對基于水平荷載控制的復雜體型高層建筑結構設計

夏愛華

摘要：以實際工程案例為研究對象，詳細闡述了該工程中水平荷載控制設計的相關內容，并對其建筑結構設計思路與方法進行了分析。從仿真結果來看，該工程中所采用的建筑結構設計滿足水平荷載控制要求，具有可行性。

關鍵詞：水平荷載、復雜體型高層建筑、建筑結構設計

隨著復雜體型的高層建筑、超高層建筑越來越常見，建筑物的水平荷載控制問題已經得到越來越多人的關注。現代研究認為，高層建筑結構中所承受的水平荷載主要包括水平地震作用、風載作用等，這些作用力都會以水平荷載的形式存在，對建筑物的整體穩定性產生影響，所以應該得到設計人員的重視。

一、工程案例簡介

某高層建筑的占地面積為6336㎡，總建筑物面積為15187㎡，分為主樓與裙樓兩個結構，其中有地上20層，地下2層。其中地上20層建筑中，1-5層的高度為4.5m，作為商業用樓;第6-20層高度為3m，為普通住宅。地下1層為停車場，地下2層為發電機房、空調機房等，地下1層、2層的高度均為3.5m。

二、對該建筑物的水平荷載分析

（一）水平地震作用

在水平地震作用的影響下，建筑物的框架-剪力墻結構體系將會發生變化，這個變化過程的解釋為：剪力墻作為一種豎向懸臂彎曲結構，其變形曲線為懸臂梁型，隨著高度的增加，其擾度變化越明顯[1]。同時，框架-剪力墻結構在建筑物中可以看做是一個結構單元，不僅包含框架，也含有剪力墻，這兩者依靠平面內的剛度與樓板連接在一起，避免了變形發生。但是在水平地震作用的影響下，框架-剪力墻不可避免的會出現變形問題，但是這種變形與正常結構的變形相比具有特殊性，是一種反S型曲線。

（二）風載作用

風載作用對高層建筑物的穩定性產生直接影響，尤其是在建筑物高度增加的情況下，建筑物結構對風載的敏感性會顯著增加。為了可以進一步了解該建筑物的風載作用特征，采用風振總響應模型來進行分析，其模型為：

從這一數據模型可以發現，在該建筑物的風載作用分析中，對于風載作用的識別不是單一的，建筑物所產生的風載振動也是在多因素共同作用下出現的。

三、建筑物結構設計

在該工程中，從風載作用、水平地震作用兩個角度，對水平荷載問題進行了分析研究，并制定了一系列建筑物結構設計方案，主要內容包括：

（一）基本設計思路

本工程中，當地50年重現期的風壓值為0.5kN/m2;抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，安全等級為二級，結構重要性系數為1.0。根據地質報告顯示，建筑物距離地下15m的位置為淤泥，是軟弱地質。

（二）結構選型與布置

在該工程中，考慮到施工場地地下為軟弱地質，為了可以增加結構水平剛度，設計選型時決定建筑物的主體采用框架-剪力墻結構，其中剪力墻設置在主樓的中心位置，通過這種設計方法可以顯著提高建筑物主要結構的穩定性。在主樓與裙樓的基礎設計時，考慮到本地區的地下水位較高且上部建筑物的重量差異較大，因此基礎采用了厚板樁筏的設計方案，并在主樓與裙樓之間留沉降后澆帶，待主樓施工結束且沉降基本穩定后，再將兩者封閉連接為整體。

（三）荷載分析

1、地震荷載

該建筑的框架、剪力墻抗震等級均為二級，根據《高層建筑混凝土結構技術規程》的要求，必須對其進行地震作用計算。同時實踐發現，在兩個不同方向的地震作用影響下，結構質量與剛度的分布存在明顯不對稱的現象，所以在地震荷載問題的分析中，需要將不同方向下的水平地震作用扭轉計入到地震荷載中。

2、風荷載

在該工程設計時，充分考慮了風荷載對建筑物結構穩定性的影響，基本風壓按照現行國家標準《建筑結構荷載規范》及《高層建筑混凝土結構技術規程》的規定，結合當地的實際情況。在承載力設計時，取基本風壓值為0.55KN/㎡進行設計，基本風壓值的調整系數為1.1;根據設計的建筑物結構特征，確定結構整體坐標與風力作用下的方向夾角為49.99°。

3、均布活荷載

在該工程中，均布活荷載的相關資料如表1所示：

（四）建筑結構的設計計算

為了保證數據分析結果的準確性，采用中國建筑科學院的PKPM軟件進行結構設計計算，通過構建結構模型，采用高層建筑物結構三維分析軟件進行計算;在基礎運算中，采用CAD軟件確定底板基礎等關鍵部位參數[2]。

結合該工程的實際情況，考慮到建筑物的地基為軟弱土，因此對整體結構的嵌固作用不明顯，所以在結構計算時，取地下一層地面作為結構嵌固端。依靠該模型，依靠信息系統程序來對施工過程進行模擬，并評估不同工況下的水平荷載變化情況，根據模擬結果，在柱、墻水平荷載計算中，采用人機交互控制的方法，逐層修正活載折減系數，并根據折減系數的變化結果來調整柱、墻的參數數據。在該建筑中，考慮到柱的橫截面尺寸較大，會導致柱端彎矩持續向中心靠攏，導致受力承受上限要略高于正常值。因此在結構設計時，考慮采用控制梁端彎矩的方法，保證修正后的梁端彎矩為原來數據的2/3左右，這樣就可以取得理想的效果。

（五）結果仿真

按照上述方法，隨機選擇三個自振周期來對建筑物結構穩定性問題進行分析對比，所得到的仿真結果如表2所示：

根據表2所提供的仿真結果可以發現，在三個自振周期中，該建筑物在結構的X軸方向與Y軸方向上的數據變化不明顯。這一結果證明，該建筑物的水平剛度性能良好，設計滿足規范標準要求。

四、結語：

該工程在復雜體型高層建筑物結構設計時，根據水平荷載的特征，對關鍵結構的參數進行了優化，并且通過最終仿真結果證明，這種優化是科學有效的。做為設計人員，在復雜體型高層建筑結構設計時，應充分重視水平荷載控制的影響，這樣才能設計出安全性更高，使用更舒適的建筑。

參考文獻：

[1]徐培福，傅學怡.復雜高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[2]丁潔民，吳宏磊.我國高度250m以上超高層建筑結構現狀與分析進展[J].建筑結構學報，2017（03）：76-80.