔的計算數據由SATWE軟件計算結果可以看出，結構基本周期T1在(0.065～0.075)N(N為層數)之間，屬于合理范圍，說明結構總剛度合適;剪重比在2%左右符合抗震規范5.2.5條要求，轉換層上下剛度比小于1.3，符合高規要求，轉換層過渡平穩，結構豎向布置及剛度變化相對合理，框支柱軸壓比控制在0.55以內，角柱軸壓比控制在0.50以內。第一扭轉周期與第一平動周期比小于0.9，振型參與質量達到總質量的98%。

4.2 動力時程分析。根據場地地質情況，地震所提供了6條可能出現的地震波，選用了其中比較符合實際情況的兩條和一組人工模擬地震波進行動力時程分析，彈性時程分析的計算結果與振型分解反應譜法的結果基本一致，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%。

5 轉換層的構造與設計

5.1 加強轉換結構的整體性和剛度 加強轉換層及上下層樓板的厚度及配筋，轉換層樓板厚度h=250mm，上下兩層均取h=200mm。框支梁是轉換層結構中最重要的受力構件之一，通過它將上部墻體的荷載傳遞給下部框支柱，其受力相當復雜。在本工程中存在“Z”型墻，需要考慮上部墻體豎向力對框支梁產生的扭矩。

①將兩片錯開的墻體假定為在同一平面內進行平面有限元分析其內力，圖形類似于大開口框支剪力墻;②根據整體計算結果中上部墻體的豎向力手算框支梁的抗扭鋼筋;③將有限元計算結果與手算抗扭配筋疊加，由于梁寬比較大(這是由上部墻體的位置決定的)，計算抗扭鋼筋為構造要求。其他轉換梁上墻體進行有限元分析，其正截面配筋結果小于整體結構分析結果，在實際工程中偏安全地采用了整體結構，計算的結構進行轉換大梁的截面和配筋設計。

轉換層中柱的延性極為重要，為了提高柱的延性，采取了控制軸壓比、配箍率、縱向配筋率以及混凝土強度等級等措施。轉換梁柱配筋較多，特別是節點處配筋相交情況更為復雜，實際鋼筋很難準確到位，在設計中盡量選用了大直徑、高強度鋼筋，以減少鋼筋根數，配筋應有足夠的余量。同時轉換梁板在施工中需考慮支撐方案。支撐層所受的梁板荷載，施工荷載等應在設計中考慮，所以轉換層以下梁板截面，配筋均應適當加強。另外轉換梁混凝土的施工過程中應采取措施，以防止在澆筑過程中及混凝土澆筑初期產生裂縫。

①嚴格控制混凝土的配合比，控制混凝土的水灰比、水泥用量、砂率及坍落度不要太大，盡量采用高標號及低水化熱水泥，降低水泥用量;摻加一定量緩期凝型減水劑和微膨脹劑，降低水灰比，在滿足泵送混凝土的前提下，盡量選用粒徑大且級配良好的粗集料，嚴禁采用粉砂，嚴格控制砂石的含泥量。②梁板混凝土中應摻加聚丙烯抗裂纖維(直徑小于24μm，長度不小于1mm)，混凝土中摻量不少于0.8Kg/m3，同時現澆板混凝土中應摻10%(水泥重量)的UEA2IV膨脹劑(替代水泥用量)。

5.2 框支梁以上剪力墻采取的構造措施。①盡量減少墻肢的長度，使轉換層上下剛度盡量接近，以滿足規范要求。②由于與轉換梁相近的墻體參與了與轉換梁共同工作，同時分擔了轉換梁的部分內力，本工程特別加強了轉換層以上3層的墻體截面及構造配筋。

6 總結

對于復雜高層建筑結構體系，必須認真做好概念設計并分析結構的薄弱環節，建立較為簡潔可靠且符合實際的結構計算模型，注意框支梁框支柱配筋的特殊性，另外數據的輸出量比較大，需要對計算結構進行分析、評判，適時地對結構布置進行修改、優化，才能得到正確的設計結果。