高層建筑綜合辦公樓結構設計探討

摘 要:本文作者通過應用SATwE和PMsAP兩套分析軟件結合工程實例就高層建筑綜合辦公樓的結構設計和分析進行了詳細闡述。同時得出了結構在地震作用下內力和位移等結果的一些特殊問題的特殊處理進行了探討。

關鍵詞:不規則建筑扭轉轉換層

中圖分類號:TU318文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(a)-0030-02

1 工程概況

某高層建筑綜合辦公樓地下3層，地上26層，總建筑面積為63251m2。其中地下室建筑面積13273m2。地下室層高4.00m、3.60m，首層層高4.00m，標準層層高3.80m，建筑物總高98.80m。主體結構采用框架一剪力墻結構，樓面為鋼筋硅梁板體系。建筑物士0.00相當于絕對標高14.00m。

2 基礎及地下室設計

(1)基礎選型。根據本工程的巖土工程勘察報告，工程地質自上而下為:人工填土、粉質粘土、淤泥、粉質粘土(可塑)、粉質粘土(硬塑)、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化泥質粉砂巖。地下水埋深介于0.80～1.16m之間，對混凝土結構不具腐蝕性。場地為中軟土場地，屬Ⅱ類，抗震不利地段。地基基礎設計等級為乙級。工程主樓采用鉆孔灌注樁(墩)基礎，樁(墩)徑。Φ1200～Φ2400，樁混凝土強度等級C30。樁(墩)基持力層選用微風化泥質砂巖，樁(墩)端進入持力層不少于600mm，樁長約3.0～7.0m。

單樁(墩)的豎向承載力特征值按省《建筑地基基礎設計規范》(DBJ15－31－2003)有關公式計算:Ra=Rra+Rpa=UpC2frshr+C1frpAp

地下室底板采用平板式結構，板厚 1000mm;地下室側壁厚度 450～350mm;地下室頂板室外露天部份板厚200mm，其余板厚180mm，主梁截面400×1000mm、500×1000mm，次梁截面300×700mm，250×700mm。地下室混凝土抗滲等級S12。

(2)地下室杭浮設計。三層地下室部份由于荷載較輕，若地下室底板己位于強或中風化泥質砂巖上，可采用天然地基上的獨立基礎形式，另加抗浮措施:在地下室底板設置Φ150抗拔錨桿，錨桿進入中風化泥質砂巖3m。使地下室抗浮穩定性安全系數大于1.05。

3 主體結構設計

(1)結構選型。本建筑采用鋼筋混凝土框架一剪力墻結構體系。由于建筑平面狹長，y向扭轉效應嚴重，因此在結構布置上，經過多次調整，利用建筑物角部梯間設置剪力墻，并加大角柱截面及端部y向框架梁截面以增加結構抗扭剛度。為減少結構剛度的不對稱性，使結構剛心和質心盡量靠近，適當加厚①、②軸梯間剪力墻厚度，降低結構的扭轉效應。(2)主要構件截面尺寸(見表1)。(3)混凝土強度等級(見表2)。(4)結構內力分析及主要結果。結構采用中國建筑科學研究院PKPM建筑工程軟件《多高層空間有限元分析SATWE》進行計算分析，然后用該院《特殊多高層建筑結構分析程序PMSAP))對主要計算結果進行校核。

具體做法:1)本工程計算時考慮了扭轉禍連作用。2)建筑物局部樓層平面凹進尺寸大于相應投影方向總尺寸的50%，因此在程序計算中分別按剛性樓板和彈性膜樓板進行計算，考慮了樓板變形對結構抗側力的影響。3)根據《高層建筑混凝土結構技術規程》規定，本工程剛度分布明顯不對稱，所以計算了雙向水平地震作用下和單向地震加偶然偏心作用下的扭轉影響。兩者取較大值。4)根據同一規程，本工程采用彈性時程分析法對構進行多遇地震下的補充計算，選用兩條實際地震波和一條人工波的加速度時程曲線，地震波持續時間大于12秒，時間間隔0.01秒，輸入地震加速度35cm/s2。5)主要計算結果(見表3、表4)。

(5)計算結果分析，圖3。Satwe和PmsaP兩種分析軟件的力學模型均用桿單元模擬梁、柱，殼單元模擬剪力墻，因此均能反映結構構件實際受力情況。兩者計算結果相近。(1)根據SATWE結果，本工程滿足((高層建筑混凝土結構技術規程》規定的各項位移及剛度要求。(2)根據PMSAP計算結果，各層平面的樓板彈性拉應力一般小于0.4MPa，局部應力集中處拉應力最大為0.5MPa。該最大值小于混凝土抗拉強度。地震作用下，各層平面的樓板彈性剪應力一般小于0.4MPa，局部應力集中處剪應力最大為0.90MPa。可見所采用樓板厚度滿足要求。(3)根據省實施《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2002)辛卜充規定:①本工程部分樓層平面凹進尺寸大于相應投影方向總尺寸的50%，屬于樓板局部不連續，平面不規則。②本工程有兩條上部結構柱通過轉換梁轉換到下部結構，屬于豎向抗側力構件工類不連續，豎向不規則。③本工程部分樓層的扭轉位移比大于1.2，但所有樓層的扭轉位移比均小于1.35，屬于工類扭轉不規則。④綜上所述，本工程屬于不規則結構，但不屬于特別不規則結構，不屬于超限高層建筑。

4 設計上的一些特殊處理

針對前面所述工程特點，設計采取如下措施:(1)超長混凝土結構處理。本工程橫向長度已超過規范規定設置伸縮縫的限值，因此通過控制混凝土配合比，減少水泥用量和用水量，摻加粉煤灰和合適的外加劑，降低硅水化熱，適當增加樓板配筋率以防止溫度應力導致混凝土開裂。除上述措施外，在結構平面分別設置兩條加強帶減少混凝土干縮帶來的影響。(2)結構平面不規則的處理措施:本工程結構平面樓板開洞或平面凹進較大，因此在計算中引入彈性板假定，用有限元計算程序計算樓板正應力和剪應力，在應力集中部位采取加厚樓板，提高配筋率，洞口邊緣設置邊梁等措施予以加強。(3)轉換梁處理措施。由于建筑功能的要求，⑦～⑧x(C)軸的兩條框架柱不能直接落地(影響地下室車道的使用)，設計利用地下一層層高較大的條件設轉換梁將上部柱荷載轉換至下部結構上。對于本工程地下一層所設置的轉換梁，通過加寬梁截面，來滿足梁的受剪截面承載力要求，確保轉換梁硅不產生脆性破壞。為滿足使用功能，局部柱子采用C60高強混凝土，既減小柱截面又滿足軸壓比限值要求。

5 設計體會

當前，高層建筑設計中的超限問題越來越多。為保證建筑造型和功能兩方面的要求，結構設計要對梁柱截面、樓板厚度、剪力墻布置、材料、局部位置的加強等進行多次調整才最終確定滿足規范要求的結構方案。

參考文獻

[1]呂西林，李學平．超限高層建筑工程抗震設計中的若干問題．建筑結構學報，2002，23(2).

[2]董金梁.上南花苑城D區平面不規則高層建筑結構設計.建筑結構，2002，32(4).

[3]高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3-2002，J186-2002).中國建筑業出版社，2002.

[4]中國建筑科學研究院PKPM系列，多層與高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件(墻元模型)SATWE.2005.