高層結構分析與設計

【摘 要】隨著高層建筑的不斷涌現，高層建筑結構設計逐漸成為結構工程師設計工作的主要重點和難點所在。本文從工程實例出發，對主體結構的選型，分析了結構抗震的加強措施，對結構的整體進行了計算分析，根據工程特點選用經濟合理的結構體系。設計過程中與建筑師密切協調，使結構方案既要滿足結構要求，又要為業主提供較好的經濟性。在超高層結構設計中，更應注重抗震概念的設計，從總體把握結構的抗震性能，加強抗震構造措施。

【關鍵詞】高層建筑；結構分析；抗震；設計

1 工程概況

某商業建筑地上34層，由2個塔樓和4層裙房組成，建筑總長118.2m，寬61.2m，主體高度129.3m，總建筑面積為123945m2。地下2層為車庫， 1～4層為展廳、餐廳、多功能會議室、活動室等；5～34層為辦公樓，頂部局部為水箱和電梯機房?？拐鹪O防烈度為7度，場地土的特征周期為0.35s，對應設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第二組。

根據建筑使用功能的重要性分類，工程建筑抗震設防類別為標注設防類（簡稱丙類）。建筑場地類別為Ⅱ類。

2 主體結構

2.1 結構選型

兩座塔樓主體高度超過120m高，依據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）并考慮建筑功能及經濟的原因，主體采用框架-核心筒結構類型，裙房采用框架結構。由于建筑1～4層樓面開大洞，且開洞每層均不相同，這樣導致結構平面布置不均勻、不對稱，屬于平面不規則結構；樓層上下開洞不對照等造成豎向構件不連續，屬于上下不規則結構；經電算樓層的最大彈性水平位移，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍。綜上所述，工程屬于特別不規則結構，工程需要超限高層建筑工程抗震設防專項審查。

后經研究發現樓板開洞均在裙房的中部，于是和建筑人員協商在不影響其使用功能的前提下，設置兩道150mm寬的抗震縫，把工程分成三個獨立的結構計算單元，中間為平面不規則的多層框架結構，兩側為帶有一般四層裙房的框架-核心筒結構。經此調整，結構平面得到極大的簡化，分化后的獨立結構計算單元轉效應減少很多，并使結構在兩個主軸方向具有合理、相近的抗扭剛度，每部分均在現行規范的范圍，不再需要超限抗震審查。

2.2.1 提高重要部位構件的抗震等級：主樓底部加強區框架抗震等級采用一級，其余框架的抗震等級采用二級。

2.2.2 嚴格控制軸壓比：主樓部分剪力墻核心筒最大軸壓比0.447，框架柱的最大軸壓比0.665。

2.2.3 提高底部加強區剪力墻的分布筋配筋率，提高約束邊緣構件的體積配箍率。

2.2.4 對洞口周邊的框架梁加寬，提高縱筋配筋率和加大箍筋配筋率。

2.2.5 對樓板也加強了措施，除在一、四、五、六層加厚，配雙層雙向鋼筋并提高其配筋率，并對1～4層洞口周邊的樓板也采取了同樣的加強措施。

3 結構的整體計算分析

3.1 結構彈性分析

整體彈性分析主要采用SATWE，同時采用PMSAP不同力學模型程序進行比較計算?；撅L壓按100年重現期取值，ω0=0.450kN/m2，地面粗糙度C類，地震影響系數αmax=0.08，計算陣型數取46，±0.000以上分三個塔，±0.000以下一個塔，計算時考慮偶然偏心和雙向水平地震作用，取兩者的不利情況。由于裙房部分樓板局部開大洞不連續，整體結構分析時又采用了彈性樓蓋計算模型，整體分析采用總剛分析法。彈性計算結果（2號塔樓結果和1號塔樓的結果差別很?。┮姳?。

由表1可知，多模型的分析結果基本一致，結構的底部總剪力、最大層位移、周期、周期比均正常，滿足規范要求。只有結構中部的部分樓層（y向）在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層最大位移比大于1.2，但均小于1.4。結構的第一扭轉周期與第一平動周期之比≤0.850，可見結構的扭轉性能較好?？傊谛≌鸷惋L荷載作用下結構各項控制指標均在合理范圍內，全部構件的抗震承載力和層間位移均滿足現行規范要求，結構構件處于彈性工作狀態。

3.2 結構彈性時程分析

本工程結構高度大于100m，需要采用彈性時程分析來校核振型分解反應譜法的計算結果。計算采用SATWE軟件進行時程分析。計算采用一條天然波（RH2TG040）和兩條人工波（TH1TG040，TH4TG040），取地震最大加速度35cm/s2，結構阻尼比為0.05，圖4、5為1號塔樓結構彈性時程分析結果，與CQC法結果比較：各條時程曲計算所得結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于CQC法計算結果的80%?？偧袅镃QC法的88%，頂點位移為CQC法的112%。

4 基礎設計

基礎設計等級為甲級。依據地質勘察報告，擬建場地原始地貌屬于伊河河漫灘～Ⅰ級階地，地形較平坦，標高138.70m～117.49m。

場地土層自上而下依次為：①層雜填土，厚0.30m～2.50m；②層黃土狀粉土，厚1.0m～2.70m；③層黃土狀粉質粘土加粉土，厚2.30m～6.50m；④層中砂，厚0.30m～3.20m；⑤層卵石及圓礫，厚2.30m～4.50m；⑥層卵石，最大揭露厚度12.6m。勘察結果表明，場地無巖溶、滑坡、危巖和崩塌、泥石流、采空區和因城市或工業抽水而引起區域性地面沉降等不良地質作用。

第⑥層卵石層為良好的基礎持力層。主樓基礎和裙房及其它地下室基礎均采用筏板基礎，由于地下抗浮水位較淺（本工程±0.000相當于絕對標高139.00，地下抗浮水位125.80），故把主樓、裙房、地下室基底為一平，采用變厚度筏板基礎，然后用回填土回填至地下室地面用來抵消部分水浮力。

工程主樓和裙房及部分地下室荷載差別較大，但基礎持力層為第⑥層卵石層，兩者的沉降變形差很小。主體結構施工過程中，采用后澆帶調節變形差，可滿足規范要求，因此不設沉降縫。

5 結語

總之，合理運用抗震縫的設置，有時可把復雜的結構形式，變成幾個簡單規則的結構形式，使結構分析更加簡單。根據工程特點選用經濟合理的結構體系。設計過程中與建筑師密切協調，使結構方案既要滿足結構要求，又要為業主提供較好的經濟性。在超高層結構設計中，更應注重抗震概念的設計，從總體把握結構的抗震性能，加強抗震構造措施。

參考文獻

[1]吳大煒;高層建筑的結構優化設計研究[J];四川建筑科學研究;2006年04期

[2]吳鋒;小高層住宅結構設計探討[A];全國冶金自動化信息網2010年年會論文集[C];2010年